TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI NGUYỄN LÊ THANH VÂN NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TRẮC QUANG XÁC ĐỊNH ASEN BẰNG THUỐC THỬ SAFRANINE LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Hà Nội - 2012 TRNG I HC KHOA HC T NHIấN I HC QUC GIA H NI NGUYN Lấ THANH VN NGHIấN CU PHNG PHP TRC QUANG XC NH ASEN BNG THUC TH SAFRANINE Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60.44.29 Luận văn thạc sĩ khoa học Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: GS. TS. Trn T Hiu H Ni - 2012 DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG HÌNH Trang Hình 1.1: Ảnh hƣởng của pH đến dạng tồn tại của asen 4 Hình 1.2: Đồ thị ảnh hƣởng của pH/E h đến dạng tồn tại của asen 4 Hình 1.3: Bệnh ung thƣ da do asen gây ra 11 Hình 1.4: Biểu đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen trên thế giới 13 Hình 1.5: Ô nhiễm asen tại Việt Nam 15 Hình 1.6: Ô nhiễm asen tại đồng bằng châu thổ sông Hồng 16 Hình 3.1: Phổ hấp thụ quang của dung dịch Safranin khi có mặt As(III); KIO 3 và HCl 33 Hình 3.2: Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang theo thời gian 35 Hình 3.3 : Ảnh hƣởng của nồng độ KIO 3 đến độ hấp thụ quang của dung dịch 37 Hình 3.4: Ảnh hƣởng của nồng độ Safranin đến độ hấp thụ quang của dung dịch 39 Hình 3.5. Đồ thị khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ HCl………… 40 Hình 3.6: Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính xác định As(III) …… 49 Hình 3.7: Đƣờng chuẩn xác định As(III) ….49 Hình 3.8: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 8…52 Hình 3.9: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 1 57 Hình 3.10: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 2 58 Hình 3.11: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 3. 59 Hình 3.12: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 4. 60 Hình 3.13: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 5 61 Hình 3.14: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 6 63 Hình 3.15: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 7 64 Hình 3.16: Đƣờng thêm chuẩn xác định As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 8 66 BẢNG Bảng 1.1: Hàm lƣợng asen ở các vùng khác nhau trên thế giới…… 13 Bảng 3.1: Ảnh hƣởng của nồng độ KIO 3 đến phép phân tích…… 36 Bảng 3.2: Ảnh hƣởng của nồng độ Safranin đến phép phân tích…… 38 Bảng 3.3: Ảnh hƣởng của nồng độ HCl………… 40 Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của ion NO 3 - đến phép xác định As(III) 6,0ppm…….42 Bảng 3.5: Ảnh hƣởng của ion SO 4 2- đến phép xác định As(III) 6,0ppm 43 Bảng 3.6: Ảnh hƣởng của ion Ca 2+ đến phép xác định As(III) 2,0ppm 44 Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của ion Ba 2+ đến phép xác định As(III) 2,0ppm 45 Bảng 3.8: Ảnh hƣởng của ion Zn 2+ đến phép xác định As(III) 6,0ppm 45 Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của ion Fe 3+ đến phép xác định As(III) 2,0ppm 46 Bảng 3.10: Ảnh hƣởng của ion Cu + đến phép xác định As(III) 2,0ppm ……47 Bảng 3.11: Khảo sát khoảng tuyến tính xác định As(III)………… …… 48 Bảng 3.12: Xác định hàm lƣợng asen trong mẫu nƣớc ngầm số 8… 52 Bảng 3.13: Đánh giá độ lặp lại của phƣơng pháp…………….