Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
TƢỜNG THỊ CẨM NHUNG
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HÀM LƢỢNG
SẮT, MANGAN TRONG NƢỚC GIẾNG KHOAN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ
NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA (F-AAS)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC THÁI NGUYÊN - 2011
THÁI NGUYÊN - 2011\
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các tài
liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ
công trình nào.
Tác giả Tƣờng Thị Cẩm Nhung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN
Trang
MỞ ĐẦU
1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN
4
1.1. MANGAN VÀ HỢP CHẤT CỦA MANGAN
4
1.1.1. Mangan
4
1.1.2. Các hợp chất của mangan
5
1.1.2.1. Hợp chất của Mn(II)
5
1.1.2.2. Hợp chất của Mn(III)
5
1.1.2.3. Hợp chất của Mn(IV)
6
1.1.2.4. Hợp chất của Mn(VI)
6
1.1.2.5. Hợp chất của Mn(VII)
7
1.1.3. Ứng dụng của Mangan
8
1.1.4. Sự xuất hiện của Mangan và khả năng gây ô nhiễm của
mangan trong nƣớc ngầm
8
1.2. SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT
9
1.2.1. Sắt
9
16
1.2.2.7. Phức chất của sắt(III)
17
1.2.3. Vai trò của sắt đối với cơ thể con ngƣời
17
1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MANGAN VÀ SẮT
18
1.3.1. Các phƣơng pháp hóa học
18
1.3.1.1. Phân tích khối lượng
18
1.3.1.2. Phân tích thể tích
19
1.3.2. Các phƣơng pháp phân tích công cụ
20
1.3.2.1. Các phương pháp điện hóa
20
1.3.3. Các phƣơng pháp quang học
22
1.3.3.1. Phương pháp trắc quang
22
1.3.3.2. Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử…………………………….
26
1.3.3.3. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử…………………………….
27
1.3.4. Phƣơng pháp sắc ký……………………………………………….
28
1.3.4.1. Phương pháp sắc ký lỏng cao áp và phương pháp dòng chảy sử
dụng detector điện hóa……………………………………………………
28
38
2.4.1. Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định Fe, Mn bằng
phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa
38
2.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của cation khác
39
2.4.3. Khảo sát vùng tuyến tính của Fe, Mn
39
2.4.4. Đánh giá sai số, độ lặp, khoảng tin cậy của phép đo
39
2.4.5. Lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu
39
2.4.6. Phân tích mẫu thực tế theo phƣơng pháp đƣờng chuẩn và
phƣơng pháp thêm chuẩn
39
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU…………………………….
40
3.1. KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH
CÁC KIM LOẠI SẮT VÀ MANGAN BẰNG PHƢƠNG PHÁP
F-AAS
40
3.1.1. Khảo sát các thông số máy
40
3.1.1.1. Khảo sát vạch phổ hấp thụ
40
3.1.1.2. Khảo sát cường độ dòng đèn
41
3.1.1.3. Khảo sát lưu lượng khí axetylen
43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
63
3.7.2. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo Mn
64
3.8. PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ BẰNG PHƢƠNG PHÁP
ĐƢỜNG CHUẨN
66
3.8.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu
66
3.8.2. Xử lý mẫu…………………………………………………………
71
3.8.3. Kết quả xác định hàm lƣợng kim loại sắt, mangan trong nƣớc
giếng khoan bằng phép đo F – AAS
71
3.9. PHÂN TÍCH MẪU NƢỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƢƠNG
PHÁP THÊM CHUẨN
75
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………
79
TÀI LỆU THAM KHẢO………………………………………………
81
Khảo sát tốc độ dẫn khí axetylen của Fe
43
Bảng 3.6
Khảo sát tốc độ dẫn khí axetylen của Mn
43
Bảng 3.7
Kết quả khảo sát khe đo đối với Fe
44
Bảng 3.8
Kết quả khảo sát khe đo đối với Mn
45
Bảng 3.9
Khảo sát chiều cao đèn nguyên tử hóa đối với Fe
45
Bảng 3.10
Khảo sát chiều cao đèn nguyên tử hóa đối với Mn
46
Bảng 3.11
Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép
đo Fe
47
Bảng 3.12
Khảo sát ảnh hưởng của HNO
3
0,13% và HCl 0,13%
48
Bảng 3.13
Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép
đo Mn
Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Mn
56
Bảng 3.23
Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ sắt
59
Bảng 3.24
Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ Mn
60
Bảng 3.25
Tổng kết các điều kiện đo phổ F – AAS của sắt và
mangan
62
Bảng 3.26
Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo
Fe
64
Bảng 3.27
Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo
Mn
65
Bảng 3.28
Địa điểm, thời gian và kí hiệu mẫu phân tích
66
Bảng 3.29
Nồng độ kim loại Fe và Mn trong nước giếng khoan
(Tháng 5/2011)
72
Bảng 3.30
Nồng độ kim loại Fe và Mn trong nước giếng khoan
(Tháng 6/2011)
Hình 3.1
Độ hấp thụ của Fe trong các axit tối ưu
48
Hình 3.2
Độ hấp thụ của Mn trong các axit tối ưu
50
Hình 3.3
Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Fe
56
Hình 3.4
Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Mn
57
Hình 3.5
Đường chuẩn xác định hàm lượng Fe
59
Hình 3.6
Đường chuẩn xác định hàm lượng Mn
61
2
Liên Hiệp Quốc (UNICEF) lại cảnh báo: “ Hàng năm, tại các nước đang phát
triển có khoảng 14 triệu trẻ em dưới 5 tuổi bị chết và 5 triệu trẻ em bị tàn tật
do dùng nước bị ô nhiễm”.
