Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường

BỘ CƠNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ & QUẢN LÝ MƠI TRƯỜNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG ThS. ĐINH HẢI HÀ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2009 (Cập nhật lần 3) Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -2- LỜI NÓI ĐẦU Kinh tế càng phát triển kéo theo ô nhiễm môi trường ngày càng nhiều. Nếu như chúng ta không có những chính sách phát triển bền vững – phát triển kinh tế đi đôi với bảo vệ môi trường thì thế hệ tương lai của chúng ta sẽ phải gánh chịu những hậu quả nặng nề như thiên tai, lũ lụt do thay đổi khí hậu toàn cầu, các căn bệnh ung thư ngày càng nhiều do các chất thải độc hại được thải ra môi trường một cách tùy tiện, sự suy giảm tầng ozon... Hiện nay có rất nhiều nhà máy, khu công nghiệp hàng ngày thải ra môi trường hàng trăm khối nước thải gây ô nhiễm môi trường. Nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm do các hoạt động này gây nên từ đó đưa ra hướng xử lý thích hợp, sách Phương Pháp Phân Tích Các Chỉ Tiêu Môi Trường cung cấp các kiến thức cho người kỹ sư môi trường khả năng đánh giá chất lượng nguồn nước và đất tại khu vực đó. Ngoài ra sách Phương Pháp Phân Tích Các Chỉ Tiêu Môi Trường còn có thể sử dụng cho môn học Thực Hành Hóa Kỹ Thuật Môi Trường và Thực Hành Môi Trường Đất dùng cho sinh viên thuộc các chuyên ngành như Công nghệ Môi trường, Quản lý Môi trường, Khoa học Môi trường trong các trường Cao đẳng và Đại học trong cả nước cũng như cho các cán bộ thuộc các trung tâm nghiên cứu, phân tích chất lượng nước và đất, các phòng thí nghiệm của các khu công nghiệp… Rất mong nhận được ý kiến đóng góp để lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ haihak6@yahoo.com Sách này cĩ thể tải tại www.ebook.edu.vn Xin chân thành cảm ơn. Tác giả Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -3- MỤC LỤC Chương 1: Mở đầu......................................................................................................... 5 Bài 1: Lấy mẫu và bảo quản mẫu ................................................................................ 5 Bài 2: Dung dịch chuẩn............................................................................................... 16 Chương 2: Phân tích các thông số vật lý .................................................................... 22 Bài 3: pH, EC, độ mặn ................................................................................................ 22 Bài 4: Chất rắn ............................................................................................................ 23 Bài 5: Độ đục............................................................................................................... 25 Bài 6: Độ màu ............................................................................................................. 26 Chương 3: Phân tích các thông số thể tích ................................................................. 28 Bài 7: Chloride ............................................................................................................ 28 Bài 8: Độ acid.............................................................................................................. 30 Bài 9: Độ kiềm ............................................................................................................ 32 Bài 10: Độ cứng tổng cộng ......................................................................................... 34 Bài 11: Độ cứng calci.................................................................................................. 