Khoá luận tốt nghiệp Trờng đại học vinh Khoa hoá học ------------------ Hồ sỹ vân minh Nghiên cứu chế tạo kit thử xác định Nghiên cứu chế tạo kit thử xác định nhanh hàm l nhanh hàm l ợng clo hoạt động ợng clo hoạt động trong n trong n ớc ớc Khoá luận tốt nghiệp đại học Chuyên ngành hoá vô cơ Vinh, 2009 = = Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 1 Khoá luận tốt nghiệp Lời nói đầu Nớc sinh hoạt và nớc trong công nghệ chế biến thực phẩm thờng phải qua quá trình khử trùng. Phơng pháp khử trùng thờng dùng là sử dụng clo hoạt động gồm clo và các hợp chất của clo nh HClO, ClO - , cloramin. Khi đem vào sử dụng thì hàm lợng clo hoạt động phải đáp ứng theo yêu cầu quy định. Do đó việc xác định hàm lợng clo hoạt động trong nớc sinh hoạt và trong công nghệ chế biến thực phẩm là rất quan trọng. Nhận thức đợc điều này chúng tôi đã tiến hành đề tài Nghiên cứu chế tạo kit thử xác định nhanh hàm lợng clo hoạt động trong nớc. Quá trình hoàn thành đề tài không tránh khỏi những sai sót. Rất mong đ- ợc sự phê bình, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Th.S Phan Văn Hoà đã tận tình h- ớng dẫn em trong suốt quá trình làm đề tài này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo T.S Nguyễn Hoa Du đã đóng góp cho em nhiều ý kiến bổ ích. Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Hoá đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thí nghiệm. Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và ngời thân- những ngời đã giúp đỡ động viên tôi trong quá trình học tập. Vinh, 2009 Hồ Sỹ Vân Minh Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 2 Khoá luận tốt nghiệp Mục lục Trang Lời nói đầu .1 Mục lục 2 Phần 1: Tổng quan .4 1.1. Nớc và thành phần, tính chất của nớc .4 1.1.1. Các chất khí hoà tan trong nớc 4 1.1.2. Các chất vô cơ 4 1.1.3. Các chất hữu cơ .5 1.1.4. Chất rắn 6 1.2. Tiêu chuẩn chất lợng nớc 6 1.3. Clo hoạt động 8 1.3.1. Khái niệm 8 1.3.2. ứng dụng của clo hoạt động 9 1.3.3. ảnh hởng của clo hoạt động 12 1.3.4. Lấy và bảo quản mẫu nớc chứa clo hoạt động .12 1.3.5. Các phơng pháp xác định hàm lợng clo hoạt động 13 1.3.5.1. Phơng pháp Hồ tinh bột- Iot .13 1.3.5.2. Phơng pháp ampe .14 1.3.5.3. Phơng pháp chuẩn độ ampe 15 1.3.5.4. Phơng pháp DPD 15 1.3.5.5. Phơng pháp so màu với thuốc thử o-Tolidin 16 1.3.6. Các yếu tố dẫn đến sai số trong các phơng pháp xác định clo hoạt động .17 1.3.6.1. Lấy mẫu đại diện 17 1.3.6.2. ảnh hởng bởi các chất oxi hoá, khử và tác nhân khác trong nớc 17 1.3.6.3. Các hợp chất của mangan .17 1.4. Giới thiệu về kit thử clo hoạt động .18 1.4.1. Mục đích xây dựng bộ kit 18 Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 3 Khoá luận tốt nghiệp 1.4.2. Nguyên tắc .18 1.4.3. Yêu cầu của kit thử 18 1.4.4. Phạm vi, giới hạn sử dụng .19 1.4.5. Ưu điểm, hạn chế 19 Phần 2: Thực nghiệm .20 2.1. Dụng cụ, hoá chất .20 2.2. Xây dựng bộ kit xác định nhanh hàm lợng clo hoạt động trong nớc bằng thuốc thử o-Tolidin 20 2.2.1. Nguyên tắc .20 2.2.2. Chuẩn bị hoá chất 20 2.2.3. Chuẩn bị dung dịch chuẩn nớc clo 21 2.2.4. Chuẩn bị thang màu .22 2.2.5. Xác định clo hoạt động ở mẫu nớc thực 22 2.2.6. Xác định clo hoạt động bằng phơng pháp trắc quang .23 2.2.7. Xây dựng bộ kit thử .24 2.3. Xây dựng bộ kit xác định nhanh hàm lợng clo hoạt động