Phân tích chất lượng nước

Phân tích chất lượng nước CHƯƠNG 7 PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG NƯỚC 1 ỨNG DỤNG THUYẾT PHÂN TỬ UV-VIS TRONG PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 1.1 Sơ lược lịch sử nghiên cứu về quang phổ Quang phổ học là một môn học chính yếu trong thiên văn học, nó đã được ứng dụng thành công để nghiên cứu về khí quyển trong hành tinh chúng ta. Cách đây 200 năm, Joseph von Fraunhofer (1787-1826) lần đầu tiên sản xuất loại máy đo quang phổ mà tính năng không có gì sánh kịp lúc bấy giờ. Ông ấy đã khám phá ra rất nhiều các đường tối trong quang phổ của ánh sáng mặt trời. Ông ấy có thể xác định chính xác độ dài bước sóng của nhiều "Fraunhofer lines" (vạch) và thuật ngữ này ngày nay vẫn được dùng. Tuy nhiên, trong thời gian này ông ấy không hiểu được những cơ sở vật lý và ý nghĩa về những vấn đề mà ông ấy khám phá ra. Hình 7-1. Thiết bị Spektralapparat thiết kế bởi Gustav R. Kirchhoff và Robert W. Bunsen (1823) Thành tựu quan trọng kế tiếp về "Fraunhofer lines" là quá trình tìm ra nguyên lý vật lý của sự hấp thu và phát xạ vào năm 1859 với sự cộng tác của nhiều nhà vật lý nổi tiếng như Gustav R. Kirchhoff (1824-1887), Robert W. Bunsen (1811-1899) tại Heidelberg. Thiết bị mà họ sử dụng là 'Spektralapparat', họ ghi nhận được quá trình phát xạ rất đặc biệt của nhiều nguyên tố khác nhau. Với phương pháp này họ đã tiếp tục khám phá ra 2 nguyên tố mới là Cäsium và Rubidium, họ chiết được một lượng rất 139 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản nhỏ (7g) từ 44.000 lít nước khoáng gần núi Bad Nauheim, Germany. Sự khám phá này là nền tảng cho sự khám phá tiếp theo về sự hấp thu và phát xạ của hấp thu phân tử. Năm 1879 Marie Alfred Cornu thấy rằng, những tia có bước sóng ngắn của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất bị hấp thụ bởi khí quyển. Một năm sau đó, Walther Noel Hartley mô tả rất tỉ mỉ về sự hấp thụ UV của O 3 với độ dài bước sóng 200 và 300 nm và nó trở nên rõ ràng hơn khi họ phát hiện ra rằng O 3 chứa đầy trong bầu khí quyển. In 1880, J. Chappuis khám phá ra sự hấp thu trong vùng khả kiến (400-840nm). Năm 1925 Dobson phát triển một máy quang phổ mới rất ổn định sử dụng lăng kính bằng thạch anh. 1.2 Đại cương về quang phổ Trong quang phổ học, ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng khả kiến), tia hồng ngoại, tia tử ngoại, tia Rơnghen, sóng radio... đều được gọi chung một thuật ngữ là bức xạ. Theo thuyết sóng, các dạng bức xạ này là dao động sóng của cường độ điện trường và cường độ từ trường, nên bức xạ còn được gọi là bức xạ điện từ. Sau thuyết sóng, thuyết hạt cho thấy bức xạ gồm các "hạt năng lượng" gọi là photon 8 chuyển động với tốc độ ánh sáng (c = 3.10 m/s). Các dạng bức xạ khác nhau thì khác nhau về năng lượng hν của các photon. Ở đây, năng lượng của bức xạ đã được lượng tử hóa, nghĩa là năng lượng của bức xạ không phải liên tục mà các lượng tử năng lượng tỉ lệ với tần số ν của dao động điện từ theo hệ thức Planck. ε = hν h = 6,625.10 - 34 J.s : hằng số Planck. Louis de Broglie đã đưa ra thuyết thống nhất cả khái niệm sóng và khái niệm hạt của sóng ánh sáng. Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Tổng quát hơn là bức xạ có bản chất sóng hạt. Nội dung như sau: Hạt có khối lượng m chuyển động với vận tốc v có bước sóng đi đôi với nó là λ bởi hệ thức: λ = h mv = h p cho Trong đó : p = mv là động lượng của hạt λ là bước sóng (de Broglie) h = 6,625.10 -34 J.s là hằng số Planck. 140 Phân tích chất lượng nước 1.2.1 Các đại lượng đo bức xạ điện từ Bước sóng λ : Là quảng đường mà bức xạ đi được sau mỗi dao động đầy đủ. Đơn vị: m, cm, m, nm, o A . (1cm = 10 8 o A = 10 ηm =10 m) 7 4 Tần số ν : Là số dao động trong một đơn vị thời gian (giây) Trong 1 giây bức xạ đi được c cm và bức sóng λ cm, vậy: ν = c λ 8 Lưu ý: Bức xạ truyền trong chân không với vận tốc c = 2,9979.10 m/s (thường lấy 8 tròn 3.10 m/s) Đơn vị: CPS ( VÒNG DÂY), Hz, KHz, MHz. (1CPS=1Hz; 1MHz=10 KHz=10 Hz) Năng lượng bức xạ: Các dao động tử (phân tử chẳng hạn) chỉ có thể phát ra hoặc hấp thụ năng lượng từng đơn vị gián đoạn, từng lượng nhỏ nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng: 3 6 ε = hν = hc λ = hcν Đơn vị: Jun (J), Calo (Cal), electron von (eV). 1.2.2 Các dạng bức xạ Bức xạ điện từ bao gồm 1 dãy các sóng điện từ có bước sóng biến đổi trong khoảng o -10 rất rộng: từ cỡ mét ở sóng rađio đến cỡ A (10 Toàn bộ dãy sóng đó được chia thành các vùng phổ khác nhau. m) ở tia Rơnghen hoặc nhỏ hơn nữa. Hình 7-2. Các phổ của sóng điện từ 141 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Mắt người chỉ cảm nhận được một vùng phổ điện từ rất nhỏ gọi là vùng nhìn thấy (khả kiến) bao gồm các bức xạ có bước sóng từ 396-760 nm. Hai vùng tiếp giáp với vùng nhìn thấy là vùng hồng ngoại và vùng tử ngoại. 1.2.3 Sự tương tác giữa vật chất và bức xạ điện từ Ở điều kiện bình thường, điện tử của phân tử nằm ở trạng thái liên kết, nên phân tử có mức năng lượng thấp, gọi là trạng thái cơ bản Khi chiếu một bức xạ điện từ vào một môi trường vật chất, sẽ xảy ra hiện tượng các phân tử vật chất hấp thụ hoặc phát xạ năng lượng, hay được gọi là trạng thái kích thích . Năng lượng mà phân tử phát ra hay hấp thụ vào là: ∆E = E 2 - E 1 = hν Trong đó, E 1 và E 2 là mức năng lượng của phân tử ở trạng thái đầu và trạng thái cuối ν (hay còn gọi là trạng thái kích thích) là tần số của bức xạ điện từ bị hấp thụ hay phát xạ ra. Nếu ∆E > 0 thì xảy ra sự hấp thụ bức xạ điện từ. Nếu ∆E < 0 thì xảy ra sự phát xạ năng lượng. Theo thuyết lượng tử, các phân tử và các bức xạ điện từ trao đổi năng lượng với nhau không phải bất kỳ và liên tục mà có tính chất gián đoạn. Phân tử chỉ hấp thụ hoặc phát xạ 0, 1, 2, 3,…n lần lượng tử hν mà thôi. Khi phân tử hấp thụ hoặc phát xạ sẽ làm thay đổi cường độ của bức xạ nhưng không làm thay đổi năng lượng của nó, bởi vì cường độ bức xạ điện từ xác định bằng mật độ các hạt phôton có trong chùm tia, còn năng lượng bức xạ điện từ lại phụ thuộc tần số ν của bức xạ. Vì thế khi chiếu một chùm bức xạ điện từ với một tần số duy nhất đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi qua năng lượng của bức xạ không hề thay đổi mà chỉ có cường độ bức xạ thay đổi. Các phân tử khi hấp thụ năng lượng của bức xạ sẽ dẫn đến thay đổi các quá trình trong phân tử (quay, dao động, kích thích electron…) hoặc trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạt nhân) Mỗi một quá trình như vậy đòi hỏi một năng lượng đặc trưng cho nó, nghĩa là đòi hỏi bức xạ điện từ có tần số hay chiều dài sóng nhất định để kích thích. Do sự hấp thụ chọn lọc này mà khi chiếu chùm bức xạ điện từ với một dãi tần số khác nhau đi qua môi trường vật chất thì sau khi đi qua chùm bức xạ này sẽ bị mất đi một số bức xạ có tần số xác định, nghĩa là các tia này đã bị phân tử hấp thụ. 142 Phân tích chất lượng nước 1.2.4 Sự hấp thụ bức xạ và màu sắc của các chất Ánh sáng nhìn thấy bao gồm tất cả dải bức xạ có bước sóng từ 396-760 nm có màu trắng (ánh sáng tổng hợp). Khi cho ánh sáng trắng (ánh sáng mặt trời) chiếu qua một lăng kính, nó sẽ bị phân tích thành một số tia màu (đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím). Mỗi tia màu đó ứng với một khoảng bước sóng hẹp hơn (xem Bảng 7-1). Cảm giác các màu sắc là một chuỗi các quá trình sinh lý và tâm lý phức tạp khi bức xạ trong vùng khả kiến chiếu vào võng mạc của mắt. Một tia màu với một khoảng bước sóng xác định. Chẳng hạn bức xạ với bước sóng 400-430 nm gây cho ta cảm giác màu tím, tia sáng với bước sóng 560 nm cho ta cảm giác màu lục vàng. Ánh sáng chiếu vào một chất nào đó nó đi qua hoàn toàn thì đối với mắt ta chất đó không màu. Thí dụ, thủy tinh thường hấp thụ các bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 360 nm nên nó trong suốt với các bức xạ khả kiến. Thủy tinh thạch anh hấp thụ bức xạ với bước sóng nhỏ hơn 160 nm, nó trong suốt đối với bức xạ khả kiến và cả bức xạ tử ngoại gần. Một chất hấp thụ hoàn toàn tất cả các tia ánh sáng thì ta thấy chất đó có màu đen. Nếu sự hấp thụ chỉ xảy ra ở một khoảng nào đó của vùng khả kiến thì các bức xạ ở khoảng còn lại khi đến mắt ta sẽ gây cho ta cảm giác về một màu nào đó. Chẳng hạn một chất hấp thụ tia màu đỏ ( λ = 610-730 ηm) thì ánh sáng còn lại gây cho ta cảm giác màu lục (ta thấy chất đó có màu lục). Ngược lại, nếu chất đó hấp thụ tia màu lục thì đối với mắt ta nó sẽ có màu đỏ. Người ta gọi màu đỏ và màu lục là hai màu phụ nhau. Trộn hai màu phụ nhau lại ta sẽ có màu trắng. Nói cách khác, hai tia phụ nhau khi trộn vào nhau sẽ tạo ra ánh sáng trắng. Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu của chất hấp thụ (các màu phụ nhau) được ghi ở bảng sau: Bảng 7-1. Quan hệ giữa màu của tia bị hấp thụ và màu chất hấp thụ Tia bị hấp thụ λ (nm) 400 - 430 430 - 490 490 - 510 510 - 530 530 - 560 560 - 590 590 - 610 610 - 750 Màu Tím Xanh Lục xanh Lục Lục vàng Vàng Da cam Đỏ Màu của chất hấp thụ (màu của tia còn lại) Vàng lục Vàng da cam Đỏ Đỏ tía Tím Xanh Xanh lục Lục Lưu ý: Giữa các tia màu cạnh nhau không có một ranh giới thật rõ rệt. Việc phân chia ánh sáng trắng thành 7, 8 hay 9 tia màu… còn tùy thuộc vào lăng kính và sự tinh tế của mắt người quan sát. 143 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Một chất có màu, thí dụ như màu đỏ chẳng hạn là do nó đã hấp thụ chọn lọc trong vùng khả kiến theo một trong các kiểu sau: - - - Chất đó hấp thụ tia phụ của tia đỏ (tức là hấp thụ tia màu lục) Chất đó hấp thụ các tia trừ tia màu đỏ. Chất đó hấp thụ ở hai vùng khác nhau của ánh sáng trắng sao cho các tia còn lại cho mắt ta cảm giác màu đỏ. Để một hợp chất có màu, không nhất thiết λ max của nó phải nằm ở vùng khả kiến mà chỉ cần cường độ hấp thụ ở vùng khả kiến đủ lớn. Nói một cách khác tuy giá trị cực đại của vân hấp thụ nằm ngoài vùng khả kiến nhưng do vân hấp thụ trải rộng sang vùng khả kiến nên hợp chất vẫn có màu. Tất nhiên để có được sự hấp thụ thấy được ở vùng khả kiến thì λ max của chất cũng phải gần với ranh giới của vùng khả kiến. Tương ứng với một bước chuyển điện tử, ta thu được phổ hấp thu có dạng: Hai đại lượng đặc trưng của phổ hấp thu là vị trí và cường độ - Vị trí cực đại hấp thu, giá trị λ max tùy thuộc vào ∆E mà hợp chất này hấp thu ở các vùng phổ khác nhau. Bán chiều rộng của vân phổ điện tử dao động khá rộng khoảng 50-60ηm. - Cường độ thể hiện qua diện tích hoặc chiều cao của đỉnh biểu đồ (peak). Cường độ vân phổ phụ thuộc vào xác xuất chuyển mức năng lượng của điện tử. Xác suất lớn cho cường độ vân phổ lớn. Một hợp chất màu có phổ hấp thu tốt khi đỉnh biểu đồ (peak) cao và bán chiều rộng vân phổ hẹp. A (ε ) Peak Bán chiều rộng vân phổ λmax Hình 7-3. Đỉnh và bán chiều rộng vân phổ Khi bán chiều rộng vân phổ hẹp, thì khi λ thay đổi nhỏ thì độ hấp thu A thay đổi lớn. Điều này rất có ý nghĩa trong phân tích định lượng. Giả sử hợp chất X có Amax ở 500nm. Khi chúng ta đo ở bước sóng 510nm... thì độ hấp thu đo được sẽ khác rất xa đối với ở bước sóng 500nm. Từ đó ta thấy rằng ở mỗi hợp chất màu có một giá trị λ max nhất định và nó phản ánh độ nhạy của phương pháp. 144 Phân tích chất lượng nước Mặt khác, một hợp chất đòi hỏi đỉnh biểu đồ cao nghĩa là khi ta đo ở bước sóng λ max thì ta được độ hấp thụ quang cực đại, khoảng làm việc rộng. 1.2.5 Định luật Lambert - Beer Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc đi qua một môi trường vật chất thì cường độ của tia sáng ban đầu ( I o ) sẽ bị giảm đi chỉ còn là I I Tỉ số 100 0 0 = T được gọi là độ truyền qua. I 0 Tỉ số I 0 − I 100 I 0 0 = A được gọi là độ hấp thụ. Nguyên tắc của phương pháp biểu diễn theo sơ đồ : Hình 7-4. Sơ đồ mô tả sự hấp thụ ánh sáng của một dung dịch Trong đó: Io: Cường độ ban đầu của nguồn sáng IA I: Cường độ ánh sáng sau khi qua dung dịch. : Cường độ ánh sáng bị hấp thu bởi dung dịch IR : Cường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvette và dung dịch, giá trị này được loại bỏ bằng cách lặp lại 2 lần đo. Giữa I A, I, độ dày truyền ánh sáng (l) và nồng độ (C) liên hệ qua quy luật Lambert - Beer là định luật hợp nhất của Bouguer: Lambert (1766) lg = K l 1 = K C 1 Beer (1852) : lg Io I Io I 145 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Độ truyền quang (T) hay độ hấp thụ (A) phụ thuộc vào bản chất của vật chất, độ dày truyền ánh sáng l và nồng độ C của dung dịch. Có thể viết: I 0 Định luật Lambert - Beer : A = lg( ) λ = ε λ *C *l Trong đó: ε là hệ số hấp thu phân tử, C nồng độ dung dịch (mol/L), l độ dày truyền ánh sáng (cm), A là độ hấp thụ quang. (Lưu ý phương trình trên chỉ đúng đối với tia sáng đơn sắc). Trong phân tích định lượng bằng phương pháp trắc quang người ta chọn một bước sóng λ nhất định, chiều dày cuvet l nhất định và lập phương trình phụ thuộc của độ hấp thụ quang A vào nồng độ C. Khảo sát khoảng tuân theo định luật Lambert - Beer: Khi biểu diễn định luật Lambert - Beer trên đồ thị tùy theo cách thực hiện phép đo, ta thường gặp đường biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thu A vào cường độ C của dung dịch có dạng: y = ax + b Hệ số góc a cho biết độ nhạy của phương pháp, trong phương pháp trắc quang người ta chỉ đo dung dịch trong khoảng tuân theo định luật Lambert - Beer tức là khoảng nồng độ mà ở đó giá trị ε không thay đổi. Hệ số góc a càng lớn và khoảng tuân theo định luật Beer càng rộng là điều kiện thuận lợi cho phép xác định. Sự lệch khỏi định luật Beer: Sự lệch khỏi định luật Beer được biểu diễn bằng sơ đồ sau: A LOL I C Hình 7-5. Giới hạn của định luật Beer về sự hấp thụ quang Khoảng tuyến tính LOL (Limit of Linear Response) là khoảng nồng độ tuân theo định luật Beer (A = ε *l *C) nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ quang A tăng. Ngoài giới hạn LOL là sự lệch khỏi định luật Beer, nghĩa là khi nồng độ tăng thì độ hấp thụ 146 Phân tích chất lượng nước quang A hầu như không tăng nữa. Nguyên nhân của quá trình này là do nồng độ dung dịch quá lớn. Ngoài ra, khoảng tuyến tính LOL còn bị ảnh hưởng của mức độ đơn sắc của ánh sáng sử dụng, pH của dung dịch, lực ion, sự pha loãng... Ý nghĩa của các đại lượng: - Hệ số hấp thu mol ε : phụ thuộc bản chất mỗi chất, bước sóng λ, nhiệt độ, chiết suất (theo nồng độ). Giá trị tính lý thuyết của một bước chuyển được phép cho 1 electron là ε = 10 mol .cm . 5 -1 -1 ε = A lC (l.mol cm ) -1 -1 ε cao cho ta biết được độ nhạy của phản ứng, là thước đo độ nhạy của phương pháp. Trong phân tích trắc quang, ε = 10 -10 mol . cm là đủ nhạy để dùng cho phương pháp trắc quang, ε phụ thuộc vào chiết suất mà chiết suất lại phụ thuộc vào nồng độ. Khi chiết suất tăng lên thì ε giảm và để ε không thay đổi thì -2 phải thực hiện C ≤ 10 mol/L. - Độ hấp thụ quang A: Là đại lượng không có đơn vị, có tính chất quan trọng là tính cộng độ hấp thụ quang. Giả sử 2 chất A và B có nồng độ C A và C B, độ hấp thu tại bước sóng λ là: A = A A + A B = l *(ε C + ε C ) Nếu một chất tan X nào đó có độ hấp thụ quang là A X, dung môi có độ hấp thụ quang là A dm, ta có: A = A x + Adm Để đo được chính xác A x thì Adm = 0, có nghĩa là phải chọn λ max của dung môi khác xa với λ max chất tan. Những chất được chọn làm dung môi thường có λ hấp thu ở miền ranh giới tử ngoại chân không. Bảng7-2. Các dung môi thường sử dụng trong vùng UV-VIS 3 5 -1 -1 A A B B Dung môi Nước cất HCl Etanol, Metanol n- Butanol n- Hexan Cyclohexan Bước sóng giới hạn sử dụng (nm) 190 190 210 210 210 210 Dung môi Benzen Cloroform Tetra Clorocarbon Dietyl Eter Aceton 1,4 Dioxan Bước sóng giới hạn sử dụng (nm) 280 245 265 218 330 215 147 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Trong hỗn hợp có nhiều cấu tử không làm thay đổi tương tác, không phản ứng hóa học, không dịch chuyển cân bằng, thì có thể xác định hỗn hợp các cấu tử theo hệ thức sau: A = ε 1 lC 1 + ε 2 lC 2 + ....... + ε i lC i + ...... + ε n lCn - Độ truyền quang T: T = I I o I 0 mà A = lg( ) do đó A = − lgT I λ λ λ λ Vì T tính theo % nên: A = 2 − lgT Nếu T = 100% thì A = 0 (nghĩa là không hấp thụ ánh sáng (I = I o) Nếu T = 1% thì A = 2 Nếu T = 0 % thì A = ∞ (hấp thu hoàn toàn ánh sáng) 1.2.6 Nguyên lý cấu tạo của máy quang phổ Nguồn sáng Nguồn sáng cho máy quang phổ là chùm bức xạ phát ra rừ đèn. Máy quang phổ dùng đèn hydro hay đèn Deuterium cho phổ phát xạ liên tục trong vùng UV tử 200-380ηm (nhưng thường sử dụng 200-340 ηm) và đèn tungsten halogen đo vùng 380-1000 ηm. Để làm việc cho cả hai vùng thì phải có đủ 2 loại đèn trên. Một yêu cầu đối với nguồn sáng là phải ổn định, tuổi thọ cao và phát bức xạ liên tục trong vùng phổ cần đo. Đèn Deuterium: cấu tạo sồm một sợi đốt phủ ôxit và một cực kim loại đặt trong một bóng thuỷ tinh chứa khí Deuteri hoặc hydro có cửa sổ bằng thạch anh để bức xạ tử ngoại đi ra vì nó không truyền qua được thủy tinh. Khi sợi đốt được đốt nóng, electron sinh ra kích thích các phân tử khí Deuteri (hoặc hidro) biến thành nguyên tử và phát ra phôton theo phản ứng: D2 Ee + E e ⇒ D 2 →D' + D′′+ hν = E D = E D'+ E + hν * * 2 D'' Ở đây là năng lượng electron kích thích, bức xạ phát ra là một phổ có bước sóng từ 160 nm đến vùng khả kiến. Bộ đơn sắc Bộ đơn sức có chức năng tách bức xạ đa sắc thành bức xạ đơn sắc, bao gồm kính lọc, lăng kính hay cách tử. Cách tử là một bảng nhôm hay các kim loại Cu, Ag. Au... được vạch thành những rãnh hình tam giác song song. Khi chiếu ánh sáng qua cách tử, phần còn lại có tác 148 Phân tích chất lượng nước dụng tạo nên vân nhiễu xạ có bước sóng khác nhau, khi quay cách tử sẽ tạo ra phổ nhiễu xạ giống như trường hợp ánh sáng qua lăng kính. Ưu điểm là cho độ phân giải tốt, tán sắc tuyến tính, độ rộng của dải ổn định, chọn bước sóng đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo nên hiện nay sử dụng cách tử tạo ánh sáng đơn sắc được ưa chuộng. Cách tử dùng cho UV-Vis có 1200 vạch/mm (thường dao động từ 300-3600 vạch/mm, số vạch càng nhiều thì năng suất phân giải càng cao. Detector Hình 7-6. Sơ đồ cấu tạo của máy quang phổ 0 Lăng kính của máy quang phổ dùng lăng kính littrow (lăng kính 30 ) bằng thạch anh, có đặc điểm ánh sáng đi qua lăng kính hai lần do phản xạ ở mặt sau. Detector Detector là bộ phận đo tín hiệu ánh sáng trước và sau khi đi qua dung dịnh (đựng trong cuvet). Các tín hiệu sau khi đi ra Detector sẽ được sẽ được khuếch đại, lưu giữ và xử lý trên máy tính. Cuvet đựng mẫu Cuvet phải làm bằng chất liệu cho bức xạ ở vùng cần