Chế tạo thiết bị đánh giá nhanh chất lượng môi trường nước biển ven bờ

37 Tạp chí Khoa học và Công nghệ biển T10 (2010). Số 1. Tr 37 - 49 CHẾ TẠO THIẾT BỊ ðÁNH GIÁ NHANH CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN VEN BỜ NGUYỄN THÀNH ðỨC, NGUYỄN MINH TRÚC, LÊ THÀNH DŨNG, VŨ TRỌNG HÙNG Trường ðại học Khoa học Tự nhiên, Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Ô nhiễm môi trường ñã và ñang là một thực trạng báo ñộng ở Việt Nam. Một trong những nguyên nhân là sự hạn chế về trang bị kỹ thuật giúp ñánh giá nhanh hiện trạng môi trường. Kết quả ñánh giá môi trường tại chỗ sẽ giúp các nhà quản lý cũng như người dân có những ñịnh hướng và giải pháp phù hợp. Dựa trên mục tiêu này, nhóm nghiên cứu chúng tôi ñã phát triển thiết bị ño quang phổ hấp thu cầm tay và bộ hóa chất ñể xác ñịnh nhanh 3 chỉ tiêu dinh dưỡng trong môi trường nước biển gồm nitrit (NO2-), amoni (NH4+) và photphat (PO43-). Thử nghiệm cho thấy, máy quang phổ hấp thu cầm tay và bộ thuốc thử ñạt giới hạn phát hiện là 0,38 ppb NO2-, 5,8 ppb NH4+ và 34 ppb PO43-. Bước ñầu của việc phát triển, nhóm nghiên cứu ñã thành công trong việc chế tạo thiết bị cầm tay và bộ hóa chất làm việc tốt trong ñiều kiện của Việt Nam, thuận tiện cho việc ño ñạt ngoài môi trường, chất lượng ñảm bảo khi so sánh với bộ kit nhập khẩu, dễ dàng chế tạo, giá thành thấp, phù hợp với thị trường của Việt Nam nên có thể cung cấp rộng rãi cho cộng ñồng. I. MỞ ðẦU Khoa học kỹ thuật của Thế giới ñã phát triển mạnh mẽ lĩnh vực công nghệ chế tạo các thiết bị ñánh giá chất lượng môi trường tự nhiên [1, 5]. Nhu cầu quản lý môi trường ñòi hỏi phải nghiên cứu, thiết kế chế tạo các thiết bị xác ñịnh nhanh, chuẩn mực chất lượng môi trường nhằm ñảm bảo sức khỏe cho người dân và hiệu quả trong phát triển kinh tế, ñặc biệt là trong lĩnh vực nghề cá, nuôi trồng thủy hải sản, du lịch, nghỉ dưỡng ven biển [1]. Tuy nhiên, thực tế áp dụng các chuẩn mực quản lý trong ño ñạc, phân tích, ñánh giá ñịnh lượng chất lượng môi trường biển ở Việt Nam gặp rất nhiều khó khăn do hạn chế về kiến thức, kỹ thuật cũng như trang thiết bị cho cộng ñồng. Căn cứ vào nhu cầu bức xúc của thực tế phát triển các ngành kinh tế, xã hội ven biển, cũng như khả năng và ñiều kiện thực tiễn của Việt Nam, chúng tôi mạnh dạn ñặt ra nhiệm vụ nghiên cứu, chế tạo một thiết bị ñơn giản, rẻ tiền nhưng vẫn ñáp ứng ñược các tiêu chuẩn kỹ thuật, ñộ chuẩn xác hóa học ñể xác ñịnh một số chỉ tiêu quan trọng trong môi trường nước biển. Trước mắt,với sự khuyến khích và tài trợ tài chính của ñề tài cấp Nhà nước KC 09-07, tập thể tác giả ñã tiến hành nghiên cứu chế tạo bộ “kít “ xác ñịnh nhanh, chính xác 3 anion NO2-, NH4+, PO43- 38 trong nước biển. Hiện nay, các công ty hóa chất và thiết bị lớn trên Thế giới cũng ñã chế tạo nhiều loại bộ “kit” nhằm ñánh giá bán ñịnh lượng các chất khác nhau phục vụ trong các ngành vệ sinh, y tế công cộng, môi trường Các bộ “kit” này ñang ñược bán rộng rãi tại Việt Nam với giá thành cao do phải phụ thuộc vào nguồn hóa chất phụ trợ nhập khẩu. Mục ñích của nhóm tác giả là mong muốn và chứng minh khả năng chế tạo ñạt tiêu chuẩn và ñộ chính xác cho phép qua việc phân tích ñối chiếu và so sánh với các thiết bị tương tự nhập khẩu các bộ “kit” tương tự ñi