trong nớc bằng thuốc thử N,N-dietyl-p-phenylendiamin (DPD) 24 2.3.1. Nguyên tắc .25 2.3.2. Chuẩn bị hoá chất 25 2.3.3. Chuẩn bị dung dịch chuẩn nớc clo 25 2.3.4. Chuẩn bị thang màu .25 2.3.5. Xác định clo hoạt động ở mẫu nớc thực 25 2.3.6. Xác định clo hoạt động bằng phơng pháp trắc quang .26 2.3.7. Xây dựng bộ kit thử .27 2.4. Một số kết quả bớc đầu về nghiên cứu chế tạo giấy thử xác định nhanh hàm lợng clo hoạt động 28 Phần 3: Kết luận 30 Tài liệu tham khảo .31 Phụ lục .32 Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 4 Khoá luận tốt nghiệp Phần 1: Tổng quan 1.1. Nớc và thành phần, tính chất của nớc. Trong tự nhiên, nớc sạch chứa một hàm lợng không đáng kể. Thực tế các nguồn nớc đều chứa lợng lớn các tạp chất. 1.1.1. Các chất khí hoà tan trong nớc.[9] Các khí quan trọng là O 2 , CO 2 , CH 4 , H 2 S. Khí O 2 có nhiều trong nớc mặt, giúp cho quá trình sinh hoá của các vi khuẩn, vi sinh vật. Trong nớc ngầm hàm lợng O 2 rất bé, gần nh bằng không. Hàm lợng oxi hoà tan trong nớc đợc xác định bằng chỉ số độ oxi hoà tan DO (mg/l). Khí CO 2 ở nớc bề mặt rất ít nhng trong nguồn nớc ngầm có hàm lợng lớn, nó có thể tồn tại ở dạng tự do hay dạng hợp chất HCO 3 - , CO 3 - , H 2 CO 3 . Khí H 2 S có trong nớc ngầm do quá trình phân huỷ khoáng sunfua, xác động thực vật . H 2 S gây ra mùi trứng thối, độc hại. Khí CH 4 sinh ra trong quá trình phân huỷ yếm khí các hợp chất hữu cơ, thờng ở đáy các ao hồ. Khí SO 2 hoà tan trong nớc gây nên mùi khó chịu, ảnh hởng tới sức khoẻ con ngời. Các khí gây nên sự thay đổi độ pH của nớc. 1.1.2. Các chất vô cơ.[7] Các chất vô cơ trong nớc thờng ở dạng ion nh K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl - , HCO 3 - , CO 3 2- , SO 4 2- , Fe 2+ , Mn 2+ , I - , F - , . Hàm lợng các muối đợc đánh giá qua chỉ tiêu tổng chất rắn hoà tan (Total Dissolved Solids (TDS), mg/l). Trong nớc có chứa hàm lợng ion Ca 2+ , Mg 2+ , HCO 3 - , SO 4 2- , Cl - , gây ra độ cứng của nớc. Nớc có độ cứng cao làm nớc có vị chát, làm đóng cặn trên nồi nấu làm hỏng nồi, làm mất khả năng tẩy rửa của xà phòng. Nớc có hàm lợng sắt > 0,5 mg/l gây ra mùi tanh khó chịu và nổi váng trên bề mặt làm vàng quần áo khi giặt, làm h hỏng hàng dệt. Ngoài ra còn ảnh hởng đến quá trình sản xuất giấy, phim ảnh, đồ hộp thực phẩm Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 5 Khoá luận tốt nghiệp Hàm lợng mangan trong nớc lớn hơn 0,1 mg/l cũng gây nhiều trở ngại trong việc sử dụng. Sắt và mangan gây đục, gây ảnh hởng đến độ cứng, duy trì sự phát triển một số vi khuẩn gây thối rửa trong hệ thống phân phối nớc. Trong nớc tồn tại ion clorua thay đổi nồng độ trong khoảng rộng, hàm l- ợng clorua thờng tăng khi hàm lợng khoáng tăng. ở nồng độ > 250 mg/l sẽ gây vị mặn cho nớc, gây bệnh thận cho ngời khi sử dụng, ảnh hởng đến nông nghiệp, thuỷ sản, công trình dới nớc. Các hợp chất chứa nitơ: tồn tại trong nớc dới dạng nitrit (NO 2 - ), nitrat (NO 3 - ), amoniac (NH 3 ) và các muối amoni hay nitơ tự do. Đó là các sản phẩm của quá trình phân huỷ sinh học các chất hữu cơ. Các dạng hợp chất nitơ là chất chỉ thị để nhận biết mức độ nhiễm bẩn của nguồn nớc. Sunfat: trong điều kiện kị khí bị khử thành ion sunfua và H 2 S gây mùi hôi. Trong điều kiện hiếu khí các vi khuẩn oxi hoá H 2 S thành H 2 SO 4 làm ăn mòn các công trình. Nớc cấp có hàm lợng sunfat > 250 mg/l có vị chát và gây bệnh tiêu chảy. Flo và iot trong nớc thờng ở dạng ion và chúng ảnh hởng trực tiếp tới sức khoẻ con ngời. Hàm lợng flo có trong nớc uống < 0,7mg/l dễ gây bệnh đau răng, > 1,5mg/l làm hỏng men răng. Vùng nguồn nớc thiếu iot thờng gây bệnh bớu cổ, nếu hàm lợng lớn cũng có thể gây hại sức khoẻ. Các kim loại nặng gây độc nặng nh Hg, Cd, As, Pb cần đợc kiểm tra nghiêm ngặt.