đo đi qua. Cuvet thủy tinh không thích hợp cho vùng UV. Cuvet thạch anh cho bức xạ đi qua từ 190-1000 nm. Cuvet nhựa chỉ dùng trong vùng Vis và chỉ sử dụng được 1 vài lần. 1.3 Sử dụng phương pháp trắc quang trong định lượng hóa học Yêu cầu về các hợp chất cần xác định là phải bền, ít phân ly, ổn định, không thay đổi thành phần trong khoảng thời gian nhất định để thực hiện phép đo (10-20 phút). Hệ số ε lớn có giá trị từ 10 -5.10 L.mol cm , có thể thực hiện phản ứng tạo màu với các thuốc thử vô cơ và hữu cơ. 3 4 -1 -1 149 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Nồng độ các chất xác định theo định luật Lambert - Beer. Khoảng xác định nồng độ theo phương pháp là 10 - 10 mole. Giới hạn phát hiện của phương pháp 10 mole. Các hợp chất là phức cần đo phải có λ max khác xa với λ max của thuốc thử trong cùng điều kiện tức là ∆λ >2 lần nửa bán chiều rộng của vân phổ (khoảng 80 -100 ηm). Thí 2+ dụ, khi phân tích Fe bằng phương pháp O-Phenanthroline. Sau khi thêm thuốc thử ta được phức màu vàng cam (λ max=510 ηm), trong khi đó thuốc thử 1,10- Orthophenanthroline có λ max = 250 ηm. 1.3.1 Phương pháp so sánh So sánh cường độ màu của dung dịch cần xác định với cường độ màu của dung dịch chuẩn đã biết nồng độ. Điều kiện: cả hai dung dịch trên phải có nồng độ nằm trong khoảng tuân theo định luật Beer. C x ---------------------- Ax C tc ---------------------- Atc -2 -6 -7 Ta cần xác định C : x C x = Ax *Ctc A tc Khi sử dụng 2 dung dịch chuẩn: C x = C 1 + C 2 − C1 A 2 − A1 * (A x − A 1) Với A 1, A 2, C 1, C 2 là độ hấp thu và nồng độ của dung dịch chuẩn tương ứng sao cho A1 < A x < A 2 có nghĩa C 1 < C x < C2 1.3.2 Phương pháp thêm chuẩn Phạm vi ứng dụng là xác định các chất có hàm lượng vi lượng hoặc siêu vi lượng, loại bỏ ảnh hưởng của chất lạ. Có 2 phương pháp là phương pháp sử dụng công thức và phương pháp đồ thị. - Phương pháp sử dụng công thức C x = Ca Trong đó: Ax x +a − Ax A Ax : độ hấp thu của dung dịch xác định tương ứng với thể tích V x. Ax+ a Ca : Độ hấp thu của dung dịch có thêm chuẩn. : Nồng độ chất chuẩn thêm vào. 150 Phân tích chất lượng nước C :xN ồng độ chất cần xác định trong thể tích Vx Công thức được thiết lập từ: Ax = ε lCx A(x+a) = ε l(C x + C a) C x được biểu diễn theo đơn vị của C a. Cách thực hiện: Lấy 3 lần của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 3 bình định mức có thể tích VmL. Bình 1: Thêm thuốc thử và các chất để tạo môi trường pH cho dung dịch, dung dịch gọi là dung dịch xác định C x, độ hấp thu quang tương ứng là A x. Bình 2: Thêm một lượng chính xác dung dịch tiêu chuẩn đã biết chính xác nồng độ Ca là A(x+a). Bình 3: chỉ thêm các chất để tạo pH cho dung dịch, lấy dung dịch này làm dung dịch so sánh. , tiến hành phản ứng tạo màu giống như bình 1. Dung dịch có độ hấp thu tương ứng Áp dụng công thức: C x = Ca Ax x +a − Ax A . Từ C x có trong thể tích V x(mL) có thể qui về Co = C xVo V x (mg / L) thể tích ban đầu của mẫu V o (mL): - Phương pháp sử dụng đồ thị Có ít nhất 3 dung dịch thêm chuẩn. Lấy ít nhất 4 lần của dung dịch cần xác định nồng độ cho vào 4 bình định mức V(mL). Sau đó thêm chính xác một lượng V 1, V 2, V 3 mL dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ tương ứng C a1, C a2, C a3 vào 3 bình định mức trên. Tiến hành phản ứng tạo màu. Bình còn lại để làm dung dịch so sánh, cũng chuẩn bị giống như phương pháp công thức. Độ hấp thu của các dung dịch thêm so với dung dịch so sánh. 151 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản A Ax + a3 Ax Ax + a2 + a1 Ax Ca1 Ca2 Ca3 C Hình 7-7. Biểu đồ xác định phương trình hồi quy tương quan của phương pháp thêm chuẩn sử dụng đồ thị. Có thể đọc kết quả trên đồ thị hoặc sử dụng phương trình hồi qui có dạng: A = aC + b (hồi quy tuyến tính y = ax + b) Ax Cx = b = b/a 1.3.3 Phương pháp đường chuẩn Ưu điểm là chính xác, thực hiện được nhiều lần. - Chuẩn bị từ 6 dung dịch chuẩn (trong khoảng tuân theo định luật Beer). - Thực hiện phản ứng màu với thuốc thử. - Đo độ hấp thụ quang A của dung dịch ở λ max so với các dung dịch so sánh được chuẩn bị giống như dung dịch tiêu chuẩn nhưng không chứa ion cần xác định. - Biểu diễn sự phụ thuộc A theo C trên đồ thị hoặc tính theo phương trình hồi qui A=aC + b (a và b là hệ số cần tìm của phương trình hồi quy - tương quan) (xem Bảng 7-3) - Dung dịch xác định: chuẩn bị và phản ứng tạo màu với thuốc thử giống như mẫu chuẩn. Bảng 7-3: Dung dịch chuẩn dùng để xây dựng đường chuẩn Dung dịch chuẩn 1 2 3 4 5 6 C (mg/L) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 A 0,010 0,480 0,930 1,370 1,830 2,281 152 A h u t p ? h ? s ? H Phân tích chất lượng nước Sau khi đo được giá trị độ hấp thụ quang của các dung dịch chuẩn, chúng ta có thể tiến hành xây dựng đường chuẩn và tìm ra phương trình hồi quy tương quan: 2.500 y = 9.0543x + 0.0184 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 0.00 2 R = 0.9999 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Nồng độ Hình 7-7. Biểu đồ xác định phương trình hồi quy tương quan của phương pháp đưởng chuẩn. Sau khi thiết lập đường chuẩn, ta được dạng phương trình y = ax + b với y là độ hấp thụ quang, x là nồng độ. Đối với dung dịch xác định, ta tiến hành phản ứng và đo được hệ số hấp thu của mẫu (A định theo phương trình: x = y − b a mẫu = y), ta có thể tính được nồng độ của mẫu cần xác Sự tương quan giữa độ hấp thụ quang A và nồng độ C khi l = const là nội dung của định luật Beer. Khoảng nồng độ thỏa mãn định luật này khi r > 0,999. 2 Hệ số tương quan r biến đổi trong khoảng -1≤ r ≤ 1 (R = 0-1) - Khi r ≈ 1 có sự tương quan chặt chẻ giữa x và y theo tỉ lệ thuận. - Khi r ≈ -1 có sự tương quan chặt chẻ giữa x và y theo tỉ lệ thuận. - Khi r ≈ 0 hai đại lượng này không còn tương quan. 1.4 Độ chính xác trong phương pháp trắc quang: Trong phân tích trắc quang cũng như bất kỳ phương pháp nào khác có thể chia sai số thành 2 nhóm: - Sai số do tiến hành phản ứng hóa học (hóa chất, thao tác, dụng cụ...) - Sai số của tín hiệu đo độ hấp thu của dung dịch (do hệ thống đo). 