kèm thiết bị ño ñộ hấp thụ quang nhỏ gọn, tiện dụng cho nhiều mục tiêu của thực tế và thuận tiện cho việc ño ñạc ngoài thực ñịa, giá thành thấp, phù hợp với thị trường của Việt Nam nên có thể cung cấp rộng rãi cho cộng ñồng. Bài báo này công bố các kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị ño nhanh 3 anion NO2-, NH4+, PO43- trong nước biển và các kết quả ứng dụng ño ñạc thực tế tại vùng biển Vũng Tàu, Phan Thiết với kết quả so sánh ñối chứng trên các thiết bị nhập khẩu của hãng như SHIMADZU 10-UV; SECONMAN S570. 1. Các nguyên lý khoa học cơ bản Các nguyên lý khoa học cơ bản của việc thiết kế thiết bị ño nhanh 3 anion NO2-, NH4+, PO43- ñã ñược giới thiệu kỹ trong công trình [3]. Nguyên nhân chính sản sinh ra NO2- trong tự nhiên bắt nguồn từ ñộng thực vật. Protein của ñộng thực vật bị phân hủy bởi nhiều loại vi sinh vật và ñược chuyển hóa thành các acid amin tự do, sau ñó là sự khử các amin ñể giải phóng NH4+ và NH3. CO(NH2)2 H2O NH4+ NH3 HCO3-+ Urease + +2 Trong môi trường tồn tại loại vi khuẩn nitrosomonas, có khả năng dự trữ năng lượng bằng cách oxit hóa NH4+ thành NO2- : +NH4 + O2 NO2 - H2O H +Nitrosomonas + + 21.5 Mặt khác vi khuẩn nitrosomonas có thể oxit hóa NH2OH thành NH3 và NO2-. Nhiều hợp chất chứa nitơ hòa tan trong nước ñã dẫn tới sự tăng nồng ñộ các hợp chất nitơ trong nước bề mặt. Trước hết là urê, sản phẩm của quá trình urê hóa trong tự nhiên và phân bón, sau ñó là amoniac và muối amoni từ phân bón, từ quá trình thối rữa từ chu trình dinh dưỡng sinh học cũng như từ nước thải sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp. Nitrit là kết quả của quá trình thoái hóa các hợp chất hữu cơ có chứa gốc N trong chu trình nitrogen. Trong môi trường kị khí với sự có mặt của chất cho hydro hữu cơ xảy ra sự khử dị hóa nitrat sang nitrit. Trong ña số trường hợp, nhiều vi sinh vật khử nitrat thành nitrit hơn là khử trực tiếp nitrit thành nitơ tự do. 39 Nitrit trong nước phần lớn do sự chuyển hóa các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật. Hiện nay một lượng vô cùng lớn phân bón nitơ ñược con người sử dụng ñể phát triển nông nghiệp. Chính lượng phân bón này ñã bổ sung nhiều hợp chất chứa N dưới dạng NO3- tiêu thụ nhanh trong ñất. ðây cũng là nguồn sinh ra bởi các quá trình sinh học. Các phân bón này có ñộ tan rất lớn trong nước do ñó dễ dàng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và nước bề mặt. Hàm lượng nitrit trong các dòng sông ngày càng tăng chứng tỏ việc tổn thất nitơ từ phân bón trên ñồng ruộng ngày càng lớn. Theo ước tính hàng năm có khoảng 30.000 tấn nitơ ñược vận chuyển ra biển dưới dạng nitrat và nitrit. Trong nuớc sông hàm lượng nitrit rất thấp, chỉ khoảng 0.01 ppm, chỉ khi nước sông bị ô nhiễm mới có thể tăng lên 0.05 ppm. Nếu như nước chứa chủ yếu Nitơ ở dạng NO2- thì nước ñó ñã bị ô nhiểm trong một thời gian dài. Amoniac xuất hiện trong các khu ñầm lầy có chứa nhiều chất mùn mục, vì chất mùn có thể làm cho gốc NO3- bị khử thành NH4+. Ngoài ra, ion NH4+ còn là thành phần chính của các sản phẩm công nghiệp như ñạm, thuộc da, Sự tồn tại của NH3 là yếu tố ñể ñánh giá mức ñộ nhiễm bẩn của nước bề mặt, nước biển, nước ngầm, ở các vùng lân cận thành phố và các khu công nghiệp. Ion NH4+ tương ñối không