… …… 54 Bảng 3.14: Thông tin về các mẫu nƣớc ngầm…………………………… 55 Bảng 3.15: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 1……… 56 Bảng 3.16: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm số 2 …….57 Bảng 3.17: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 3 … 58 Bảng 3.18: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 4 …… 59 Bảng 3.19: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 5 …… 60 Bảng 3.20: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 6 …… 62 Bảng 3.21: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 7 63 Bảng 3.22: Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 8 … 65 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Giới thiệu chung về asen 3 1.1.1. Các dạng tồn tại và tính chất lý hóa học của asen (As) 3 1.1.1.1. Các dạng tồn tại của asen 3 1.1.1.2. Tính chất vật lý 5 1.1.1.3. Tính chất hóa học 5 1.1.2. Độc tính của asen và sự tích lũy trong cơ thể ngƣời 9 1.1.3. Ô nhiễm asen trong nƣớc ngầm trên thế giới và Việt Nam 12 1.1.3.1. Ô nhiễm Asen trên thế giới 12 1.1.3.2. Ô nhiễm asen tại Việt Nam 15 1.2. Một số phƣơng pháp xác định Asen 17 1.2.1. Phƣơng pháp phân tích đo quang phân tử 17 1.2.1.1. Phƣơng pháp đo quang với bạc dietyl đithiocacbamat 17 1.2.1.2. Phƣơng pháp xanh molipden 17 1.2.1.3. Đo quang xác định asen sau khi hấp thụ asin bằng hỗn hợp 18 1.2.1.4. Phƣơng pháp xác định asen bằng thuốc thử Leuco crystal violet (LCV) 19 1.2.1.5. Phƣơng pháp động học xúc tác 19 1.2.1.6. Xác định lƣợng vết As(III) bằng phƣơng pháp động học- trắc quang dựa trên ảnh hƣởng ức chế phản ứng giữa kalibromua và kalibromat trong môi trƣờng axit 20 1.2.1.7. Xác định As(III) dựa trên hệ Ce(IV)/Ce(III). 20 1.2.1.8. Phƣơng pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS) 21 1.2.2. Phƣơng pháp huỳnh quang 23 1.2.2.1. Xác định As(III) bằng thuốc thử fluorescein 23 6 1.2.2.2. Phƣơng pháp dòng chảy - huỳnh quang xác định axit dimethyl arsinic(DMAA) trong thuốc diệt cỏ sử dụng phản ứng quang hóa trực tiếp 24 1.2.2.3. Xác định Asen bằng phƣơng pháp huỳnh quang phân tử với hệ thuốc thử murexit – Cr(VI) 24 1.2.2.4. Phƣơng pháp biosensor sử dụng vi khuẩn chỉ thị 25 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 27 2.1. Mục tiêu, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu 27 2.1.1. Nguyên tắc của phƣơng pháp trắc quang xác định hàm lƣợng asen bằng Safranin. 27 2.1.2. Nội dung nghiên cứu 28 2.2. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 29 2.2.1. Dụng cụ, thiết bị 29 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1. Nghiên cứu phƣơng pháp xác định As (III) dựa trên hệ phản ứng oxi hóa khử As(III), KIO 3 và Safranin. 33 3.1.1. Nghiên cứu chọn điều kiện tối ƣu của phản ứng chỉ thị 33 3.1.1.1. Phổ hấp thụ của sản phẩm phản ứng chỉ thị 33 3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian phản ứng 34 3.1.1.3. Ảnh hƣởng của nồng độ KIO 3 36 3.1.1.4. Ảnh hƣởng của nồng độ thuốc thử Safranine: 37 3.1.1.5. Ảnh hƣởng của nồng độ HCl: 39 3.1.2. Đánh giá phƣơng pháp phân tích 41 3.1.2.1. Độ chọn lọc của phƣơng pháp phân tích [21] 41 3.1.2.2. Khảo sát khoảng tuyến tính 47 3.2. Phân tích mẫu thực tế 55 3.2.1. Xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu nƣớc ngầm 55 KẾT LUẬN 67 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, môi trƣờng ô nhiễm là vấn đề mang tính toàn cầu, là hệ quả từ khai thác mỏ, công nghiệp, nông nghiệp, và các hoạt động quân sự… Cùng với ô nhiễm hợp chất hữu cơ thì sự có mặt kim loại và á kim cũng là những nguồn chính của ô nhiễm nghiêm trọng có thể đe dọa