Có rất nhiều chỉ tiêu để đánh giá chất lượng nước như: độ pH, độ kiềm,
độ axit, hàm lượng oxi (DO, BOD, COD), hàm lượng chất hữu cơ, chất bảo
vệ thực vật, hàm lượng các cation, anion… Nước sạch đưa vào cơ thể nhiều
nguyên tố cần thiết cho sự sống như: Iot, Sắt, Flo, Kẽm, Đồng, Mangan …
Tuy nhiên khi nồng độ của chúng trong nước vượt quá mức cho phép thì nó
sẽ gây ra các bệnh hiểm nghèo. Do đó nước dùng cho cuộc sống phải đủ về số
lượng và đảm bảo an toàn về chất lượng.
Sắt là một trong những kim loại có nhiều trong vỏ trái đất. Nồng độ của
nó trong nước thiên nhiên có thể từ 0,5 - 50 mg/l. Nhu cầu tối thiểu về sắt
hàng ngày tùy thuộc vào độ tuổi, giới tính, thể chất thay đổi từ 10 - 15
mg/ngày. Còn mangan thì nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày đối với cơ thể con
người từ 30 – 50 µg/kg thể trọng. Nếu dư thừa, mangan thì sẽ gây ra các bệnh
hiểm nghèo như: viêm túi mật, ảnh hưởng đến vị giác và tuyến giáp trạng…
Người ta đã ghi nhận được chứng cứ về tính nhiễm độc thần kinh do tiếp xúc
lâu với bụi có chứa mangan là tác dụng lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn
thương thận và bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng có thể dẫn tới tử vong
[17]. Vì vậy, việc xác định chính xác hàm lượng các kim loại nặng độc hại
(Fe, Mn …) trong nước là vô cùng cần thiết. Nó góp phần bảo vệ sức khỏe
cộng đồng, đồng thời cũng góp phần xây dựng quy trình phục vụ kiểm tra
chất lượng nước.
Xuất phát từ mục tiêu đó chúng tôi lựa chọn đề tài:
“Phân tích và đánh giá hàm lƣợng Sắt, Mangan trong nƣớc giếng khoan
bằng phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F – AAS)”.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. MANGAN VÀ HỢP CHẤT CỦA MANGAN
1.1.1. Mangan [8]
Mangan là nguyên tố thuộc phân nhóm phụ nhóm VII trong bảng
HTTH của Menđeleep:
- Khối lượng nguyên tử: 54,938
- Tỷ trọng: 7,44
- Nhiệt độ nóng chảy: 1244
0
C
- Nhiệt độ sôi: 2120
0
C
- Cấu hình electron lớp ngoài cùng: 3d
5
4s
2
- Mangan có các trạng thái oxi hóa từ +2 đến +7
Trong thiên nhiên Mn là nguyên tố tương đối phổ biến, đứng hàng thứ
3 trong số các kim loại chuyển tiếp sau Fe và Ti. Trữ lượng của Mn trong vỏ
trái đất là0,032%. Mangan không tồn tại ở trạng thái tự do mà tồn tại chủ yếu
trong các khoáng vật. Khoáng vật chính của Mn là hausmanit( Mn
3
O
4
) chứa
khoảng 72% Mn, pirolusit(MnO
2
vị thiên nhiên chiếm 100%. Đồng vị phóng xạ bền nhất là
53
Mn
có chu kì bán
hủy là 140 năm, và kém bền nhất là
49
Mn
có chu kì bán hủy là 0,4s [18].