153 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản Độ chính xác trong phương pháp này phụ thuộc vào hàng loạt nguyên nhân khác nhau rất phức tạp bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống, trong đó sai số quan trọng nhất là sai số của tín hiệu trong quá trình đo độ hấp thu quang học. 1.5 Một số ví dụ áp dụng phương pháp định lượng trắc quang Ví dụ 1 -4 Độ hấp thụ quang A của dung dịch anilin 2.10 M trong nước đo ở bước sóng λ=280nm là 0,252. Chiều dài ánh sáng đi qua cuvet là 1cm. Tính độ truyền quang của anilin 1,03.10-3M khi đo ở cùng độ dài bước sóng nhưng dùng cuvet 0,5cm. Giải: I 0 Áp dụng công thức A = lg( ) λ = ε λ *C *l với dung dịch 1 ta có: ε = 0.252/(2.10 *1) = 1,26.10 l.mol cm . Áp dụng công thức A = lg( ) λ = ε λ *C *l với dung dịch 2 ta có: I -4 3 -1 -1 I 0 I 3 -3 Mà: A = 1,26.10 * 0,5 * 1,03.10 = 0.649 A = -lgT suy ra: lgT = -A = -0,649, do đó T = 0,224 = 22,4% Vậy độ truyền quang T = 22,4% Ví dụ 2: Độ hấp thụ quang A đo được từ các mẫu chuẩn và mẫu nước thu từ ao nuôi cá chứa ion PO 3- 4 như sau: Nồng độ mẫu chuẩn (mg/L) Độ hấp thụ quang A 0,00 0,010 0,05 0,480 0,10 0,930 0,15 1,370 0,20 1,830 0,25 2,281 Độ hấp thụ quang A của mẫu nước ao của 3 lần lặp lại là: 1,256; 1,245; 1,264. Tính nồng độ PO Giải: 3- 4 trong mẫu nước ao. Từ các nồng độ mẫu chuẩn và độ hấp thụ quang A. Từ kết quả thiết lập phương trình hồi qui ta có: y = 9,0543x + 0,0184 (r2 = 0,9999). Từ kết quả của 3 lần phân tích lặp lại ta có Từ đó ta có x = y − 0,0184 9 ,0543 = A = y 1 ,255 − 0,0184 9 ,0543 = 1,255 = 0,137mg / L Vậy nồng độ PO43- trong mẫu nước ao là 0,137 mg/L. 154 Phân tích chất lượng nước Ví dụ 3: Để xác định hằng số phân ly của Methyl da cam (kí hiệu HIn), người ta đo độ hấp thụ quang A của 3 dung dịch cùng nồng độ Methyl da cam ở các pH khác nhau: - - - Dung dịch 1 trong HCl 0,1M; Dung dịch 2 trong NaOH 0,1 M; Dung dịch 3 có pH = 4,34; A1 A2 A3 = 0,475. = 0,130. = 0,175 Cho biết đo ở bước sóng λ = 510nm và chiều dài ánh sáng đi qua cuvet là 1cm. Tính hằng số phân ly K của Metyl da cam? Giải: Độ hấp thụ quang của dung dịch 3: A3 = ε In *l + ε [HIn]*l − In− HIn [ ] Với [In ] = x; [HIn] = y ta có: x + y = C - HIn = C vì toàn bộ chất chỉ thị ở dạng In (7.1) (7.2) (7.3) ε In − = ε Hin = A2 C *l A1 C *l - vì toàn bộ chất chỉ thị ở dạng HIn (7.4) Thay (7.3) và (7.4) vào (7.1) ta được: A3 = A 2 . x C + A 1. y C (7.5) Qui ước: x C = α; y C = (1− α) ⇒ 0,175 = 0,130α + 0,475 (1-α) ⇒ α = 0,869 Hằng số phân ly của HIn: HIn ⇔ H + In + − + - K = [H ][In ] HIn − ; ⇒ pK = pH − lg K a In − = pH − lg HIn α 1 −α pK = 4,34 - lg 0 ,869 1− 0,689 -4 = 7.34 - 0,82 = 3,52 ⇒ K = 3,02.10 . Vậy hằng số phân ly của methyl da cam là K = 3,02.10-4. 155 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản 2 PHƯƠNG PHÁP THU VÀ BẢO QUẢN MẪU 2.1 Chuẩn bị thu mẫu 2.1.1 Nhận định sự thay đổi chất lượng nước Chất lượng nước tại mỗi trại luôn bị thay đổi theo thời gian (phụ thuộc vào lưu lượng và mức độ tác động của các nguồn ô nhiễm), do vậy cần đo các giá trị cực đại, cực tiểu và trung bình của các thông số theo thời gian để có thể phản ánh gần đúng giá trị thực. Số mẫu thu thập cần đủ lớn và nhịp thu mẫu cần đủ cao để làm được điều này . Tuy nhiên, việc tăng cao số mẫu và nhịp thu sẽ gây tốn kém nhiều về kinh phí và nhân lực. Cho nên cần tính sao cho vừa đủ độ tin cậy vừa không quá nhiều chi phí Theo GEMS (Hệ thống quan trắc môi trường toàn cầu) nhịp thu mẫu cho nước nuôi thủy sản như mẫu ở sông thời gian thu mẫu cần tiến hành khi lưu lượng thấp, ở ao hồ cần xem xét chu trình sinh học và cần tăng nhịp thu mẫu ở thời điểm có năng suất sinh học cao. 2.1.2 Các điều cần lưu ý khi thu mẫu • Lựa chọn và rửa kỹ chai, lọ đựng mẫu. • Dùng tay cầm chai, lọ nhúng vào khoảng giữa dòng nước cách bề mặt nước độ 30-40cm. Hướng miệng chai, lọ lấy mẫu hướng về phía dòng nước tới. Thể tích nước phụ thuộc vào thông số cần khảo sát. • Đậy kín miệng chai, lọ, ghi rõ lý lịch mẫu đã thu. Bảo quản mẫu đúng qui định nêu ở bảng 1. 2.2 Các bảo quản mẫu 2.2.1 Mẫu nước Tùy theo chỉ tiêu chất lượng nước mà cách lấy mẫu và bảo mẫu khác nhau, cách bảo quản mẫu được trình bày ở Bảng 7-4. 2.2.2 Mẫu đất Mẫu đất sau khi thu, phân tích càng sớm càng tốt. Nếu muốn bảo quản lâu cần làm như sau: Trải mẫu càng mỏng càng tốt trên bao nilon và phôi khô trong điều kiện nhiệt độ o phòng. Sau đó nghiền mịn, rồi cho vào cốc sành, đem sấy ở nhiệt độ 105 C trong 24 giờ. Để nguội mẫu trong bình hút ẩm, lúc này đã sẵn sàng để phân tích. 156 Phân tích chất lượng nước Bảng 7-4: Dụng cụ thu mẫu và cách bảo quản mẫu theo chỉ tiêu phân tích STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Chỉ tiêu Alkalinity Hardness DO CO2 COD Chlorophyll-a SiO2 TAN Nitrate Nitrite - NO 2 và NO3 3- PO4 TN,TP - Dụng cụ bảo quản P;G P;G P;G P;G P;G P;G G P;G P;G P;G P;G P;G P;G Thể tích (mL) 200 100 100 100 100 500 100 500 100 100 200 100 500 Bảo quản o 4 C o 4 C 1mL MnSO4, 1mL KI- NaOH 0,5 mL CHCl3 2mL H 2SO 4 4M Lọc, 4 C, lọ nâu HCl 1:1 o 4 C o 4 C o 4 C o 4 C o 4 C o 4 C o P: Plastic bottle G: Glass bottle 2.3 Phương pháp thu mẫu Phương pháp thu mẫu chính xác sẽ góp phần tăng tính chính xác của kết quả phân tích. Tùy mục đích nghiên cứu mà việc thu mẫu mang tính chất cá biệt hay đại diện cho ao được áp dụng phổ biến hơn. Để thu mẫu hỗn hợp đại diện cho ao, có thể thực hiện các bước sau: 2.3.1 Nguyên tắc chung Thu nhiều điểm trong ao (3-5 điểm hoặc hơn), sau đó trộn mẫu lại (càng nhiều càng tốt), rồi lấy một mẫu đại diện loại mẫu cần phân tích (chỉ tiêu nước hoặc bùn đáy). Ở mỗi điểm, cần thu đồng thời 3 vị trí, rồi cho vào 3 xô (mỗi mẫu/ xô), tiếp tục làm như thế cho các điểm khác trong ao. Sau khi thu mẫu sẽ có 3 xô hỗn hợp mẫu đại diện cho ao, tương ứng 3 lần lặp lại. 2.3.2 Dụng cụ thu mẫu và cách thu - Nên sử dụng ống PVC (đường kính 10 cm, dài 1 - 1,2m) để thu mẫu nước hoặc bùn đáy ao. - Đối với mẫu nước, chiều cao cột nước cần thu tùy theo ao nông hay sâu, tránh khuấy động nền đáy ao khi thu mẫu nước. Trong trường hợp đáy ao bị khuấy động trong khi đang thu mẫu nước, thì nên bỏ mẫu đó để thu mẫu khác ở gần nơi đó. - Đối với mẫu bùn đáy, nên thu nhẹ nhàng để tránh vật chất dinh dưỡng