38 Bài 12: Nitrogen – organic.......................................................................................... 39 Chương 4: Phân tích các thông số trắc quang ............................................................ 42 Bài 13: Sắt ................................................................................................................... 42 Bài 14: Nitrogen – nitrite (N-NO2-) ............................................................................ 45 Bài 15: Nitrogen-nitrate (NO3-) .................................................................................. 48 Bài 16: Nitrogen – ammonia (NH3) ............................................................................ 50 Bài 17: Phosphate........................................................................................................ 54 Bài 18: Sunfat .............................................................................................................. 57 Bài 19: Mangan ........................................................................................................... 59 Bài 20: Chlorine –Cl2 .................................................................................................. 61 Chương 5: Phân tích các thông số sinh hoá................................................................ 62 Bài 21: Oxi hòa tan (DO)........................................................................................... 62 Bài 22: Nhu cầu oxy sinh học (biological oxygen demand – BOD) ......................... 65 Bài 23: Nhu cầu oxi hóa học (chemical oxygen demand – COD) ............................ 68 Chương 6: Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường đất ................................ 71 Bài 24: Chuẩn bị mẫu đất ........................................................................................... 71 Bài 25: Xác định tỉ trọng, dung trọng và độ xốp đất ................................................. 72 Bài 26: Phân tích hạt kết đất ...................................................................................... 74 Bài 27: Độ chua của đất .............................................................................................. 78 Bài 28: Phân tích tổng số muối tan, clo...................................................................... 81 Bài 29: Phân tích mùn trong đất ................................................................................. 82 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -4- Bài 30: Phân tích N tổng số trong đất ........................................................................ 86 Bài 31: Phân tích Si, R2O3 trong đất ........................................................................... 89 Bài 32: Phân tích Al3+ trao đổi trong đất .................................................................... 95 Bài 33: Xác định các dạng tồn tại của sắt trong đất.................................................. 97 Bài 34: Xác định pH đất.............................................................................................. 99 Bài 35: Phân tích CaO, MgO trong đất .................................................................... 102 Chương 7: Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường khí .............................. 106 Bài 36: Xác định acid HCl - phương pháp hấp thụ bằng nước cất ......................... 106 Bài 37: Xác định CO2 - phương pháp hấp thụ CO2 bằng Ba(OH)2.......................... 107 Bài 38: Xác định sunfur dioxit (SO2)........................................................................ 