ổn ñịnh, dưới tác dụng của các yếu tố hóa học, vật lý và sinh học nó chuyển hóa thành các hợp chất khác của N. Amoni tồn tại trong nước ở hai dạng NH3 và NH4+, tỷ lệ NH3/NH4+ tùy thuộc vào pH của nước (khi nói amoni là chỉ chung cả hai dạng trên). Phospho tồn tại trong nước chủ yếu dưới dạng phosphat, là kết quả của các quá trình phong hóa, bào mòn ñất ñá, hoặc do chính tác ñộng của con người. Phosphat lại có thể phân loại thành ba dạng: Phospho hữu cơ: Là các dẫn xuất hữu cơ của acid phosphoric như DNA, RNA (các vật chất di truyền), ATP (dự trữ và cung cấp năng lượng cho hoạt ñộng của tế bào), hay các phospholipid. Trong môi trường nước tự nhiên, phospho hữu cơ thường nằm trong pha lơ lửng, trong xác các phiêu sinh vật, xác ñộng thực vật chưa phân hủy. Tuy nhiên, chúng sẽ dần dần bị các vi sinh vật phân hủy chuyển về dạng vô cơ. Polyphosphat: Là dạng tụ hợp của orthophosphat thường không bền và dễ chuyển hóa thành các phosphat ñơn. Polyphosphat tạo ñược phức với nhiều kim loại, có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chống ăn mòn và xử lý nước. 40 Orthophosphat: Là dạng bền nhất của phospho trong tự nhiên, ñược tạo thành từ quá trình phong hóa bào mòn ñất ñá. Phospho trong ñất ñá dần dần ñược phóng thích dưới dạng ion phosphat vào môi trường nước. Orthophosphat trong ñất thường bị các hạt keo giữ chặt, nhờ quá trình trao ñổi ion xảy ra trên bề mặt rễ, orthophosphat ñược cây hấp thụ làm thức ăn. Một số loại tảo sử dụng orthophosphat làm thức ăn, do vậy hàm lượng phosphat trong nước bề mặt thường không cao. Tuy nhiên do các hoạt ñộng trực tiếp hoặc gián tiếp từ con người, hàm lượng orthophosphat có thể cao bất thường. Nước thải sinh hoạt thường chứa lượng lớn các chất tẩy rửa có nguồn gốc từ polyphosphat, chất này bị thủy phân thành các orthophosphat. Các hoạt ñộng sản xuất nông nghiệp của con người cũng thải vào môi trường các loại phosphat qua phân bón, các chất này bị nước mưa rửa trôi vào sông hồ và ra biển. 2. Thiết bị và phương pháp 2.1. Chế tạo thiết bị xác ñịnh Phosphat và Nitơ, phiên bản PN01 Về cơ bản, máy quang phổ hấp thu, phiên bản PN01 có cấu tạo cũng như hoạt ñộng tương tự như các máy quang phổ hấp thu phân tử khác. Tuy nhiên, với mục tiêu ñề ra là chế tạo ñược máy quang phổ hấp thu phân tử nhỏ gọn, tiện lợi khi di chuyển và hoạt ñộng ổn ñịnh, nên máy PN01 có thiết kế, cấu tạo theo nguyên tắc của máy quang phổ 2 kênh. Máy PN01 ño cùng lúc ánh sáng từ nguồn qua kênh tham khảo (reference) và kênh mẫu (sample), (hình 1). Theo nguyên tắc này thì máy PN01 sẽ có tính ổn ñịnh cao. 10kCuvet Holder Detector D2 PHOTODIODE Display Hi +5V GND 10k D1 PHOTODIODE LED LED Sample Power Supply Max Power 3W In+ In- +5V GND +12V -12V - + TL071 3 2 6 123.4 - + TL071 3 2 6 Reference Log-Amplifier Reference Sample + 12 V - 12 V GN D Log(Reference/Sample) Battery 4,8V 2100mAh Light Source Hình 1: Sơ ñồ mạch nguyên tắc hoạt ñộng của máy PN01 41 Máy quang phổ hấp thu phân tử PN01 là loại máy quang phổ 2 kênh. Gồm 6 phần chính (hình 1): 1. Nguồn ñiện (Power supply): Cung cấp ñiện áp ổn ñịnh ñể nuôi hệ thống. 