trong bùn bị thối rữa Sau khi thu mẫu cần loại bỏ rác, sỏi, đá... Cần trộn mẫu hỗn hợp cho thật đều rồi cho vào chai nhựa 200mL để mang về phòng phân tích. 157 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản 3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT SỐ CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG NƯỚC 3.1 Nhiệt độ Để xác định nhiệt độ của nước, người ta thường dùng nhiệt kế thủy ngân có chia độ từ 0-50 C (tối đa là 100 C). Muốn xác định nhiệt độ của nước ở tầng mặt, ta đặc bầu thủy ngân của nhiệt kế vào trong nước ở độ sâu 15-20 cm, cho đến khi nhiệt độ trong nhiệt kế không đổi (khoảng 5 phút), sau đó nghiêng nhiệt kế và đọc nhiệt độ của nước xong mới lấy nhiệt kế lên khỏi mặt nước. Muốn xác định nhiệt độ của nước ở tầng giữa hay tầng đáy của thủy vực, ta cắm nhiệt kế vào nắp bình thu mẫu nước, thả bình xuống đúng vị trí cần xác định nhiệt độ, cho nước vào đầy bình, để yên 5 phút sau đó kéo lên và đọc ngay nhiệt độ nước ở tầng đó. Chúng ta cũng có thể đo nhiệt độ bằng máy, hiện nay một số máy đo pH hay DO được chế tạo có thể đo được cả chỉ tiêu nhiệt độ. 3.2 pH 3.2.1 Bằng hộp giấy so màu Giấy được tẩm dung dịch chỉ thị màu thích hợp, sấy khô cho vào hộp sử dụng. Khi được thấm ướt giấy sẽ hiện màu. Tùy thuộc pH của nước, giấy sẽ hiện màu khác nhau. Sau đó đem so màu với bảng màu tiêu chuẩn kèm theo trên nắp hộp, ta sẽ biết được pH của nước. 3.2.2 Phương pháp điện thế-máy đo pH + Ion H hoạt động (pH) được xác định trực tiếp bằng phép đo điện thế. Sức điện động + E của tế bào Galvanic có liên quan đến hoạt động của ion H trong dung dịch theo + phương trình Nernt. Điện thế sinh ra từ tế bào tỷ lệ với nồng độ ion H trong mẫu nước, điện thế này được đo bằng một điện thế kế và được thiết bị đặc biệt dịch sang trị số pH hiện trên màn ảnh của máy. Tế bào Galvanic bao gồm 1 điện cực thủy tinh, và 1 điện cực Calomel tiếp xúc với mẫu nước bằng một tia Amiăng ở cuối điện cực. Khi tiếp xúc với mẫu nước, ở điện cực Calomel sẽ xảy ra phản ứng: Hg Cl + 2e ⇔ 2Hg + 2Cl Điện cực thủy tinh gồm 1 điện cực Ag-AgCl ngâm trong dung dịch HCl 0,1M và + được bao bọc bởi 1 màng thủy tinh có độ nhạy cảm rất cao với ion H . Điện thế này + của điện cực sẽ xuất hiện khi ion H được màng thủy tinh hấp thụ. Sự hấp thụ 1 ion H trên màng thủy tinh sẽ phóng thích 1 ion Li từ màng thủy tinh vào dung dịch điện cực. Theo Peters (1975) thì tế bào Galvanic đối với việc xác định pH có thể được viết như sau: Ag / AgCl, HCl (0.1M) / màng thủy tinh / mẫu nước / Hg 2Cl 2, KCl / Hg. 158 o o - - 2 + + Phân tích chất lượng nước Tất cả điện thế trong tế bào Galvanic đều không thay đổi, trừ điện thế giữa màng thủy tinh - mẫu nước và giữa mẫu nước - dung dịch KCl trong điện cực Calomel. 3.3 Độ trong (Transparency), Độ Đục (Turbidity) Có nhiều cách xác định trong và độ đục của nước, nhưng kỹ thuật phổ biến nhất cho việc nuôi thủy sản là sử dụng đĩa secchi để đo độ trong. Độ đục có thể được đo chính xác bằng cách sử dụng máy đo độ đục theo phương pháp Nephelometric. Ngoài ra có thể xác định lượng vật chất lơ lửng trong nước thông qua lượng chất rắn hoà tan (TDS) và tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS) 3.3.1 Đo độ trong bằng đĩa Secchi Đĩa secchi dạng hình tròn làm bằng vật liệu không thấm nước (inox, thiếc, tole...) chia đĩa làm 4 phần đều nhau, sơn hai màu đen và trắng xen kẽ nhau. Đĩa được treo trên một que hay trên một sợi dây có đánh dấu khoảng cách mỗi khoảng chia là 5 hoặc 10cm. Khi đo, cầm đầu dây thả từ từ cho đĩa ngập nước và ghi nhận lần 1 khoảng cách từ mặt nước đến đĩa khi không còn phân biệt được hai màu đen trắng trên mặt đĩa. Sau đó cho đĩa secchi sâu hơn vị trí vừa rồi và kéo lên đến khi vừa phân biệt được hai màu đen trắng, ghi nhận khoảng cách lần 2 Độ trong của nước ao đo bằng đĩa secchi là trung bình của hai lần ghi nhận khoảng cách. 3.3.2 Đo độ đục bằng phương pháp Nephelometric o Thiết bị đo độ đục có các bộ phận dò ánh sáng được đặt ở vị trí vuông góc (90 ) so với chùm tia tới được gọi là máy đo ánh sáng khuếch tán. Phương pháp này được dựa trên việc so sánh cường độ ánh sáng tán sắc của mẫu (trong điều kiện xác định) với cường độ ánh sáng khuếch tán của mẫu chuẩn đối chứng trong điều kiện tương tự. Cường độ ánh sáng khuếch tán càng cao thì độ đục càng cao. Formazin polymer được sử dụng làm chất lơ lững trong mẫu chuẩn. Độ đục của nồng độ chất lơ lững bằng formazin được xác định đến 4000 NTU. Ngoài ra, một số thiết bị đo độ đục được thiết kế để xác định độ đục theo đơn vị mg/L (Model QWC-22A-TOA, Nhật). Chất lơ lững tiêu chuẩn được sử dụng làm dung dịch đối chứng là Kaolin tinh chế (theo hệ thống công nghiệp Nhật bản-JIS). Có thể đo độ đục dễ dàng bằng các máy đo nêu trên. 3.4 Tổng chất rắn hòa tan (TDS) và tổng chất rắn lơ lửng (TSS) Chất rắn hiện diện trong nước bao gồm vật chất hòa tan và không hoà tan. Để đo được tổng lượng chất rắn hoà tan (TDS). Mẫu cần được lọc để loại bỏ vật chất không hoà tan, và nước đã được lọc cho bốc hơi và phần còn lại được cân để tính hàm lượng chất 159 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản rắn hòa tan. Tổng lượng chất rắn hòa tan bao gồm vật chất hữu cơ và vô cơ hoà tan, biểu thị bằng mg/L. Tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS) được tính bằng cách cân trọng lượng những chất còn lại trên giấy lọc được sử dụng khi lọc nước phân tích chất rắn hoà tan. TSS biểu thị lượng vật chất không hòa tan lơ lửng trong nước và được biểu thị là mg/L. Vật liệu và dụng cụ dùng phân tích tổng chất rắn hòa tan và tổng chất rắn lơ lửng o gồm: Giấy lọc sợi thủy tinh, tủ nung 550 C, bình làm nguội hút ẩm, hệ thống lọc chân không, cân phân tích. 3.4.1 Tổng chất rắn hòa tan TDS (Total Dissolved Solid) o Thu mẫu vào bình 1 lít và đậy kín. Bảo quản lạnh 4 C Ngâm giấy lọc thủy tinh trong 24 giờ, sau đó sấy khô o Nung cốc sứ (đĩa sành) ở nhiệt độ 550 C trong 30 phút, sau đó làm nguội trong bình hút ẩm và cân khối lượng của cốc sứ (W 1) Lọc nước bằng hệ thống lọc chân không. Lấy 100mL đã được lọc cho vào cốc sứ đã được chuẩn bị sẵn. Đặt cốc sứ vào tủ sấy ở nhiệt