109 Bài 39: Xác định Dioxyt nitơ (NO2) ......................................................................... 111 Bài 40: Xác định Ammoniac..................................................................................... 114 Bài 41: Xác định Hydrosunfua ................................................................................. 116 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -5- CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU BÀI 1: LẤY MẪU VÀ BẢO QUẢN MẪU 1.1 Giới thiệu chung Ứng với nhu cầu của xã hội ngày càng đòi hỏi chất lượng phân tích càng cao và yêu cầu của khách hàng cũng ngày càng đa dạng, kiểm soát và bảo đảm chất lượng của phép phân tích QAQC (Quanlity Assurance and Quanlity Control) là nhằm mục đích tăng độ tin cậy của khách hàng đối với kết quả của phép phân tích. Chính vì vậy mà yêu cầu về chất lượng của phép phân tích đặt ra hàng đầu. Mục đích của phép phân tích là tìm ra một cách định tính và định lượng thành phần của các chất có trong môi trường. Trong phân tích môi trường có một số mục tiêu cụ thể:  Để chuẩn bị một ngân hàng dữ liệu nhằm xác định xu hướng sự biến đổi một hợp chất nào đĩ trong mơi trường  Xác định chính xác thành phần và nồng độ của một mẫu mơi trường nào đĩ nhằm đưa ra giải pháp cơng nghệ và xử lý nĩ Với đà phát triển này thì hàng loạt các máy mĩc, thiết bị phân tích kỹ thuật cao ra đời gĩp phần tăng độ chính xác của một phép phân tích. Tuy nhiên sai số của một phép phân tích cĩ thể đến từ nhiều nguồn: lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu, chọn lựa phương pháp phân tích, bản thân người phân tích, khơng hiệu chỉnh thiết bị hợp lý, xử lý và báo cáo số liệu khơng chính xác. 1.2 Lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu Chất lượng của một phép phân tích phụ thuộc rất nhiều vào quy trình lấy mẫu. Theo thống kê có tới 66% sai số của kết quả phân tích đến từ việc lấy mẫu sai. Độ tin cậy của một kết quả phân tích phụ thuộc vào chiến lược lấy mẫu, kế hoạch lấy mẫu và sơ đồ lấy mẫu. Trong phân tích môi trường người ta phân biệt làm 4 loại mẫu, ứng với mỗi loại sẽ có sơ đồ lấy mẫu tương ứng  Loại 1: mẫu đại diện (Representative) là loại mẫu mang nhiều tính chất. Để bảo đảm được tính đại diện của mẫu môi trường người ta phải xem xét trạng thái tồn tại của mẫu ngoài môi trường đó Ví dụ: mẫu đồng thể (nước sông, hồ…) Mẫu dị thể (chất thải rắn) Mẫu tĩnh (nước trong ao, hồ) Mẫu động (nước sông, biển)  Loại 2: mẫu chọn lựa (Selective) hoàn toàn phục thuộc vào kế hoạch lấy mẫu. Chúng ta chọn lựa mẫu sao cho thỏa mãn một tính chất thích hợp nào đó mà chúng ta dự định và bỏ qua các chi tiết khác  Loại 3: mẫu bất kỳ (Random) khi tính đại diện không đảm bảo, lấy bất kỳ nhưng phải xem xét cho thỏa mãn một số tiêu chí, nhu cầu đề ra.  Loại 4: mẫu hỗn hợp (Composite) hay còn gọi là mẫu trộn (mixed) Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -6- 1.2.1 Thời gian lưu mẫu Là khoảng thời gian cực đại từ thời điểm lấy mẫu đến lúc đo mẫu mà mẫu khơng cĩ sự biến đổi đáng kể nào, về mặt nguyên tắc nên đo mẫu càng nhanh càng tốt sau khi lấy mẫu. Trong quá trình vận chuyển và lưu mẫu mọi thao tác đều phải được ghi nhận. 1.2.2 Một số tính chất của mẫu phân tích Khi xây dựng chiến lược lấy mẫu phải xem xét đến các yếu tố như: độ bay hơi, tính nhạy với ánh sáng mặt trời, tính bền vững về nhiệt, tính phản ứng hóa học… Mọi nguyên nhân về sự nhiễm bẩn của mẫu phải được xem xét cẩn thận: sự hòa tan của một số chất, của vật chứa mẫu vào mẫu, thành phần môi trường bên ngoài (bụi, hóa chất khác), đặc biệt chất dễ bay hơi Một vài nguyên nhân gây