2. Nguồn sáng PN01 (Light source): Cung cấp bức xạ ñơn sắc. 3. Hộc cuvet (Cuvet holder): chuyên dùng cho cuvet 1 cm. 4. ðầu ño (detector): Chuyển ñổi tín hiệu quang thành tín hiệu ñiện. 5. Mạch xử lý tín hiệu (log-amplifier): Khuếch ñại tín hiệu sơ cấp, và chuyển ñổi thành tín hiệu ñộ hấp thu. 6. Bộ hiện số (display): hiển thị giá trị ñộ hấp thu. Do yêu cầu phải nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển, nên nguồn phát xạ ánh sáng của máy PN01 không dùng ñèn phát phổ rộng và bộ ñơn sắc như các máy quang phổ hấp thu thông thường mà ở ñây nó dùng một LED phát quang phát ra bức xạ ánh sáng có vùng phổ hẹp ứng với bước sóng cần. ðể xác ñịnh nitrite (phức màu azo ño tại bước sóng 540 nm), dùng ñèn led phát ánh sáng màu xanh lá cây (526 nm); xác ñịnh amoni (phức màu indophenol ño tại bước sóng 635 nm), chúng tôi dùng ñèn led phát bức xạ màu ñỏ (650 - 760 nm); với phosphate (phức dị ña phospho molybdate có hai mũi hấp thu tại 700 nm và 880 nm), ñể ñạt ñược ñộ nhạy cao thì phải ño tại bước sóng 880 nm bằng ñèn led IR. Tuy nhiên do hạn chế về mặt linh kiện của công tắc chuyển và ñầu dò, nên ở ñây chúng tôi chọn sử dụng ñèn led phát ánh sáng màu ñỏ chung với ñèn led ñể ño amoni. Với việc sử dụng ñèn led phát bức xạ ánh sáng có vùng phổ hẹp tương ứng cần thiết giúp làm giảm giá thành sản phẩm, dễ dàng thay thế và sử dụng. Ngoài ra, do ñèn led là loại ñèn có công suất tiêu thụ năng lượng thấp (0,15 - 0,4W), hệ số phản hồi cao, nhanh ổn ñịnh nên sẽ không phải chờ ñèn ổn ñịnh và tiết kiệm ñiện. Tiện lợi thứ hai là các loại ñèn led phát bức xạ ánh sáng màu hiện ñang ñược sử dụng rộng rãi cho mục ñích trang trí nên dễ dàng mua mới và thay thế tại Việt Nam. Chi tiết quan trọng kế tiếp trong máy quang phổ hấp thu là ñầu dò. Ở ñây, chúng tôi sử dụng diode quang, là linh kiện chuyển ñổi tuyến tính tín hiệu quang thành tín hiệu ñiện. Ưu ñiểm của loại diode quang này là chúng rất nhạy sáng và bền trong ñiều kiện nhiệt ñới. Tín hiệu ñiện sau khi ra khỏi ñầu ño, sẽ ñược khuếch ñại bằng IC op-am TL071 trước khi ñi vào mạch xử lý tín hiệu. Trong mạch xử lý tín hiệu, năng lượng truyền quang sẽ ñược xử lý và chuyển ñổi thành ñộ hấp thu bằng ic LM 394. Ưu ñiểm của ic này là ít nhiễu, ñộ ổn ñịnh cao, khoảng tuyến tính rộng. Tuy nhiên, nhược ñiểm của nó là hệ số chuyển ñổi log thập phân thường khác 1 do ic này hoạt ñộng phụ thuộc nhiều vào các linh kiện phụ trợ bên 42 ngoài. Trong ñịnh hướng cải tiến, chúng tôi quyết ñịnh thay thế ic LM 394 bằng ic ICL 8048. Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian nên ic 8048 vẫn chưa ñược chạy thử. Dựa trên các thiết bị sử dụng, mạch cấp nguồn ñược thiết kế ñể ñảm bảo cung cấp ñiện áp ñủ và ổn ñịnh. Máy PN01 ñược thiết kế ñể sử dụng 2 loại nguồn là adapter cắm ñiện (9 V) và pin (4 pin AA 2100 mAh). Khi sử dụng máy ñể ño trong phòng thí nghiệm hay ở nơi có nguồn AC 220 V, có thể sử dụng nguồn cắm adapter DC 9 V bằng cách gạt nút chỉnh nguồn về vị trí 220 V. Nếu sử dụng khi ñi thực ñịa hay ở những nơi không có ñiện thì sử dụng pin có thể xạc lại, loại AA 2100 mAh, với pin này thì thời gian sử dụng sẽ là 8 giờ. 2.2. Tối ưu hóa thực nghiệm quy trình xác ñịnh amoni trong nước biển Quá trình tối ưu hóa quy trình xác ñịnh amoni trong nước biển ñược thực nghiệm theo các tài liệu ñã ñược công bố [2, 4, 5, 6]. - Hóa chất: + Phenol: 10 g phenol/100 ml C2H5OH. + Natri nitroprusside: 