Đánh giá độ chính xác của phương pháp Nessler chuẩn

3.1.1. Đánh giá độ chính xác của phương pháp Nessler chuẩn.

• 
  Đối với dải nồng độ từ 0 – 5 (mgN/l) ta tiến hành theo các bước và thu được kết quả như bảng sau:
  

Ta thu được đồ thị đường chuẩn như sau:

• 
  Đối với dải nồng độ từ 5 – 10 (mgN/l) ta tiến hành theo các bước và thu được kết quả như bảng sau:
  

Ta thu được đồ thị đường chuẩn như sau:

Quan sát hai đồ thị khi tiến hành ở hai khoảng nồng độ khác nhau ta thấy rằng: Ở cùng một giá trị nồng độ nhưng khi đo độ hấp thụ quang ở 2 bước sóng 420 nm và 450 nm ta thu được 2 đường chuẩn có sự chênh lệch khá nhiều về hệ số góc. Màu của dung dịch dịch chuyển từ vàng sang nâu đỏ; cho nên được khuyến cáo sử dụng hai vùng bước sóng để đo độ hấp thụ quang để nâng cao độ chính xác (400 - 425 nm cho khoảng nồng độ 0,2 - 5 mg/L và 450 - 500 nm cho khoảng nồng độ 5 - 10 mg/L) (APHA, 18^th ed., 1992).

Điều này được giải thích do có các phản ứng hóa học sau:

• 
  Phản ứng tạo phức màu vàng giữa ion amoni và thuốc thử Nessler
  

Phức tan màu vàng

- Nếu nồng độ amoni quá lớn phức tan màu vàng trên lại phản ứng tiếp với NH₄⁺ tạo chất ít tan màu nâu sẫm.

Chất ít tan màu nâu sẫm

Do vậy nếu sử dụng phương pháp Nessler chuẩn để xác định hàm lượng amoni ta sẽ phải xây dựng 2 đường chuẩn cho hai khoảng nồng độ. Điều này sẽ gây nhiều khó khăn cho người phân tích. Trong khi đó phương pháp phân tích so màu bằng mắt sẽ nhanh, có thể so màu trực tiếp trên thang màu và lại khắc phục được những nhược điểm trên của phương pháp Nessler chuẩn.

B
ằng cách ghi (chụp) lại màu và tiến hành lặp lại thí nghiệm ít nhất 3 lần ta vẽ được thang màu để phân tích amoni theo phương pháp Nessler như trong hình 6. Theo bảng màu, ta thấy rất rõ sự dịch chuyển màu của dung dịch từ vàng chanh nhạt sang vàng rồi sang nâu tùy thuộc vào nồng độ amoni trong dung dịch.

Thời gian hiện màu của mẫu được khảo sát bằng cách sau khi cho tất cả thành phần của thuốc thử vào dung dịch mẫu, bắt đầu tính thời gian và cứ sau một phút lại đo (đọc) độ hấp thụ quang một lần. Kết quả được thể hiện trên bảng 4 và hình 7.

Từ kết quả trên có thể thấy chỉ cần sau 8 phút, màu của dung dịch đã đạt tới gần như cực đại. Và để chắc chắn, dung dịch mẫu được để sau 10 phút để quá trình hình thành màu hoàn thiện và đạt cực đại.

Khi màu của mẫu đã đạt cực đại, dung dịch màu được bảo quản trong ống nghiệm có nắp kín và được theo dõi sau 24 giờ. Kết quả cho thấy sau 24 giờ cường độ màu của dung dịch chỉ giảm khoảng 10% và sau 12 giờ, độ hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 420nm hầu như không thay đổi.

3.1.3. Giới hạn phát hiện và độ tuyến tính

Để xác định giới hạn phát hiện của phép đo, thực nghiệm được tiến hành như sau: dãy dung dịch chuẩn có nồng độ lớn nhất là 0,5 mg/L và nhỏ nhất là 0.0 mg/L được chuẩn bị trong nước cất. Sau khi cho đầy đủ thành phần các thuốc thử vào, dung dịch được để yên 10 phút, sau đó đem đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 420 nm để xác định nồng độ amoni. Kết quả được thể hiện trên hình 8A cho thấy nồng độ amoni có thể phát hiện là 0,1 mg/L.

Để nghiên cứu độ tuyến tính (hay giới hạn nồng độ tối đa) của đường chuẩn, dải nồng độ được khảo sát là từ 8,0 mg/L đến 18,0 mg/L. Kết quả khảo sát thể hiện trên hình 8 B cho thấy nồng độ giới hạn có thể vẫn cho độ chính xác chấp nhận được lên tới 15 mg/L.

Một số nguồn nước sinh hoạt và nước cấp có nồng độ hypoclorit khá cao. Nguyên nhân xuất phát từ quá trình khử trùng nước hoặc tiêu diệt tận gốc các côn trùng có hại đã để lại lượng hypoclorit dư quá lớn. Để khảo sát ảnh hưởng của tác nhân này, các điều kiện cho phân tích amoni được giữ nguyên, chỉ có nồng độ hypoclorit được thêm vào tăng dần từ 0,0 đến 5,0 mg/L. Với nồng độ amoni trong mẫu nghiên cứu là 5,0 mg/L, kết quả được thể hiện trên bảng 5.