biến đổi mẫu: - Vi khuẩn, tảo và cácvi sinh vật khác có thể tiêu thụ một số thành phần có trong mẫu, chúng cũng có thể làm biến đổi bản chất của các thành phần và tạo ra các thành phần mới. Hoạt động sinh học này gây ảnh hưởng đến, thí dụ hàm lượng oxi hòa tan, cacbondioxit, các hợp chất nitơ, photpho và đôi khi có cả silic. - Một số hợp chất có thể bị oxy hoá bởi oxy hoà tan trong mẫu hoặc oxy không khí (thí dụ như các hợp chất hữu cơ, sắt II, sunfua). - Một số chất kết tủa ví dụ như CaCO3, Al(OH)3, Mg(PO4)2, hoặc bay hơi ví dụ như oxy, thuỷ ngân, xianua - pH, độ dẫn điện, hàm lượng cácbonđioxit có thể bị thay đổi do hấp thụ cacbonđioxit từ không khí. - Các kim loại hoà tan hoặc ở dạng keo cũng như một số hợp chất hữu cơ có thể bị hấp phụ không thuận nghịch lên bình chứa hoặc lên các hạt rắn có trong mẫu - Các sản phẩm polyme hoá có bị depolyme hoá, ngược lại, các hợp chất đơn giản có thể bị polyme hoá. 1.2.3 Điều kiện lưu trữ mẫu, mục đích phân tích Mỗi một mẫu cần phải có chế độ bảo quản thích hợp, mục đích là tạo ra môi trường lưu trữ tốt làm hạn chế tối thiểu phản ứng hóa học, sinh học đối với mẫu. Hầu hết các phản ứng enzyme xảy ra ở nhiệt độ 20-30oC (nhiệt độ phòng) nên lưu trữ mẫu trong điều kiện lạnh và trong không gian tối. Đôi khi để lưu mẫu phải thêm vào những chất trợ như chất chống oxy hóa, chống keo tụ. 1.2.4 Tiền xử lý mẫu Mục đích của phép phân tích là mẫu ta đo phải phù hợp với tính đại diện của mẫu môi trường. Trước khi đo thường có một số công đoạn phải thao tác với mẫu để phù hợp với thiết bị đo và phương pháp đo như: lắc, pha loãng, cô đặc, nghiền, cắt, lọc, trộn… 1.2.5 Lựa chọn phương pháp phân tích Khi cân nhắc lựa chọn phương pháp phân tích thường dựa vào một số gợi ý sau đây: Những phương pháp phân tích mà ta tự xây dựng nên Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -7- Những phương pháp được công bố trong những tạp chí khoa học chuyên ngành Những phương pháp do các tổ chức thương mại cung cấp Những phương pháp được cung cấp trong sách chuyên ngành Những phương pháp do các tổ chức tiêu chuẩn hóa công bố (ISO, TCVN…) 1.2.6 Các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn phương pháp phân tích  Giới hạn phát hiện (LOD – Limit of detection): là lượng nhỏ nhất của một chất cần phân tích trong mẫu môi trường mà phương pháp, thiết bị nào đó có thể phát hiện được  Độ nhạy của phương pháp phân tích (Sensitivity): biểu thị sự thay đổi kí hiệu của phương pháp hay của máy khi có sự thay đổi về nồng độ của chất cần phân tích trong mẫu. Độ nhạy của phương pháp phân tích chính là độ dốc của đường chuẩn Hình 1. 1 Phương trình đường chuẩn  Độ chính xác của phương pháp phân tích (Accuracy): là độ lệch giữa giá trị đo được với giá trị được xác định thông qua đường chuẩn. Biểu thị sai số của từng phép đo trong từng phương pháp hay thiết bị sử dụng.  Độ đúng (Precision): là độ lệch giữa giá trị đo được với giá trị thực của mẫu  Độ lặp lại (Reproducibility): là giá trị tuyệt đối của độ lệch chuẩn của một phép đo trong cùng điều kiện đo. Lập lại thí nghiệm nhiều lần để tin tưởng hơn. 1.2.7 Các yếu tố môi trường phòng thí nghiệm cần cân nhắc - Ánh sáng mặt trời, nhiệt độ, bụi, độ rung động, các trường điện từ… -Phương cách thiết kế phòng thí nghiệm: độ thong thoáng, độ ẩm… -Phương cách định vị thiết bị đo: việc bố trí các thiết bị, hóa chất… -Phương cách lựa chọn các dụng cụ:  Đối với thiết bị phải được kiểm tra xem vận hành có tốt không, phải hiệu chỉnh thiết bị thường xuyên, bảo trì, kiểm tra tính sạch  Đối với hóa chất phải kiểm tra chất lượng hóa chất đó, điều kiện bảo quản hóa chất  Đối