0.5 g natri nitroprusside/100 ml H2O cất. + Natri citrate: hòa tan 200 g Natri Citrate + 24 g NaOH trong H2O thành 1000 mL - Cách pha chế: Dung dịch PP: 50 mL Phenol + 37.5 mL Natri nitroprusside. Dung dịch OX: 100 mL dung dịch Natri citrate + với 25 mL NaOCl 5,5%. - Lên màu trên cuvet - Lấy khoảng 5 mL mẫu nước, lọc qua giấy lọc 0.45 µm. - Sử dụng xy lanh y tế: Hút chính xác 2.75 mL mẫu nước qua lọc vào cuvet, thêm 90 µL thuốc thử PP và 160µL thuốc thử OX - Sau 60 phút, ñem ño ñộ hấp thu trên máy PN01 (chỉnh chế ñộ ño amoni) với dung dịch so sánh là nước cất và hỗn hợp thuốc thử. 2.3. Tối ưu hóa thực nghiệm quy trình xác ñịnh nitrit trong nước biển Quá trình tối ưu hóa quy trình xác ñịnh nitrit trong nước biển ñã ñược thực nghiệm theo các tài liệu ñã ñược công bố trong [2, 4, 6, 7]. - Hóa chất + Nước cất 43 + Dung dịch H3PO4 ñậm ñặc (85%) + Sulfanylamide + Dung dịch N-(1-naphthyl)-ethylene dihydrochloride (NED.2HCl): + Dung dịch chuẩn nitrite gốc 250 ppm N: hòa tan 1.232 g NaNO2 trong nước cất thành 1000 mL. Thêm 1 mL CHCl3 ñể bảo quản. Dung dịch giữ lạnh có thể sử dụng trong 1 tháng. Dung dịch chuẩn làm việc 250 ppb N: hút chính xác 1 mL dung dịch nitrite gốc, ñịnh mức bằng nước cất thành 1000 mL, dung dịch sử dụng trong ngày. - Cách pha chế: Thuốc ithử SFA: hòa tan 1g sulfanylamide trong 70 mL H3PO4 ñậm ñặc và nước cất thành 100 mL. Dung dịch bền trong một tháng nếu ñược bảo quản trong bình tối màu. Thuốc thử NED: hòa tan 0.07 g NED.2HCl trong nước cất thành 100 mL. Dung dịch bền trong một tháng nếu ñược bảo quản lạnh trong bình tối màu. - Lên màu trên cuvet - Lấy 5 mL mẫu nước, lọc qua giấy lọc 0.45 µm. - Hút chính xác 3 mL mẫu nước qua lọc vào cuvet, thêm 150 µL thuốc thử SFA và 100 µL thuốc thử NED. - Sau 5 phút, ñem ño ñộ hấp thu trên máy PN01 (chỉnh chế ñộ ño nitrite) với dung dịch so sánh là nước cất và hỗn hợp thuốc thử. 2.4. Tối ưu hóa thực nghiệm quy trình xác ñịnh photphat trong nước biển - Hóa chất + Nước cất 2 lần + Dung dịch H2SO4 ñậm ñặc + Dung dịch amoni molypdate gốc 10000 ppm Mo: cân 9.2017g (NH4)6Mo7O24.4H2O pha trong 500 mL nước cất. + Dung dịch kali antimonyl tartrat gốc 1000 ppm Sb: cân 1.3720g K(SbO)C4H4O6.1/2H2Opha trong 500 mL nước cất. + Dung dịch axit ascorbic gốc 10000 ppm: cân 2.5 g L-Ascorbic axit pha trong 250 mL nước cất, dung dịch có thể sử dụng trong vòng một tuần ở nhiệt ñộ phòng. + Dung dịch chuẩn phosphate gốc 1000 ppm PO43-: cân 0.6877g (NH4)2HPO4 pha 44 trong 500 mL nước cất. Dung dịch chuẩn trung gian 100 ppm PO43-: rút chính xác 10 mL dung dịch phosphate gốc, ñịnh mức bằng nước cất ñến 100 mL. Dung dịch chuẩn làm việc 10 ppm PO43-: rút chính xác 50 mL dung dịch chuẩn trung gian, ñịnh mức bằng nước cất ñến 500mL. - Pha hỗn hợp thuốc thử Cho vào bình ñịnh mức 250 mL: 100 mL nước cất, 17.2 mL dung dịch H2SO4 ñậm ñặc, ñể nguội. Thêm tiếp 62.5 mL dung dịch amoni molypdate gốc, 25 mL dung dịch kali antimonyl tartrat gốc và 125 mL dung dịch axit ascorbic gốc. ðịnh mức bằng nước cất. Hỗn hợp thuốc thử có màu vàng nhạt, ổn ñịnh trong 4 h. - Lên màu trên cuvet - Lấy 5 mL mẫu nước, lọc qua giấy lọc 0.45 µm. - Hút chính xác 3.6 mL mẫu nước qua lọc vào cuvet, thêm 0.4 mL thuốc thử. - Sau 10 phút, ñem ño ñộ hấp thu trên máy PN01 (chỉnh