[9] 1.1.3. Các chất hữu cơ. Các chất hữu cơ trong nớc có nguồn gốc từ động, thực vật bị phân huỷ hoà tan chủ yếu là tanin, axit humic, humat. Ngoài ra các hợp chất hữu cơ khác nh sunfit hữu cơ, amin, foocmanđehit, phenol . Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 6 Khoá luận tốt nghiệp Chất hữu cơ trong nớc thờng đợc đặc trng qua: độ màu, mùi vị và chỉ số oxi hoá (COD, BOD (mgO 2 /l)). Hiện nay thờng xét hàm lợng hữu cơ gián tiếp qua chỉ số oxi hoá. Bảng 1. Tác hại do hợp chất trong nớc gây ra Hợp chất Tác hại Thuốc trừ sâu Tác động đến hệ thần kinh Benzen (dung môi) Rối loạn máu Cacbontetraclorua (dung môi) Ung th, làm hại gan và có thể tác động đến thận và thị giác Clorofoom (dung môi) Ung th Đioxin (TCDD) Quái thai, ung th Etylenđibromit (EDB) Ung th, tác động đến thận và gan Bifenilpoliclorinate (PCBs- hoá chất công nghiệp) Tác động đến thận và gan, có thể gây ung th Tricloetylen (TCE) Gây ung th gan ở chuột Vinylclorua (Công nghiệp chất dẻo) Ung th 1.1.4. Chất rắn.[7] Trong nớc uống hầu hết các chất rắn ở dạng hoà tan chủ yếu là muối vô cơ, một phần nhỏ là chất hữu cơ và khí hoà tan. Ngời ta thờng sử dụng phơng pháp xác định hàm lợng tổng chất rắn (TS, mg/l) và phơng pháp đo độ dẫn điện riêng hoặc phép đo độ đục để xác định chất rắn trong nớc. Hàm lợng tổng chất rắn hoà tan trong nớc uống thờng khoảng 20-1000 mg/l. Những lúc vào mùa nớc lũ thì hàm lợng chất rắn trong nớc rất lớn. 1.2. Tiêu chuẩn chất lợng nớc.[8] Căn cứ vào mức độ d lợng gây độc hại cho môi trờng sống và khả năng tự xử lí trong tự nhiên của mỗi loại chất thải, ngời ta đa ra các quy định mức độ tối thiểu cho phép sự hiện diện của các chất trong môi trờng nớc với các mục đích sử dụng khác nhau.[6]. Dới đây là tiêu chuẩn vệ sinh nớc sạch áp dụng cho nớc sinh hoạt cá nhân và gia đình, không sử dụng cho nớc ăn uống trực tiếp. Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 7 Khoá luận tốt nghiệp Bảng 2. Các giá trị tiêu chuẩn nớc sạch. TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn tối đa Phơng pháp thử 1 Màu sắc TCU 15 TCVN 6187-1996 (ISO 7887-1985) 2 Mùi vị Không có mùi vị lạ Cảm quan 3 Độ đục NTU 5 TCVN 6184-1996 4 pH 6,0- 8,5 TCVN 6194-1996 5 Độ cứng mg/l 350 TCVN 6224-1996 6 Amoni (tính theo NH 4 + ) mg/l 3 TCVN 5988-1995 (ISO 5664-1984) 7 Nitrat (tính theo NO 3 - ) mg/l 50 TCVN 6180-1996 (ISO 7890-1988) 8 Nitrit (tính theo NO 2 - ) mg/l 3 TCVN 6178-1996 (ISO 6777-1984) 9 Clorua mg/l 300 TCVN 6194-1996 (ISO 9297-1989) 10 Asen mg/l 0,05 TCVN 6182-1996 (ISO 6595-1982) 11 Sắt mg/l 0,5 TCVN 6177-1996 (ISO 6332-1988) 12 Tổng số chất rắn hoà tan (TDS) mg/l 1200 TCVN 6053-1995 (ISO 9696-1992) 13 Đồng mg/l 2 TCVN 6193-1996 (ISO 8288-1986) 14 Xianua mg/l 0,07 TCVN 6181-1996 (ISO 6703-1984) 15 Florua mg/l 1,5 TCVN 6195-1996 (ISO 10359-1992) 16 Chì mg/l 0,01 TCVN 6193-1996 Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 8 Khoá luận tốt nghiệp (ISO 8286-1986) 17 Mangan mg/l 0,5 TCVN 6002-1995 (ISO 6333-1986) 18 Thuỷ ngân mg/l 0,001 TCVN 5991-1995 (ISO 5666/1-1983 ISO 5666/3-1989) 19 Kẽm mg/l 3 TCVN 6193-1996 (ISO 8288-1989) 20 Coliform tổng số Vi khuẩn/100ml 50 TCVN 6187-1996 (ISO 9308-1990) 21 E.coli hoặc Coliform chịu nhiệt Vi khuẩn/100ml 0 TCVN 6187-1996 (ISO 9308-1990) 1.3. Clo hoạt động. 1.3.1. Khái niệm.