1.1.2. Các hợp chất của mangan [1]
1.1.2.1. Hợp chất của Mn(II)
Đa số hợp chất Mn(II) dễ tan trong nước, ít tan là MnO, MnS,
MnF
2
, Mn(OH)
2
, MnCO
3
và Mn
3
(PO
4
)
2
. Khi tan trong nước các muối Mn(II)
phân li tạo phức aquơ kiểu [Mn(OH
2
)
6
]
2+
2
MnO
4
+ 2KCl + 3K
2
SO
4
+ 6H
2
O
Trong môi trường axit những chất oxi hóa mạnh như PbO
2
oxi hóa
Mn
2+
thành MnO
4
-
:
2MnSO
4
+ 5PbO
2
+ 6HNO
3
→ 2HMnO
4
+ 3Pb(NO
3
)
2
O thường được biểu diễn là MnOOH và tồn
tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật Manganit.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6
Những muối Mn(III) đơn giản và tương đối thông dụng là: MnF
3
,
Mn
2
(SO
4
)
3
, Mn(CH
3
COO)
3
. Trong dung dịch Mn
3+
dễ bị phân hủy theo phản ứng:
2Mn
3+
+ 2H
2
O MnO
2
+ Mn
.
MnO
2
, Mn(OH)
4
là những hợp chất vừa có tính oxi hóa, vừa có tính
khử, không tan trong nước.
Khi tác dụng với chất khử chúng đóng vai trò chất oxi hóa, Ví dụ:
MnO
2
+ 4HCl → MnCl
2
+ Cl
2
+ 2H
2
O
Khi tác dụng với chất oxi hóa chúng đóng vai trò chất khử, sản phẩm là
những hợp chất Mn(VI), Mn(VII):
3MnO
2
+ KClO
3
+ 6KOH → 3K
2
MnO
4
+ KCl + 3H
2
O
4
+ 2H
2
O → 2KMnO
4
+ MnO
2
+ 4KOH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
7
K
2
MnO
4
+ H
2
SO
4
→ H
2
MnO
4
+ K
2
SO
4
( 3H
4
đặc lên KMnO
4
:
2KMnO
4
+ H
2
SO
4
→ Mn
2
O
7
+ K
2
SO
4
+ H
2
O
Mn
2
O
7
là hợp chất oxit axit điển hình, tác dụng mạnh với nước theo
phản ứng:
Mn
2
O
= 1,51 V
Trong môi trường acid yếu, trung tính:
MnO
-
4
+ 4H
+
+ 3e → MnO
2
+ 2H
2
O
42
0
/MnO MnO
E
= 1,231 V
Môi trường kiềm:
MnO
4
-
+ e → MnO
4
2-
E
0
= 0,56 V
đường ống thì Mn ở ngưỡng 0,05mg/l [5].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
9
Trong công nghiệp luyện kim chế tạo máy, hóa chất làm giàu quặng
Mn, chế biến quặng thì nồng độ Mn trong nước thải là 1-1,2mg/l. Trong
công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng, nước thải chứa 0,05- 0,47mg/l Mn.
Thông thường Mn được thải ra dưới dạng muối tan như muối sunfat, clorua,
nitrat của Mn(II).
Trong nước ngầm Mn thường tồn tại ở dạng hóa trị II( Mn
2+
) vì không
có mặt ôxi hòa tan hàm lượng Mn có thể là 1mg/l [13].
Khi nghiên cứu tác động của hợp chất Mn và độc tính của chúng đối
với cơ thể sống, người ta thấy rằng:
- Ở nồng độ 0,1mg/l Mn làm cho nước đục.
- Ở nồng độ 0,25mg/l Mn nhuộm màu nước thành tối.
- Ở nồng độ 0,2- 0,4 mg/l Mn làm kém chất lượng nước.
- Ở nồng độ 0,5mg/l Mn làm cho nước có mùi kim loại.
- Mangan làm giảm COD của nước. Nồng độ Mn 0,001mg/l làm giảm
2% COD. Nồng độ Mn 0,01mg/l làm giảm 10% COD.
- Ở nồng độ 2mg/l, Mn gây độc tính đối với cây trồng.
Nồng độ giới hạn cho phép của Mn trong nước ngầm là 0,1 - 0,5mg/l [14].