Từ kết quả trên bảng 5 có thể thấy nồng độ hypoclorit trong dung dịch có thể tới 3,5 mg/L vẫn không ảnh hưởng đến kết quả của phép đo. Nhưng khi nồng độ hypoclorit tăng lên đến 4,0 mg/L thì xuất hiện hiện tượng mất màu của dung dịch mẫu phân tích. Điều này có thể giải thích bằng phản ứng của ion hypoclorit với anion iodua đã chuyển iodua thành iod nguyên tố nên đã phá vỡ phức chất màu giữa thủy ngân(II) và iodua. Vì thế hợp chất màu không hình thành được nên màu dung dịch không xuất hiện.

Trong các đối tượng là những nguồn nước nghiên cứu, các ion có thể gây ảnh hưởng đến phép phân tích được liệt kê trên bảng 6.

Kết quả trên bảng 6 cho thấy các ion NO₂^-, NO₃^- với nồng độ khá cao vẫn chưa ảnh hưởng đến phép đo. Ion Ca²⁺ tới 400 mg/L mới bắt đầu gây ảnh hưởng do Ca²⁺ thủy phân trong môi trường kiềm mạnh tạo nên hiện tượng gây đục mẫu. Ion Mg²⁺ với nồng độ nhỏ hơn canxi đã gây ảnh hưởng là do tích số tan của Mg(OH)₂ nhỏ hơn Ca(OH)₂. Các ion khác cũng gây ảnh hưởng song chỉ khi chúng ở nồng độ rất cao so với nồng độ tự nhiên của chúng. Trong thực tế, nồng độ của các ion này khá thấp so với mức độ gây ảnh hưởng tới phép đo. Trong những trường hợp mức nồng độ tối đa hay bất thường của các ion trong các nguồn nước nghiên cứu vượt mức độ gây ảnh hưởng đến phép đo thì mẫu mới cần xử lý trước. Do vậy phép đo vẫn cho kết quả tin cậy đáp ứng được yêu cầu phân tích và quan trắc amoni trong khuôn khổ các nguồn nước nghiên cứu.

Dựa trên quy trình phân tích chuẩn trong Standard Methods for Examination of Water and Wastewater xuất bản của APHA và các kết quả nghiên cứu, khảo sát trên, chúng tôi đưa ra quy trình phân tích nhanh amoni bằng phương pháp Nessler như sau:

Lấy một thể tích 10 ml mẫu nước cho vào ống nghiệm dung tích 20 ml. Lần lượt thêm 2 giọt dung dịch Segnet nồng độ 10%, lắc đều. Thêm 4 giọt thuốc thử Nessler, lắc đều, để yên 10 phút sau đó đem đo trên máy trắc quang. Làm lặp lại như thế 5 lần rồi lấy kết quả trung bình. Ở hiện trường có thể so sánh với thang màu chuẩn để có kết quả. Trong trường hợp nồng độ amoni cao quá 10 mg/L, cần thiết phải pha loãng bằng nước không amoni và khi tính kết quả phải nhân với hệ số pha loãng.

3.1.7. Lập đường chuẩn theo điều kiện tối ưu

Đường chuẩn và dãy màu chuẩn được lập theo quy trình đề xuất ở mục 3.1.6. và được thực hiện như sau:

Lấy 10 ml dung dịch của từng mẫu trong dãy mẫu chuẩn, có nồng độ amoni từ 0,0 đến 10,0 mg/L cho vào các ống nghiệm dung tích 20 ml. Lần lượt thêm 2 giọt dung dịch Segnet có nồng độ 10%, lắc đều. Thêm 4 giọt thuốc thử Nessler, lắc đều, để yên 10 phút đem đo độ hấp thụ quang của dãy mẫu ta thu được số liệu của đường chuẩn phân tích amoni trên máy quang phổ. Làm lặp lại như thế ít nhất 3 lần rồi lấy giá trị trung bình, vẽ đồ thị sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang (ABS) vào nồng độ amoni chuẩn ta thu được đường chuẩn phân tích amoni trên máy quang phổ hoặc máy so màu.

A

Như đã trình bày ở phần trên hay theo các tài liệu về phương pháp Phenat chuẩn; mặc dầu sử dụng xúc tác (như quy trình phân tích đầu tiên của phương pháp này) quá trình phản ứng để tạo màu indophenol phải kéo dài khoảng 60 phút. Sự cải tiến sau này khi cho phản ứng tạo monocloramin trước ở pH 10 và phản ứng hiện màu indophenol ở pH 12 thì phản ứng hiện màu hoàn toàn chỉ còn khoảng 3 phút.

Để thực hiện mục tiêu nghiên cứu, chúng tôi thử nghiệm chuyển phương pháp Phenat chuẩn để phân tích nhanh với thuốc thử là thymol – một dẫn xuất của phenol được sử dụng và các thành phần khác với nồng độ phù hợp cho phân tích nhanh.