[5] Clo hoạt động đợc hiểu là bao gồm clo phân tử (Cl 2 ), clođioxit (ClO 2 ), cloramin (RNH 2 , R 2 NH, R 3 N), hypoclorit (ClO - ), clorit (ClO 2 - ). Clo hoạt động đợc tạo ra khi hoà tan clo trong nớc hoặc tác dụng của clo với các hợp chất khác. Các quá trình đó xảy ra trong tự nhiên hoặc trong việc sản xuất, sinh hoạt của con ngời. 1.3.2. ứng dụng của clo hoạt động.[10] Clo hoạt động là tác nhân oxi hoá mạnh và thờng tự huỷ nhanh chóng. Chúng đợc dùng để khử trùng, thờng ở các dạng clo tự do hay hypoclorit. Khi cho clo vào trong nớc, chất diệt trùng sẽ khuyếch tán qua lớp vỏ tế bào sinh vật gây phản ứng với men tế bào làm phá hoại các quá trình trao đổi chất của tế bào vi sinh vật. Ngoài ra còn có tác dụng oxi hoá các tạp chất hữu cơ, vô cơ trong nớc làm tốt hơn chất lợng nớc nh giảm độ màu, giảm mùi hôi các chất hoà tan. Các quá trình khi khử trùng nớc bằng clo hoạt động: Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 9 Khoá luận tốt nghiệp Hai yếu tố cực kỳ quan trọng khi trong khử trùng là thời gian tiếp xúc và nồng độ tác nhân khử trùng. Các yếu tố khác xem nh hằng số. Khả năng diệt khuẩn C n .t (n > 0). Clo hoạt động có khả năng khử trùng tốt, chúng thờng bị phân huỷ nhanh chóng trong hệ thống phân phối. Khi cho clo vào trong nớc, phản ứng xảy ra nh sau: Cl 2 + H 2 O HCl + HClO hoặc Cl 2 + H 2 O 2H + + OCl - + Cl - Hypoclorit dùng khử trùng thờng là dung dịch Natri hypoclorit hay Canxi hypoclorit dạng khô. Natri hypoclorit dùng phổ biến và thờng yêu cầu lợng tiêu thụ lớn. Canxi hypoclorit dùng trong trờng hợp lợng yêu cầu giới hạn hay hệ thống xử lý gián đoạn. Các quá trình khi hòa tan NaClO và Ca(ClO) 2 vào nớc: Ca(ClO) 2 Ca 2+ + 2ClO - NaClO Na + + ClO - ClO - + HOH HClO + OH - Khả năng khử trùng phụ thuộc vào hàm lợng HClO có trong nớc, nồng độ HClO phụ thuộc vào pH của nớc pH=6 thì HClO chiếm 99,5% còn ClO - chiếm 0,5% pH=7 thì HClO chiếm 79% còn ClO - chiếm 21% pH=8 thì HClO chiếm 25% còn ClO - chiếm 75% pH > 9 thì các ion OCl - chiếm u thế tuyệt đối. pH càng cao thì hiệu quả khử trùng càng giảm do tác dụng khử trùng của HClO cao hơn của ClO - . Xét về hiệu quả theo thời gian, để tiêu diệt đợc hơn 99% số vi khuẩn E.Coli trong nớc với liều lợng 0,1mg Cl 2 /lít nớc, thời gian cần thiết tăng từ 6 phút, khi pH =6, lên đến 180 phút, khi pH =11. Khi trong nớc có chứa nhóm amin thì có thể xảy ra quá trình tạo hợp chất cloramin làm giảm khả năng khử trùng:[3] Sinh viên: Hồ Sỹ Vân Minh - 46A Hoá 10 . minh Nghiên cứu chế tạo kit thử xác định Nghiên cứu chế tạo kit thử xác định nhanh hàm l nhanh hàm l ợng clo hoạt động ợng clo hoạt động trong n trong. tạo kit thử xác định nhanh hàm lợng clo hoạt động trong nớc. 1.4.1. Mục đích xây dựng bộ kit. Xây dựng bộ dụng cụ-hoá chất xác định nhanh hàm lợng clo hoạt