sức khỏe con ngƣời [19]. Trong số các nguyên tố độc hại asen (As) - nguyên tố có tính độc, chức năng sinh học rõ ràng đang đƣợc thế giới quan tâm. Asen là một nguyên tố vi lƣợng rất cần thiết đối với quá trình sinh trƣởng và phát triển của động thực vật. Asen cũng đƣợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống nhƣ trong công nghiệp nhuộm, thuốc trừ sâu, dƣợc liệu, …Tuy nhiên ở hàm lƣợng cao, asen gây tác hại to lớn đối với hệ sinh thái. Asen cản trở quá trình quang hợp của cây, gây ra hiện tƣợng rụng lá ở thực vật. Asen cũng rất độc hại đối với con ngƣời và động vật. Khi xâm nhập vào cơ thể asen có thể gây hàng loạt chứng bệnh nguy hiểm nhƣ các bệnh dạ dày, rối loạn chức năng gan, hội chứng đen da và ung thƣ da,…[9] Độc tính của asen rất khác nhau, asen (III) độc gấp 50 lần asen (V), asen ở dạng vô cơ độc hơn ở dạng hữu cơ. Do đó hàm lƣợng asen trong môi trƣờng luôn đƣợc quy định ở những nồng độ rất thấp. Giới hạn cho phép của asen trong nƣớc sinh hoạt theo tiêu chuẩn của tổ chức y tế thế giới là 0,01 mg/l, theo tiêu chuẩn VN 5502 – 2003 là 0,01mg/l [8]. Nguồn gây ô nhiễm asen từ công nghiệp, sự đốt cháy các khoáng chứa asen và nguồn khoáng trong tự nhiên giàu asen trong đó có sự hòa tan các khoáng sunfua của asen trong đất là chủ yếu. Asen là thành phần tự nhiên của lớp trầm tích vỏ trái đất nên nó thƣờng có mặt trong các tầng nƣớc ngầm và nƣớc mặt. Ở một số khu vực trên thế giới, nƣớc ngầm có hàm lƣợng asen rất cao do lớp trầm tích có cấu trúc, thành phần hóa học thuận lợi cho việc hòa tan asen từ đất ra nƣớc. Hiện tƣợng này đƣợc phát hiện tại các khu vực đồng 2 bằng châu thổ thấp trũng, xảy ra lụt lội hàng năm, dòng chảy thủy văn chậm, các lớp bồi tích trẻ thiếu oxy (mang tính khử) thuận lợi cho việc giải phóng asen từ đất ra nƣớc. Ô nhiễm asen trong nƣớc ngầm dùng cho sinh hoạt và tƣới tiêu đã đƣợc phát hiện trong khoảng 20 năm qua tại Bangladet, Ấn độ, Trung quốc, Việt nam, Campuchia, Achentina, Chile, [18]… Ở Việt nam, sự ô nhiễm asen đã đƣợc phát hiện ở nhiều nơi nhƣ Hà Nội, Hà Nam, Hải Dƣơng, Phú Thọ, Cà Mau,… Nhiều nghiên cứu về ô nhiễm asen trong nƣớc giếng khoan tại Việt Nam đã đƣợc tiến hành trong những năm vừa qua. Trong số các phƣơng pháp phân tích nhƣ phƣơng pháp động học – trắc quang, phƣơng pháp phổ khối plasma cảm ứng cao tần (ICP - MS), phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), hoặc nhiều phƣơng pháp khác thì phƣơng pháp trắc quang là phƣơng pháp đang đƣợc quan tâm nghiên cứu để xác định asen vì phƣơng pháp này có độ nhạy và độ chính xác cao, quy trình phân tích đơn giản không tốn nhiều hoá chất và không đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền. Vì vậy, để đóng góp vào việc phát triển ứng dụng phƣơng pháp này với đối tƣợng nghiên cứu là nƣớc ngầm chúng tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu phƣơng pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine”. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về asen 1.1.1. Các dạng tồn tại và tính chất lý hóa học của asen (As) 1.1.1.1. Các dạng tồn tại của asen Asen (ký hiệu As) có số nguyên tử là 33, là nguyên tố phổ biến thứ 12 trong vỏ trái đất chiếm 1.10 -4 % tổng số nguyên tử trong vỏ trái đất, khối lƣợng nguyên tử của nó bằng 74,92; tồn tại chủ yếu ở dạng asen 3 và 5. Asen có trong các khoáng vật sunfua: reanga (As 4 S 4 ), oripimen (As 2 S 3 ). Nguyên tố asen có một vài dạng thù hình, dạng kim loại và dạng không kim loại. Dạng không kim loại của asen đƣợc tạo nên khi làm ngƣng tụ hơi của nó, khi đó asen có màu vàng, dạng kim loại của asen có màu trắng bạc [3]. Trong tự nhiên, Asen không tồn tại ở dạng đơn chất mà tồn tại dƣới dạng các hợp chất vô cơ (asenit, asenat) và hữu cơ (metyl asen, dimetyl asen). Asen có mặt khắp nơi trong tự nhiên, trong đất, trong đá, trong khoáng, trong quặng, trong các cơ thể sống… Asen thƣờng có hàm lƣợng cao trong các khoáng của sắt, đồng, chì hoặc trong những khoáng sunfua, trong đó khoáng asenopyrit có hàm lƣợng asen cao nhất. Tùy theo từng điều kiện môi trƣờng mà asen có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau: -3, 0, +3,+5. Trong nƣớc tự nhiên, asen tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô cơ là asenat [As(V)], asenit [As(III)]. As(V) là dạng tồn tại chủ yếu của asen trong nƣớc bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của asen trong nƣớc ngầm. Dạng As(V) hay các arsenate gồm AsO 4 3- , HAsO 4 2- , H 2 AsO 4 - , H 3 AsO 4 ; còn dạng As(III) hay các arsenit gồm H 3 AsO 3 , H 2 AsO 3 - , HAsO 3 2- và AsO 3 3- . Asen còn tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hữu cơ nhƣ: metylasen, đimetylasen. Các dạng tồn tại của asen trong nƣớc phụ thuộc vào 4 pH và thế oxi hoá khử E h của môi trƣờng. Ảnh hƣởng của pH đến dạng tồn tại của asen đƣợc trình bày nhƣ trên hình 1.1 và hình 1.2 [35]. Hình 1.1: Ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của Asen Thế ôxi-hóa khử và pH là các yếu tố quyết định đến dạng tồn tại của asen trong môi trƣờng. Ở điều kiện ôxi-hóa, và pH thấp (nhỏ hơn 6,9) dạng H 2 AsO 4 - chiếm đa số, trong khi ở pH cao HAsO 4 2- lại chiếm ƣu thế (H 3 AsO 4 0 và AsO 4 3- chỉ có thể tồn tại trong môi trƣờng axit mạnh và bazơ mạnh). Ở điều kiện khử và pH thấp (<9,2) dạng As(III) không mang điện chiếm đa số H 3 AsO 3 . Hình 1.2: Đồ thị ảnh hưởng của pH/E h đến dạng tồn tại của asen [...]... mẫu Phƣơng pháp này cho phép xác định tổng lƣợng vết As trong mẫu thực tế với độ nhạy và chọn lọc cao vì đã qua quá trình tách và làm giàu Asen bằng cách cất asin [16] 18 1.2.1.4 Phương pháp xác định asen bằng thuốc thử Leuco crystal violet (LCV) Các tác giả Omiagrawal, G.Sunita và V.K.Gupta đã nghiên cứu một phƣơng pháp xác định lƣợng vết asen trong mẫu môi trƣờng và sinh học bằng thuốc thử tím tinh... xác định asen đơn giản, có khả năng khả thi trong các phòng thí nghiệm, chúng tôi chọn phƣơng pháp xác định asen bằng phƣơng pháp trắc quang với thuốc thử Safranin 26 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Mục tiêu, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu 2.1.1 Nguyên tắc của phương pháp trắc quang xác định hàm lượng asen bằng Safranin Safranin T (Tolusafranin; 3,6- diamino- 2,7- dimetyl-10 phenyl phenazin clohidrat... giả có thể xác định đƣợc DMAA trong khoảng nồng độ 5,6- 560 ppb, giới hạn xác định là 0,6 ppb Phƣơng pháp ứng dụng để xác định DMAA trong nƣớc tƣới và thực vật [36] 1.2.2.3 Xác định Asen bằng phương pháp huỳnh quang phân tử với hệ thuốc thử murexit – Cr(VI) Phƣơng pháp dựa trên phản ứng oxi hóa của As(III) với Cr(VI) với xúc tác iot Lƣợng dƣ Cr(VI) sau phản ứng với As(III) sẽ làm tắt huỳnh quang của... 21NH4NO3 17 Trƣớc khi xác định phải chuyển tất cả các dạng của As về As(V) Các chất gây ảnh hƣởng Ge, SiO2, P loại