Quy trình phân tích tổng quát được thực hiện như sau: Lấy 2,5 ml dung dịch NH₄­­­⁺ có nồng độ 5 mg/l vào bình định mức 25 ml; thêm 0,5 ml dung dịch natri nitropruside 2% (NNP); 1 ml dung dịch đệm cacbonat pH = 10 và 0,5 ml dung dịch NaOCl (1% clo hoạt động), lắc đều mỗi lần thêm rồi để yên trong vòng 1 phút. Sau đó, thêm tiếp 1ml dung dịch thymol 3,0 % trong NaOH; định mức đến vạch và lắc đều. Để yên cho dung dịch hiện màu hoàn toàn (khoảng 4 phút) rồi đo trên máy quang phổ ở bước sóng 693 nm.

Thí nghiệm được thực hiện theo quy trình tổng quát trình bày ở phần trên. Nồng độ amoni cho thí nghiệm là 0,5 mg/L. Sau khi cho thuốc thử cuối cùng là thymol vào bình nón, lắc đều, bắt đầu tính thời gian và đo độ hấp thụ quang của dung dịch bằng cách đọc liên tục giá trị độ hấp thụ quang sau mỗi 30 giây so với mẫu trắng cho tới khi giá trị này không tăng nữa. Dung dịch còn lại được lưu trữ trong bình nón với nắp kín khí và độ hấp thụ quang được đo sau mỗi 8 giờ. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên bảng 7 và hình 10.

Từ kết quả trên bảng 7 và hình 10 cho thấy thời gian để phản ứng tạo màu indothymol khá nhanh. Trong vòng 2,5 phút đầu, cường độ màu tăng gần như tuyến tính với độ dốc lớn; song sau đó đạt cực đại ngay sau 3 phút. Từ 3 phút trở đi màu của dung dịch hầu như không thay đổi và có cường độ màu rất cao; hệ số tắt phân tử lên tới trên 15.000.

Dung dịch còn lại để trong bình có nút kín khí cho thấy sau 72 giờ cường độ màu của dung dịch vẫn được giữ gần như không thay đổi. Điều này chứng tỏ rằng màu indothymol rất bền trong điều kiện các thành phần của dung dịch chưa thay đổi, thỏa mãn những yêu cầu khắt khe nhất về độ bền màu của dung dịch phân tích.

3.2.2. Ảnh hưởng của pH và các dung dịch đệm

Như đã trình bày trên phần thực nghiệm, để bảo đảm cho phản ứng 1 tạo monocloramin, pH dung dịch cần thiết phải ở xung quanh 10, chúng tôi đã sử dụng đệm bicacbonat. Để lượng đệm đưa vào phù hợp với pH yêu cầu, chúng tôi đã làm thí nghiệm với các thể tích đệm khác nhau, đồng thời đo pH của dung dich song song với việc đo độ hấp thụ quang. Nồng độ amoni trong thí nghiệm này được giữ nguyên ở 0,5 mg/L. Quá trình tiến hành thực hiện theo quy trình tổng quát. Kết quả thu được thể hiện trên hình 11.

Từ kết quả trên cho thấy 1 ml dung dịch đệm cho vào cùng với 1 ml dung dịch oxi hóa, pH của dung dịch đã có thể xuống xấp xỉ 10. Đồng thời tại pH này độ hấp thụ quang cũng đã cho giá trị cực đại. Nếu thêm tiếp dung dịch đệm vào, pH hầu như sẽ không đổi và độ hấp thụ quang cũng vậy. Do đó lượng đệm cần thiết cho vào phản ứng được xác định là 1.0 ml.

Nghiên cứu ảnh hưởng của ion hypoclorit, chúng tôi thực hiện thí nghiệm như trên mục 3.2.2. với thể tích dung dịch đệm thêm vào là 1,0 ml; dung dịch hypoclorit thay đổi tăng dần theo bảng 8. từ 0,0; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 và 6,0 ml. Kết quả thu được thể hiện trên bảng 8 và hình 12.

Từ kết quả trên hình 12 có thể thấy rằng nồng độ hypoclorit ảnh hưởng mạnh đến phép đo. Nhưng nồng độ phù hợp nằm trong một khoảng khá rộng từ 1 đến 4 ml dung dịch ClO^- 0,05%, ở đó độ hấp thụ quang tiến gần đến giá trị cực đại và hầu như không thay đổi; nhưng tốt nhất là trong khoảng từ 2,0 đến 3,0 ml.

Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xúc tác natri nitropruxit được tiến hành như quy trình tổng quát và các điều kiện tối ưu từ mục 3.2.1 đến 3.2.3. Nồng độ amoni là 0,5 mg/L, nitropruxit được đưa vào tăng dần từ 0,0 đến 1,0 ml. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên bảng 9.

Ảnh hưởng của nồng độ thuốc thử thymol được nghiên cứu trong những điều kiện tối ưu đã được xác định ở trên đối với các thành phần khác của mẫu. Hàm lượng thuốc thử thymol 3% pha trong kiềm NaOH được cho vào phản ứng tăng dần từ 0,5 đến 5,0 ml. Tiến hành theo quy trình tổng quát các kết quả thu được thể hiện trên bảng 10.