1.2. SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT [1,7,19]
1.2.1. Sắt
1.2.1.1. Vị trí và tính chất của nguyên tử sắt
Tên, kí hiệu, số thứ tự: Sắt, Fe, 26
Phân loại: Kim loại chuyển tiếp
Cấu hình electron [Ar] 3d
= -0.44V ;
32
0
/Fe Fe
E
= 0.77V
Trạng thái oxi hóa +2, +3
Hóa trị II, III
1.2.1.2. Trạng thái tự nhiên
Sắt là nguyên tố phổ biến đứng hàng thứ 4 về hàm lượng trong vỏ trái
đất sau O, Si, Al. Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền :
54
Fe
,
56
Fe
(91.68%),
57
Fe
và
58
Fe
. Những khoáng vật quan trọng của sắt là manhetit (Fe
3
O
4
) chứa
đến 72% sắt, hematit (Fe
thuận từ, Fe α khác với Fe là không hòa tan C, Fe γ có kiến trúc lập phương
tâm diện và tính thuận từ, Fe có kiến trúc lập phương tâm khối như Fe α
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
11
nhưng tồn tại đến nhiệt độ nóng chảy. Ở điều kiện thường, sắt là một nguyên
tố sắt từ, tức là bị nam châm hút. Ngoài ra dưới tác dụng của dòng điện, sắt
trở thành nam châm.
Một số hằng số vật lí quan trọng của sắt.
Nhiệt độ nóng chảy : 1536
0
C
Nhiệt thăng hoa : 418kJ/mol
Nhiệt độ sôi: 2880
0
C
Tỉ khối: 7.91
Khối lượng riêng: 7.91g/cm
3
Độ dẫn điện (Hg =1) : 10
1.2.1.4. Tính chất hóa học của sắt
Sắt là một kim loại có hoạt tính hóa học trung bình. Ở điều kiện
thường, không có hơi ẩm, sắt là kim loại thụ động. Sắt không tác dụng rõ rệt
với những phi kim điển hình như oxi, lưu huỳnh, clo, brôm vì có màng oxit
bảo vệ.
Khi đun nóng (đặc biệt ở dạng bột nhỏ) sắt tác dụng với hầu hết các phi
kim. Khi đun nóng trong không khí khô, sắt tạo nên Fe
2
Fe
3
I
8
Nung Fe với S cũng có phản ứng tạo ra sắt sunfua:
Fe + S
FeS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
12
Sắt tác dụng trực tiếp với CO tạo thành hợp chất cacbonyl khi nung
nóng Fe trong ống chứa CO ở 150 – 200
0
C và áp suất khoảng 100atm:
Fe + 5CO
Fe(CO)
5
Sắt tinh khiết bền trong không khí và nước. Ngược lại sắt có chứa tạp
chất bị ăn mòn dần do tác dụng của hơi ẩm, khí cacbonic và oxi ở trong không
khí tạo nên gỉ sắt. Do lớp gỉ sắt xốp và dòn nên không bảo vệ được sắt khỏi bị
oxi hóa tiếp.
Sắt tan được trong các axit loãng. Sắt bị thụ động khi tác dụng với axit
H
2
FeO là chất bột màu đen, điều chế bằng cách cho H
2
để khử Fe
2
O
3
ở
300
0
C:
Fe
2
O
3
+ H
2
FeO + H
2
O
Hàm lượng sắt trong FeO thường bé hơn so với hàm lượng của nguyên
tố đó ứng với công thức phân tử, vì các nguyên tử Fe chiếm không hoàn toàn
các mắt của mạng lưới tinh thể, ứng với công thức Fe
0,95
O.
FeO không tan trong nước nhưng có phản ứng với nước đặc biệt khi đun
nóng. Sau khi đun nóng mạnh FeO bị trơ, nghĩa là mất hoạt tính hóa học cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
là chất kết tủa màu trắng, hấp thụ mạnh oxi, màu sắc xanh
thẫm dần và cuối cùng có màu nâu của Fe(OH)
3
:
4Fe(OH)
2
+ O
2
+ 2H
2
O
4 Fe(OH)
3
Chú ý là amoniac không thể kết tủa hoàn toàn Fe(OH)
2
, vì khi có một
lượng lớn muối amoni, kết tủa Fe(OH)
2
hầu như không có do sự tạo thành
phức chất amoniacat của Fe(II):
FeCl
2
+ 6NH
3
[Fe(NH
đặc
0
t
Na
2
[Fe(OH)
4
]
1.2.2.3. Muối sắt(II)
Muối của Fe(II) là kém bền đối với oxi của không khí. Muối của axit
mạnh như clorua, nitrat và sunfat tan dễ trong nước còn muối của axit yếu
như sunfua, cacbonat, phốtphat khó tan. Muối khan có màu khác với muối ở
Copyright: Tài liệu đại học ©