độ 95 C. Sau đó gia tăng nhiệt độ lên 105 C trong 1giờ. Làm nguội đĩa và cân trọng lượng 2 (W 2) Tổng lượng chất rắn hòa tan được tính theo công thức sau: o o TDS (mg / L) = (W 2 −W 1) V x1000 Trong đó: W2: Trọng lượng đĩa lần 2 (mg) W1: Trọng lượng đĩa ban đầu (mg) V: Thể tích mẫu nước 3.4.2 Tổng chất rắn lơ lửng - TSS (Total Suspended Solid) o Thu mẫu vào bình 1 lít và đậy kín. Bảo quản lạnh 4 C Lọc mẫu bằng giấy lọc có cấu tạo bằng chất liệu sợi thủy tinh đường kính 47 mm, cỡ lọc 0,22-0,45 m. Đánh số mẫu trên giấy lọc. o Sấy giấy lọc ở 105 C trong 2-3 giờ. Cân và ghi khối lượng giấy lọc (W o) Lắc đều mẫu nước trước khi lọc. 160 Phân tích chất lượng nước Sấy ở 105 C trong 2-3 giờ, hút ẩm 30 phút trong bình hút ẩm, cân khối lượng (W ) o Nung ở 550 C trong 2-3 giờ, hút ẩm 30 phút trong bình hút ẩm, cân khối lượng (W 2) Các chỉ tiêu về vật chất lơ lửng được tính theo công thức sau: 1 TSS (mg / L) = x1000 Lọc mẫu nước, ghi thể tích mẫu nước đã lọc (V mL) o OSS (mg / L) = (W 1 −W 0 ) V (W 1 −W 2 ) V x1000 ISS (mg / L) = TSS −OSS V: thể tích mẫu nước đã lọc (mL) W: khối lượng (mg) TSS: tổng vật chất lơ lững (mg/L) OSS: vật chất hữu cơ lơ lững (mg/L) (OSS = Organic Suspended Solid) ISS: vật chất vô cơ lơ lững (mg/L) (ISS = Inorganic Suspended Solid) 3.5 Độ dẫn điện (EC) Độ dẫn điện là khả năng mang một dòng điện của dung dịch. Khả năng này tùy thuộc vào sự hiện diện của các ion, tổng nồng độ, tính linh động, hóa trị của các ion và nhiệt độ lúc đo đạc. Các dung dịch của hầu hết các hợp chất vô cơ là các chất dẫn tốt nhưng ngược lại đối với các phân tử hữu cơ có tính dẫn điện kém. Đơn vị đo độ dẫn điện là micromho/cm (nmho/cm) hoặc theo hệ thống đơn vị đo lường quốc tế (SI) là millisiemens/m (mS/m); 1 mS/m=10 mho/cm và 1 mho/cm=1 mS/cm. Trong nước ngọt, độ dẫn điện thường từ 50 đến 1.500 mho/cm (Theo Hiệp hội sức khỏe cộng đồng người Mỹ-APHA, 1989; Arce và Boyd, 1980), môi trường nước lợ và mặn thì độ dẫn điện cao hơn nhiều. Độ dẫn điện và nồng độ muối có liên quan rất chặt về nồng độ các ion trong môi trường, độ dẫn điện tăng cùng với sự tăng nồng độ muối. Việc đo đạc chính xác độ dẫn điện thường không được đòi hỏi cao đối với nuôi trồng thủy sản, mà thay vào đó việc đo nồng độ muối của nước thường được sử dụng hơn. Máy đo độ đẫn điện thường được sử dụng để ước tính nhanh mức độ khoáng hóa của nước thiên nhiên và mức độ ô nhiễm nguồn nước thải công nghiệp. 3.6 Nồng độ muối Thuật ngữ nồng độ muối chỉ tổng nồng độ các ion hòa tan trong nước. Đơn vị tính là mg/L hoặc phần ngàn (‰). Để ước tính nồng độ muối của nước một cách tốt nhất thì 161 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản cần tính tổng nồng độ 7 ion quan trọng trong môi trường làm cho nước thiên nhiên có nồng độ muối đó là: Na , K , Ca , Mn , Cl , SO , và HCO vì các ion này thường chiếm hơn 95% trong tổng số các ion hòa tan trong nước. Để đo nồng độ muối chúng ta có thể sử dụng tỉ trọng kế, nhưng mức độ chính xác của dụng cụ đo này không cao. Trong lĩnh vực thủy sản, thiết bị đo nồng độ muối được sử dụng phổ biến nhất là khúc xạ kế và máy đo nồng độ muối. 3.7 Oxy hòa tan (DO) 3.7.1 Phương pháp Winkler Nguyên tắc + + 2+ 2+ - 2- 4 - 3 Trong môi trường bazơ mạnh, oxy hòa tan trong nước sẽ oxy hóa ion Mn 4+ Mn có kết tủa nâu. Mn + 2OH + 1/ 2 O = MnO + 2H O 2+ - 2 2 2 2+ thành chất oxy hóa mạnh, có khả năng oxy hóa I thành I bằng đúng với lượng I có trong mẫu nước lúc ban đầu: MnO + 2I + 4H = Mn + I + 2H O I 2 được giải phóng ra sẽ hòa tan trong nước và được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch Na 2S 2O 3. Hồ tinh bột được sử dụng làm chất chỉ thị để xác định điểm tương đương trong quá trình chuẩn độ này: Khi I 2 có mặt trong dung dịch, nó sẽ kết hợp với tinh bột hình thành một phức chất có màu xanh. Khi tất cả I 2 trong dung dịch đã được chuẩn độ hết với Na 2S 2O 3, dung dịch sẽ trở nên không màu. Thu mẫu Thu mẫu nước vào lọ nút mài nâu 125 mL, cho hóa chất cố định bằng 1 mL MnSO4 và 1mL dung dịch KI-NaOH, đậy nắp lọ lại, lắc đều, trong lọ xuất hiện kết tủa. Chú ý, khi thu mẫu và sau khi cố định không để bọt khí xuất hiện trong chai khi thu mẫu nước. Thuốc thử - Dung dịch MnSO 4: Hòa tan 50 g MnSO 4.5H 2O hay 41 g MnCl 2.4H 2O với nước cất thành 100 mL. - Dung dịch KI-NaOH: Hòa tan 50 g NaOH và 15 g KI (hay 14 g NaI) với nước cất thành 100 mL. - H 2SO 4 đđ (d=1,84) hay H 3PO 4 đặc (d= 1,88). - Dung dịch Na 2S 2O 3 tiêu chuẩn 0,1N: Pha một ống Na 2S 2O 3 tiêu chuẩn 0,1N trong 2 2 - + 2+ 2 2 2 1000mL nước cất Sau đó MnO 2 được hòa tan bằng H 2SO 4 đậm đặc. Trong môi trường acid, MnO 2 là - 162 Phân tích chất lượng nước - Dung dịch Na 2S 2O 3 0,01N: Sử dụng công thức N 1V 1 = N 2V 2 để pha dung dịch cụ thể như sau: Lấy 50 mL dung dịch Na 2S 2O 3 0,1N pha loãng với nước cất thành 500 mL. - Chỉ thị hồ tinh bột 1%: Hòa tan 0,49 g K S O trong 100 mL nước ấm (từ 80-90 ) khuấy đều cho đến khi dung dịch màu trong suốt, cho vào 0,5 mL formaline nguyên chất để sử dụng được lâu. Tiến hành - Sau khi cố định bằng hóa chất, để yên cho kết tủa lắng. Tiếp tục lắc đều một lần nữa để kết tủa hoàn toàn, sau đó để yên 5 phút đối với nước ngọt, 10 phút đối mẫu nước lợ mặn. - Cho tiếp 2 mL H 2SO 4 đđ hay H 3PO 4 đậm đặc (vẫn không cho bọt khí xuất hiện trong lọ) - Lắc đều cho đến khi kết tủa hòa tan. Dung dịch có màu vàng nâu - Đong 50 mL dung dịch vừa được acid hóa ở trên, cho vào bình tam giác 100 mL. - Chuẩn độ bằng dung dịch Na 2S 2O 3 0,01N cho đến khi dung dịch có màu vàng nhạt, cho 3 giọt chỉ thị hồ tinh bột, lắc đều dung dịch có màu xanh, tiếp tục chuẩn độ cho đến khi dung dịch chuyển từ màu xanh sang không màu thì dừng lại. - Ghi thể tích (V 1 mL) dung dịch Na 2S 2O 3 0,01N đã sử dụng chuẩn độ mẫu. - Làm tương tự 2 hoặc 3 lần, ghi thể tích dung dịch Na 2S 2O 3 0,01N đã dùng chuẩn oC 2 2 3 đô. Tính V trung bình của Na 2S 2O 3 0,01N đã dùng chuẩn độ VTB = (V 1 +V 2 +V 3 ) / 3 Tính kết quả DO(mg / L) = Trong đó: VTB V TB x N VM x 8 x1000 : là thể tích trung bình dung dịch Na 2S 2O 3 0,01N (mL) trong các lần chuẩn độ. N : là nồng độ đương lượng gam của dung dịch