bằng chƣng cất, ion PO43-, SiO33- gây cản trở bị loại bằng chiết clorofom Phƣơng pháp này thƣờng sử dụng xác định asen trong quặng có Ge Giới hạn nồng độ asen cho phép xác định bằng phƣơng pháp này là 0,01 – 0,2 ppm [22,34] 1.2.1.3 Đo quang xác định asen sau khi hấp thụ asin bằng hỗn hợp AgNO3-PVA-C2H5OH... xác định As(III) dựa trên tác dụng xúc tác của nó với phản ứng oxy hóa 19 natri pyrogallol-5sunphonate bằng đicromat, bằng cách đo sự thay đổi độ hấp thụ quang của sản phẩm màu ở λ = 436.8 nm.Phƣơng pháp cho phép xác định lƣợng nhỏ As trong nƣớc nhờ tác dụng của ezym glyceraldegyde- 3phonate dehydrogenaza với nồng độ As từ 0,02-2 μg/ml 1.2.1.6 Xác định lượng vết As(III) bằng phương pháp động học- trắc. .. đƣợc tách bằng chƣng cất dƣới dạng AsCl3 và làm giàu cách chiết với dung môi benzen Phƣơng pháp này ứng dụng để xác định As(III) trong nƣớc sông và nƣớc sinh hoạt 1.2.2.2 Phương pháp dòng chảy - huỳnh quang xác định axit dimethyl arsinic(DMAA) trong thuốc diệt cỏ sử dụng phản ứng quang hóa trực tiếp Nguyên tắc của phƣơng pháp là dùng peroxidisunfat dƣới bức xạ tử ngoại để oxi hóa DMAA tới asenat Asenat... lƣợng asen sẽ tỹ lệ với lƣợng dự fluorescein trong dung dịch AsO3- + I2 + H2O → AsO43- + 2I- + 2H+ AsH3 + 4I2 + 4H2O → AsO43- + 8I- + 11H+ Các tác giả đã nghiên cứu và tìm ra đƣợc những điều kiện tối ƣu cho phép xác định là pH= 6,1 (khoảng pH nghiên cứu 5,7- 7); 0,8 ml I2 20 μl/ml (khoảng nghiên cứu từ 0,5-0,9 ml); 0,8 ml fluorescein 10-4 M (khoảng nghiên cứu từ 0,6- 0,9 ml) 23 Giới hạn xác định của... chọn lọc cao, có nhiều nghiên cứu của nhiều tác giả đƣa ra 1.2.2.1 Xác định As(III) bằng thuốc thử fluorescein Các tác giả [37] đã đƣa ra phƣơng pháp huỳnh quang xác định gián tiếp As(III) dựa trên hệ phản ứng I2- fluorescein Bản thân fluorescein là một chất phát quang mạnh ở bƣớc sóng 516 nm (bƣớc sóng kích thích là 495 nm), I 2 phản ứng với fluorescein tạo ra hợp chất huỳnh quang yếu ở bƣớc sóng này... thuốc thử safranin tạo ra sản phẩm không màu: H3C N H3C CH3 H N CH3 + I2,H H2N N+ NH2 H2N Màu đỏ N NH2 không màu Vì vậy, bằng cách theo dõi sự giảm độ hấp thụ quang của Safranin theo nồng độ As(III) thì có thể định lƣợng đƣợc As(III) trong mẫu theo phƣơng pháp thời gian ấn định hoặc phƣơng pháp tg 2.1.2 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm: - Tối ƣu hóa các điều kiện của phép xác. .. giảm nhẹ 16 1.2 Một số phƣơng pháp xác định Asen 1.2.1 Phương pháp phân tích đo quang phân tử 1.2.1.1 Phương pháp đo quang với bạc dietyl đithiocacbamat Dùng H mới sinh để khử asen vô cơ thành asin và dẫn khí asin vào ống hấp thụ chứa bạc Đietylđithiocacbamat (AgDDC) trong piridin hoặc cloroform Khi đó asin bị hấp thụ tạo dung dịch có màu đỏ tím và tiến hành đo độ hấp thụ quang ở bƣớc sóng  = 535 nm . phát triển ứng dụng phƣơng pháp này với đối tƣợng nghiên cứu là nƣớc ngầm chúng tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu phƣơng pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine . . 1.2.1.4. Phƣơng pháp xác định asen bằng thuốc thử Leuco crystal violet (LCV) 19 1.2.1.5. Phƣơng pháp động học xúc tác 19 1.2.1.6. Xác định lƣợng vết As(III) bằng phƣơng pháp động học- trắc quang dựa. 1.2.2.2. Phƣơng pháp dòng chảy - huỳnh quang xác định axit dimethyl arsinic(DMAA) trong thuốc diệt cỏ sử dụng phản ứng quang hóa trực tiếp 24 1.2.2.3. Xác định Asen bằng phƣơng pháp huỳnh quang phân