chế ñộ ño phosphate) với dung dịch so sánh là nước cất và hỗn hợp thuốc thử. 3. Khảo sát các quy trình phân tích bằng máy PN01 trong thực tiễn Nội dung khảo sát bao gồm nghiên cứu các thông số như ñộ nhạy của máy so sánh với một máy quang phổ UV – VIS, ñộ lặp lại của ñường chuẩn, phương sai tái hiện so sánh với một máy quang phổ UV – VIS khác. 3.1. Phân tích amoni So sánh giới hạn phát hiện và giới hạn ñịnh lượng với máy SHIMADZU 10-UV: y = 0.9893x + 0.1005 R2 = 0.9993 y = 0.9576x + 0.0997 R2 = 0.998 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Amoni ppm Ab s Hình 2: ðộ lặp lại của ñường chuẩn quy trình phân tích amoni trên máy PN01 ño cách nhau 8 giờ 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Amoni ppm Ab s PN01 SIMADZU Hình 3: So sánh dãy chuẩn với máy SHIMADZU 10-UV 45 Bảng 1: So sánh các thông số giữa hai máy trong quy trình phân tích amoni Các giá trị so sánh Máy PN01 Máy SHIMADZU 10-UV LOD ppm NH3 0,0058 0,00621 LOQ ppm NH3 0,019 0,0204 Phương trình ñường chuẩn Y = 0,9893x +0,1005 R2 = 0,9993 Y = 0,9612x + 0,102 R2 = 0,9974 Phương sai tái hiện 0,000209 0,000227 Vậy trong quy trình phân tích amoni, hai máy có ñộ chính xác tương ñương nhau. Máy PN01 có phần nhạy hơn và ñộ tuyến tính cao hơn. 3.2. Phân tích Nitrit So sánh giới hạn phát hiện và giới hạn ñịnh lượng với máy SHIMADZU 10-UV: 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 0 50 100 150 200 250 nitrit ppb Ab s Hình 4: ðộ lặp lại của ñường chuẩn quy trình nitrit trên máy PN01 y = 0.0051x - 0.0072 R2 = 0.9981 y = 0.0041x + 0.0015 R2 = 0.9996 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 0 40 80 120 160 200 Conc (ppb) A bs PN01 Shimazu Hình 5: So sánh ñường chuẩn của quy trình nitrit giữa máy PN01 và máy SHIMADZU 10–UV Bảng 2: So sánh các thông số phân tích của quy trình phân tích nitrit giữa máy PN01 và máy SHIMADZU 10–UV Các giá trị so sánh Máy PN01 Máy SHIMADZU 10-UV LOD ppb NO2 0,38 0,57 LOQ ppb NO2 1,26 1,90 Phương trình ñường chuẩn Y = 0,0041x +0,0015 R2 = 0,9996 Y = 0,0051x – 0,0072 R2 = 0,9981 Phương sai tái hiện 4,33*10-6 4,33*10-6 46 Trong quy trình phân tích nitrit, máy PN01 có ñộ tuyến tính và ñộ nhạy tốt hơn. Giới hạn ñịnh lượng như vậy bảo ñảm ñể xác ñịnh chỉ tiêu nitrit trong nước bề mặt. 3.3. Phân tích Phosphat So sánh giới hạn phát hiện và giới hạn ñịnh lượng với máy SECONMAN S570: y = 0.1618x - 0.0004 R2 = 0.9999 y = 0.165x + 0.0009 R2 = 0.9976 0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Phosphat ppm Ab s Hình 6: ðộ lặp lại của ñường chuẩn trong quy trình phân tích phosphat trên máy PN01 y = 0.1618x - 0.0004 R2 = 0.9999 y = 0.2154x + 0.0063 R2 = 0.9994 0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Phosphat ppm Ab s PN01 SECONMAN S570 Hình 7: So sánh ñường chuẩn quy trình phân tích phosphat giữa máy PN01 và máy SECONMAN S570 Bảng 3: So sánh các thông số giữa hai máy trong quy trình phân tích phosphat Các giá trị so sánh Máy PN01 Máy SECONMAN S570 LOD ppm PO43- 0,034 0,008 LOQ ppm PO43- 0,112 0,027 Phương trình ñường chuẩn Y = 0,1618x -0,0004 R2 = 0,9999 Y = 0,02154x + 0,0063 R2 = 0,9994 Phương sai tái hiện 3,00*10-7 1,00*10-6 Trong quy trình phân tích phosphat, ñộ nhạy của máy PN01 thấp hơn máy SECONMAN S570 vẫn bảo ñảm ñể xác ñịnh hàm lượng phosphat trong nước tự nhiên. 