Na 2S 2O 3 đã sử dụng. 8 : Là đương lượng gam của oxy. VM : là thể tích (mL) mẫu nước đem chuẩn độ. 1000: là hệ số chuyển đổi thành lít 3.7.2 Phương pháp điện cực oxy hòa tan) - máy đo oxy Theo phương pháp này thì áp suất riêng phần của oxy hòa tan được đo trực tiếp. Sau đó áp suất riêng phần được chuyển đổi thành nồng độ (mg/L). Máy đo oxy tính toán 163 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản các giá trị này dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ, độ hòa tan của oxy và áp suất không khí. Đầu dò oxy bao gồm 1 điện cực dương (anode) được làm từ Ag/AgCl, 1 điện cực âm (cathode) được làm từ kim loại quý như platinum, vàng, tungsten hoặc rhodium và dung dịch điện cực KCl bảo hòa ngăn cách với môi trường ngoài bởi màng cảm ứng polyethylene, teflon, polypropylene hoặc vật liệu tương tự có độ dày thường 25nm hoặc mỏng hơn (có khả năng thấm oxy). Các điện cực trong hệ thống này có 1 hiệu điện thế giữa chúng thường khoảng 0,7 volts. Khi oxy trong mẫu nước tiếp xúc với màn cảm ứng, màn có khả năng thấm oxy và tỷ lệ mà oxy đi qua màng cảm ứng có liên quan đến áp lực của oxy trong mẫu nước. Khi cung cấp mật hiệu điện thế cho đầu dò thì oxy phân tử thấm thấu qua màng, phản ứng - với cực cathode và bị khử thành hydroxide với tỷ lệ 4 moles OH /mole oxy theo phương trình sau: O +2H O + 4e Æ 4OH - Sau đó 1 dòng điện chạy qua cực anode (điện cực bằng bạc) và OH phản ứng với bạc tạo thành dạng oxit bạc theo phương trình sau: 2Ag + 2OH = Ag O + H O + 2e . Do đó, sự chính sự khác biệt về áp lực oxy giữa trong và ngoài màng cảm ứng làm cho oxy thẩm thấu qua màng. Vì vậy, nếu áp lực oxy bên ngoài màng cảm ứng thấp thì dòng điện giữa 2 điện cực sẽ ít hơn so với khi áp lực oxy bên ngoài cao. Ngoài ra, tính thấm của màng cảm ứng bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ (Mancy và Jaffe, 1966) (Trích dẫn bởi Boyd & Tucker, 1992). Thí dụ, dòng điện tạo ra 10 mg/L oxy hòa tan ở 10 C chỉ bằng 1/ 4 so với việc tạo ra 10 mg/l ở 30 C. Bên cạnh đó, nhiệt độ còn ảnh hưởng đối với dòng điện giữa 2 điện cực thông qua mối quan hệ về nhiệt độ và áp lực oxy. Do đó, hầu hết các máy đo oxy hòa tan trong nước thường được thiết kế có bộ phận hiệu chỉnh nhiệt độ tự động để tránh sai số do sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên số liệu đo đạc. Hàm lượng oxy hòa tan trong nước cũng bị ảnh hưởng bởi nồng độ muối. Hàm lượng oxy hòa tan trong nước ở mức bảo hòa giảm khi giảm áp suất không khí và tăng nồng độ muối. Vì vậy, hầu hết các máy đo oxy thường được thiết kế có sự hiệu chỉnh áp suất và nồng độ muối để tăng độ chính xác trong đo đạc. 3.8 Carbon dioxide (CO 2) 3.8.1 Nguyên tắc CO 2 tự do trong nước được xác định bằng phương pháp trung hòa với dung dịch NaOH tiêu chuẩn và phenolphthalein làm chất chỉ thị để xác định điểm tương đương 2 2 - - 0 - - 2 2 o o CO 2 + NaOH = NaHCO3 (7.6) 164 Phân tích chất lượng nước Khi phản ứng (7.6) đạt điểm tương đương, một giọt dư dung dịch NaOH sẽ làm cho môi trường có tính kiềm yếu (pH 8-10) phenolphthalein sẽ chuyển từ không màu sang màu hồng. Muốn có kết quả chính xác ta phải dùng dung dịch đệm có pH tiêu chuẩn bằng 8,3 để theo dõi sự chuyển màu của phenolphthalein mà xác định chính xác điểm tương đương của phản ứng 3.8.2 Phương pháp thu và bảo quản mẫu Thu mẫu trong chai nút mài trắng 125 mL, cố định mẫu bằng 0,5mL Chloroform 3.8.3 Chuẩn bị hóa chất - Dung dịch NaOH tiêu chuẩn 0,1N: Hòa tan ống chuẩn NaOH 0,1N với nước cất thành 1000mL - Dung dịch NaOH 0,01N: Hòa tan 100mL dung dịch NaOH 0,1N với nước cất thành 1000mL. - Dung dịch đệm pH= 8,3: Dung dịch Na 2B 4O 7 0,05M: Hòa tan 1,91g Na 2B 4O 7.10H 2O với nước cất thành 100mL. - Dung dịch H 3BO 3 0,2M: Hòa tan 1,24 g H 3BO 3 với nước cất thành 100mL. - Lấy 20mL dung dịch Na 2B 4O 7 0,05M cho vào 30mL dung dịch H 3BO 3 0,2M. Ta sẽ được dung dịch đệm có pH=8,3. - Dung dịch chỉ thị phenolphthalein 1%: Hòa tan 1g chỉ thị phenolphthalein 0 (C 20H 14O 4) trong 100mL cồn 60 . 3.8.4 Tiến hành Dùng bình tam giác 100mL, lần lượt cho vào bình các hóa chất như sau (Bảng 7.5): Bảng 7.5. Các bước tiến hành phân tích hàm lượng CO2 Bình 1 1. 50mL dung dịch đệm pH= 8,3 2. 3 giọt chỉ thị phenolphthlein, lắc đều, dung dịch có màu hồng nhạt. Bình 2 1. 50mL mẫu nước. 2. 3 giọt chỉ thị phenolphthlein, lắc đều, dung dịch không màu. 3. Dung dịch NaOH 0,01N chuẩn độ từ từ cho đến khi dung dịch trong bình có màu hồng nhạt giống như bình 1 thì dừng lại ( màu hồng chỉ bền trong 1 phút). Ghi thể tích V 1 (mL) dung dịch NaOH 0,01N đã sử dụng. 4. Làm lại các bước 1 đến 4 một lần nữa ghi thể tích V 2 (mL) dung dịch NaOH 0,01N sử dụng. 5. Tính VTB = (V 1 + V 2)/2. 165 Quản lý chất lượng nước nuôi trồng thủy sản 3.8.5 Tính kết quả CO 2 (mg / L) = V TB x N 50 x 44 x1000 - V tb: là thể tích trung bình dung dịch NaOH 0,01N của cá lần chuẩn độ. - N: là nồng độ đương lượng của dung dịch NaOH đã sử dụng. - 44: đương lượng g của CO 2. - 50: thể tích nước đem chuẩn độ. 3.9 Tiêu hao oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand - COD) 3.9.1 Phương pháp oxy bằng KMnO 4 trong môi trường kiềm Thu và bảo quản mẫu Thu mẫu trong chai nút mài trắng 125 mL, cố định mẫu bằng 2 mL H 2SO 4 4M Nguyên tắc Việc xác định hàm lượng COD được dựa trên nguyên tắc các hợp chất hữu cơ trong nước có thể bị oxy hóa thành CO 2 và H 2O bởi các chất oxy hóa mạnh (KMnO 4) trong môi trường kiềm. Trong môi trường bazơ, ion MnO sẽ tác dụng với ion OH nhả gốc (OH) tự do. - - 4 MnO + OH- = MnO 4 - 2- 4 + (OH) Gốc (OH) này không bền nó sẽ phân hủy cho ra oxy nguyên tử. 2(OH) = [O] + H 2O Oxy nguyên tử ở trạng thái mới sinh là chất oxy hóa mạnh, có khả năng oxy hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ thành CO 2 và H 2O. CxHyOz + (2x + y/2 - z) [O] = xCO 2 + y/2H 2O Sau đó môi trường được acid hóa bằng dung dịch H 2SO 4. Trong môi trường acid, với sự hiện diện của một lượng thừa I , lượng MnO còn lại sẽ bị khử hoàn toàn thành - Mn và một phần I bị oxy hóa thành I . 2+ - 2 - 4 10KI + 2KMnO 4 + 8H 2SO 4 = 5I 2 + 2MnSO 4 + 6K 2SO 4 +8H 2O I 2 được tạo thành được xác định bằ