với các vật dụng khác: kiểm tra độ sạch các vật dụng trước khi đo á y=ax+b a=tgá Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -8- 1.2.8 Phương thức bảo quản mẫu Phương thức bảo quản mẫu nước theo chỉ tiêu phân tích được trình bày trong bảng sau: Bảng 1.1 Phương thức bảo quản mẫu nước Chỉ tiêu phân tích Phương thức bảo quản Thời gian tồn trữ tối đa Độ cứng (hardness) Không cần thiết Calci (Ca2+) Không cần thiết Cloride (Cl-) Không cần thiết Floride (F-) Không cần thiết Độ dẫn điện 4oC 28 giờ Độ acid, độ kiềm 4oC 24 giờ Mùi 4oC 6 giờ Màu 4oC 48 giờ Sulphate 4oC; pH<8 28 ngày H2S Thêm 2mg/l zinc acetate 7 ngày DO (0,7mlH2SO4+1mlNaN3)/300ml ;10-20oC 8 giờ COD 2ml/l H2SO4 7 ngày Dầu và mỡ 2ml/l H2SO4, 4oC 28 ngày Carbon hữu cơ 2ml/l HCl, pH<2 7 ngày Cyanide NaOH, pH>12, 4oC, trong tối 24 giờ Phenol H2SO4, pH<2, 4oC 24 giờ N-NH3 H2SO4, pH<2, 4oC 7 ngày N-NO2; N-NO3 H2SO4, pH<2, 4oC Phân tích ngay Phosphate 4oC 48 giờ Fe, Mn HNO3, pH<2, 4oC 6 tháng Cách bảo quản và thời gian lưu trữ trên chỉ có tính hướng dẫn, việc phân tích thực hiện càng sớm càng tốt. 1.3 Đo mẫu 1.3.1 Các nguyên nhân dẫn đến kết quả sai khi đo mẫu -Năng lực của người phân tích, phương pháp chuẩn độ, tiến hành thí nghiệm không theo trình tự, sự nhiễm bẩn trong lúc đo, các nhiễu: là sự hiện diện của các thành phần khác trong mẫu môi trường mà có thể gây ra ảnh hưởng đến mục đích đo của chất cần phân tích, về mặt nguyên tắc thì nhiễu cần được loại bỏ ở công đoạn tiền xử lý mẫu. -Sai số do các phản ứng oxy hóa -Sai số thiết bị: thiết bị hoạt động không đúng như mong đợi, không hiệu chỉnh, mẫu đo không phù hợp với thiết bị đó -Sai số do lấy mẫu Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -9- -Sự mất mát và phân hủy trong lúc đo: bị phân hủy do phản ứng oxy hóa, nhiệt độ, bay hơi, bị hấp thụ trên bề mặt của các vật dụng phân tích. 1.3.2 Kiểm tra tính thích hợp của phương pháp phân tích Lập lại thí nghiệm nhằm mục đích giúp cho người phân tích tin tưởng phương pháp đang thực hiện là đúng, điều này có nghĩa là người phân tích đang tiến hành đúng trình tự phân tích. Thí nghiệm thu hồi (Recovery test): khi bản chất của chất cần phân tích trong môi trường ta đã xác định rõ ta sẽ làm thí nghiệm thu hồi bằng cách thêm vào mẫu đó một lượng xác định đúng chất cần thiết đó, ta sẽ đo mẫu trước và sau khi them, sự khác biệt giữa hai lần đo sẽ cho ta thông tin về sự hiện diện của mẫu khi so sánh với đường chuẩn. Đo mẫu không (blank): là mẫu không chứa chất cần phân tích Dùng những phương pháp khác nhau để đo Thay đổi đầu dò  Yêu cầu về năng lực: một số yêu cầu chung với người phân tích là tính cẩn thận, ngăn nắp, gọn gang, kỷ luật cao Trước khi phân tích: phải hiểu rõ mục đích của phương pháp đo, lịch sử của mẫu, định ra kế hoạch cho phép đo Trong lúc phân tích: quan sát cẩn thận, ghi nhận các hiện tượng xảy ra trong quá trình đo, các sự cố bất thường xảy ra. Kiểm tra lại các điều kiện phòng thí nghiệm, lau chùi thiết bị, ghi nhận số liệu trong quá trình đo. Sau khi phân tích: quản lý dữ liệu đo được một cách phù hợp, chỉ ra ngay những sai số, mẫu nên được lưu giữ một thời gian cho đến khi kết quả được tin tưởng, sắp xếp lại khu vực thí nghiệm để sẵn sàng cho phép đo tiếp theo. 1.4 Các phương pháp ứng dụng trong phân tích môi trường 1.4.1 Phương pháp phân tích bằng quang hóa  Bức xạ điện từ Là một dạng năng lượng được truyền đi trong không gian với vận tốc lớn. Hai lý thuyết nói lên đặc tính của bức xạ điện từ: -Bước sóng: bức xạ điện từ là một dạng dao động sóng hình sin được đặc trưng bởi một số đại lượng ví dụ: nhịp độ, bước sóng, tần số sóng, chu kì, biê