3.4. Phân tích mẫu thực tế Sau khi khảo sát các thông số trên, chúng tôi tiến hành làm kiểm tra chéo giữa các phòng thí nghiệm. Sử dụng máy PN01 ñể ño trực tiếp ngoài hiện trường tại bờ biển Phan Thiết và Vũng Tàu, mẫu ñược lấy theo TCVN 6663 – 13: 2000 và ñem về phân tích tại phòng thí nghiệm phân tích thuộc Bộ môn Hóa phân tích Trường ðại học Khoa học Tự nhiên thực hiện. 47 Bảng 4: So sánh kết quả phân tích thực tế giữa máy PN01 và Phòng thí nghiệm Amoni ppm Nitrit ppb Phosphat ppm ðịa ñiểm Lấy mẫu Máy PN01 PTN HPT Máy PN01 Máy PN01 PTN HPT Vũng Tàu Không phát hiện Không phát hiện 10.52 Vũng Tàu Không phát hiện Không phát hiện Phan Thiết Không phát hiện Không phát hiện 4.83 Phan Thiết Không phát hiện Không phát hiện IV. KẾT LUẬN 1. Về mặt khoa học ðã khảo sát và tối ưu hóa các quy trình phân tích amoni, nitrit, phosphat trong nước biển. Chúng tôi ñã khảo sát và ñánh giá những ảnh hưởng của một số thành phần và toàn bộ tổng thể nước biển ñến toàn bộ quy trình phân tích. Kết quả cho thấy với quy trình chúng tôi ñề nghị hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi các thành phần tổng thể nước biển. Kết quả này có ý nghĩa về ñộ ñúng và ñộ chính xác của quy trình ñược nâng cao. Trong phần nghiên cứu thiết kế chế tạo máy quang phổ hấp thu phân tử PN01 chúng tôi sử dụng những linh kiện ñiện tử tiên tiến như ñèn LED có bước sóng chọn lọc, nhân quang ñiện (ñầu dò) có ñộ phản hồi và ñộ tuyến tính cao, bộ hiển thị tích hợp. ðây là lĩnh vực nghiên cứu còn mới mẻ trong nước ta do vậy những linh kiện và thiết bị này hoàn toàn phải nhập ngoại, do vậy kết quả của máy PN01 còn khiêm tốn, song với yêu cầu phân tích các ion trong nước biển thì máy hoàn toàn có thể ñáp ứng tốt về ñộ ñúng và ñộ chính xác. Trong phần nghiên cứu chế tạo bộ KIT các hóa chất ñược pha và dùng với tỉ lệ tiết kiệm nhất do vậy hạn chế ñược việc thải trở lại môi trường những hóa chất ñộc hại. 2. Về mặt thực tiễn Hiện nay, các ngành kinh tế biển: dầu khí, khai khoáng, giao thông vận tải, nghề cá, nuôi trồng hải sản, du lịch, nghỉ dưỡng ñang phát triển rất mạnh và ñóng góp trên 45% GDP của Việt Nam. Bên cạnh những lợi ích kinh tế không thể phủ nhận, các ngành này cũng ñang có những tác ñộng xấu ñến môi trường biển. Một trong những tác ñộng xấu ñó là làm ô nhiễm vùng biển, gây ra hiện tượng phú dưỡng do hàm lượng các muối dinh dưỡng P, N vượt quá hàm lượng cho phép. Vì vậy, việc ñịnh lượng các muối dinh dưỡng P, N là 1 yêu cầu cấp thiết trong công tác ñánh giá , bảo vệ và quản lý môi trường biển. 48 Hiện nay, các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm vẫn ñóng vai trò tích cực của mình. Tuy nhiên, trong phân tích môi trường, nhất là môi trường biển ñể ñánh giá người ta cần phân tích rất nhiều mẫu, ñòi hỏi thiết bị và quy trình phân tích nhanh. Bộ KIT PN01 phân tích nhanh này có những ưu ñiểm thực tế như: - Thời gian thực hiện phản ứng nhanh. - ðộ nhạy và khoảng làm việc phù hợp với hàm lượng thấp của các ion nghiên cứu trong nước biển. - Các thuốc thử ñược trộn chung với nhau rút ngắn thời gian phân tích. - Các yếu tố cản nhiễu có hàm lượng thấp nên không gây ảnh hưởng. - Chi phí cho một mẫu phân tích rất thấp. Lời cảm ơn: Chúng tôi chân thành cảm ơn ðề Tài KC09-07 ñã ủng hộ, khuyến khích và hỗ trợ kinh phí ñể thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị PN 01. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Tác An (chủ trì), 2005. Nghiên cứu các giải pháp bảo vệ, phục hồi các hệ sinh thái rạn san hô, cỏ biển và khắc phục ô nhiễm môi trường biển tự sinh. Báo cáo tổng kết ñề tài KC 09-07, 248 tr. Thư viện Viện Hải dương học. 2. Fifield FW and Haines PJ, 2000. Environmental Analytical Chemistry, Blackwell Science. 3. Jacobson M., et. al., 2000. Earth System Science, Academic Press. 4. Lenore S. Clesceri, Arnold E. Greenberg, R. Rhodes Trussel, 1999. Standard Methods for the examination of water and wastewater, 17th Edition, American Public Health Assosiation. 5. Richard Clinch J., et. al., 1988. An automated spectromphotometric field monitor for water quality parameters: Determination of ammonia, Analytica Chimica Acta 214, 401-407. 6. TCVN 6663 -14: 2000. Chất lượng nước. Lấy mẫu. Phần 14: Hướng dẫn ñảm bảo chất lượng lấy mẫu và xử lý mẫu nước môi trường 25tr (A4). 7. TCVN 6178 – 1996 (ISO 6777 – 1984). Chất lượng nước. Xác ñịnh nitrit. Phương pháp trắc phổ hấp thụ phân tử. 49 8. TCVN 6202 – 1996. Chất lượng nước. Xác ñịnh phốtpho. Phương pháp trắc phổ dùng amoni molipñat. 9. Sven Blomqvist and Susanna Westin, 1998. Interference from chromate, germanate, tungstate and vanadate when determining phosphate in aqueous solution by the phosphoantimonylmolybdenum blue method, Analytica Chimica Acta 358, 245-254. 10. Going J. E. and Eisenreich S. J., 2001. Spectrophotometric studies of reduced molybdoantimonylphosphoric acid, Analytica Chimica Acta 70, 95-106. 11. Drummond L. and Maher W., 1995. Determination of phosphorus in aqueous solution via formation of the phosphoantimonylmolybdenum blue complex. Re- examination of optimum conditions for the analysis of phosphate, Analytica Chimica Acta 302, 69-74. 12. Karl D. M. and Tien G., 1992. Magic: A Sensitive and Precise Method for Measuring Dissolved Phosphorus in Aquatic Environments. Limnology and Oceanography 37, 105-116. DEVELOPMENT OF HANDY SPECTROMETER AND CHEMICAL KITS FOR QUICK ASSESSMENT OF SEAWATER QUALITY NGUYEN THANH DUC, NGUYEN MINH TRUC, LE THANH DUNG, VU TRONG HUNG Summary: Environmental pollution is a contemporary alert state in Vietnam. One of the reasons is the limit in facility to quickly assess the environmental conditions. A spontaneous assessment in field will help the environmental managers as well as the residents have appropriate solutions to eliminate risks. Our study aims to develop a handy spectrophotometer and chemical kits to determine three nutrient parameters in sea-water including nitrite (NO2-), ammonium (NH4+) and phosphate (PO43-). The testing of this device and chemical kits showed the detection limit 0.38 ppb NO2- , 5.8 ppb NH4+ and 34 ppb PO43-. As a first step in our study, we succeeded in manufacturing the handy device and chemical kits which work well in tropical conditions, suitable for field measurement, quality in comparison with imported chemical kits, easy to make, low cost and affordable to widely provide to the community. Ngày nhận bài: 30 - 12 - 2009 Người nhận xét: PGS. TSKH. Nguyễn Tác An