Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
-- TRỊNH THẾ DŨNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HÀM LƢỢNG CÁC KIM LOẠI SẮT,
ĐỒNG VÀ MANGAN TRONG NƢỚC MẶT SÔNG CẦU
CHẢY QUA THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ
NGỌN LỬA (F – AAS) Chuyên ngành : HÓA PHÂN TÍCH
Mã số: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN THỊ HỒNG VÂN


TRỊNH THẾ DŨNG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ii
LỜI CAM ĐOAN

Luận văn “ Phân tích, đánh giá hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan trong
nước mặt sông Cầu chảy qua thành phố Thái Nguyên bằng phương pháp phổ hấp
thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS) ” được thực hiện từ tháng 5/2011. Luận văn sử dụng
những thông tin từ nhiều nguồn và nhiều tài liệu khác nhau, các thông tin đã được ghi
rõ nguồn gốc, các số liệu đã được tổng hợp và sử lí.
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận văn này hoàn toàn trung
thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2012
Tác giả Trịnh Thế Dũng
1.1.3.1. Tính chất của mangan………………….…………………………… …… 10
1.1.3.2. Khả năng gây ô nhiễm của mangan trong nước và tác dụng sinh hóa… … 11
1.2. Các phương pháp xác định sắt, đồng và mangan…………………….….… 12
1.2. 1. Phân tích khối lượng…………………………………………….……….….12
1.2.1.1. Xác định sắt……………………………………………………….……… 12
1.2.1.2. Xác định đồng…………………………………………………………….…12
1.2.1.3. Xác định mangan………………………………………………….…………13
ii
i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iv
1.2.2. Phân tích thể tích……………………………………………………….……13
1.2.2.1. Xác định sắt…………………………………………………….…….…… 14
1.2.2.2. Xác định đồng………………………………………………….……….… 14
1.2.2.3. Xác định mangan……………………………………………….…… …….14
1.2.3. Các phương pháp điện hóa……………………………………….…… … 15
1.2.3.1. Phương pháp cực phổ…………………………………………… ….…… 15
1.2.3.2. Phương pháp vôn-ampe hòa tan…………………………………… ………15
1.2.4. Phương pháp trắc quang…………………………………………… …… 16
1.2.4.1. Xác định sắt……………………………….…………………………… 16
1.2.4.2. Xác định đồng………………………………………………….…… … 17
1.2.4.3. Xác định mangan……………………………………………….…….… 18
1.2.5. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử………………………….….…………19
1.3. Giới thiệu phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử……………… ……. …….19
1.3.1. Nguyên tắc của phép đo AAS…………………………………… ……… 20
1.3.2. Trang thiết bị của phép đo AAS…………………………………… ……20
1.3.3. Ưu, nhược điểm của phép đo AAS……………………………….… …… 21
Chƣơng II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…….….….23

3.1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của axit đối với đồng………………………… …… 35
3.1.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của axit đối với mangan…………………….….…… 37
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của các cation trong mẫu……………………… … 39
3.3. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt, đồng, mangan……… …… 41
3.3. 1. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt……………………… …….…41
3.3. 2. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của đồng…………………… …….…43
3.3. 3. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của mangan………………….…….…44
3.4. Xây dựng đường chuẩn, xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định
lượng……………………………………………………………….… ……45
3.4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định sắt…………………………….….……….46
3.4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định đồng ………………………….……… 48
3.4.3. Xây dựng đường chuẩn xác định mangan………………………………… 49
iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vi
3.5. Tổng kết các điều kiện đo phổ F-AAS của sắt, đồng, mangan……… … 50
3.6. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo……………………………… …51
3.6.1. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo sắt……….……… ………… …52
3.6.2. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo đồng…….……………….…… 53
3.6.3. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo mangan….……………… ….….54
3.7. Phân tích mẫu thực bằng phương pháp đường chuẩn.………….….…… …55
3.7.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu…………………………….………….……… 55
3.7.2. Xử lý mẫu……………………………………………….…… ……… … 57
3.7.3. Kết quả xác định hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước
mặt sông Cầu bằng phép đo F-AAS…………………….……………… 58
3.8. Phân tích mẫu thực tế bằng phương pháp thêm chuẩn….……………… …61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………….…………………65
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………….……………… 67

nguyên tử ngọn lửa
F- AAS
Flame - AtomicAbsorption Spectrometry
Phép đo quang phổ hấp thụ
nguyên tử ngọn lửa
HCL
Hollow Cathoe Lamp
Đèn catôt rỗng v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

viii


ix
Bảng 3.27. Địa điểm, thời gian, kí hiệu và pH của mẫu phân tích………………… 56
Bảng 3.28. Nồng độ kim loại Fe, Cu, Mn trong nước mặt sông Cầu……………… 58
Bảng 3.29. Kết quả nồng độ trung bình của các kim loại (mg/l) trong mẫu nước… 60
Bảng 3.30. Giới hạn tối đa nồng độ kim loại trong các loại mẫu nước…………… 61
Bảng 3.31. Kết quả phân tích hàm lượng một số mẫu Fe theo pp thêm chuẩn…… 62
Bảng 3.32. Kết quả phân tích hàm lượng một số mẫu Cu theo pp thêm chuẩn…… 63
Bảng 3.33. Kết quả phân tích hàm lượng một số mẫu Mn theo pp thêm chuẩn…….64 vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề cấp bách và là thách thức lớn nhất của nhân
loại trong gần hai thập kỷ gần đây. Hiện nay, sự phát triển kinh tế - xã hội của các nước
trên thế giới hiện đều được hoạch định dựa trên sự phát triển bền vững của môi trường.
Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông lớn ở nướ c ta , có vị trí địa lý
đặc biệt quan trọng; đa dạng sinh họ c và phong phú về tài nguyên ; có truyền thống văn
hoá, lịch sử lâu đời; cùng với những vẻ đẹp tự nhiên, sông Cầu đã làm nên những nét
văn hoá đặc trưng của vùng trung du miền núi và đồng bằng Bắc Bộ, có nhiều đóng
góp quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội của đất nước, đặc biệt là đối với các tỉnh
thuộc lưu vực sông Cầ u. Tuy nhiên, cùng với quá trình phát triển, nhất là trong thời kỳ
công nghiệp hoá - hiện đại hoá, các tác động đã làm suy giảm chất lượng nguồn nước,
biến đổi cảnh quan và cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên trên toàn lưu vực Sông.
Lưu vực sông Cầu đã trở thành một trong ba lưu vực sông bị ô nhiễm nặng nhất trong
cả nước và đang dần bị mai một đi những nét đẹp tự nhiên và truyền thống.
Một trong các nguyên nhân chủ yếu làm cho nguồn nước sông Cầu bị ô nhiễm là do
nước thải từ các nhà máy và khu công nghiệp có hàm lượng cao các kim loại nặng như:
Fe, Cd, Pb, Cr, Cu, Zn, Mn, v.v , chúng có tác động tiêu cực tới môi trường sống của
sinh vật và con người.
Trong những năm gần đây, được sự quan tâm, đầu tư của nhiều tỉnh, cơ quan, tổ
chức, cá nhân ở lưu vực sông Cầu, vấn đề ô nhiễm dòng sông Cầu đã được khắc phục
rất nhiều. Tuy nhiên vấn đề ô nhiễm môi trường là một quá trình lâu dài, chịu sự tác
động của nhiều yếu tố đặc biệt đối với các vùng kinh tế phát triển.
Vì những lý do trên chúng tôi chọn đề tài:
“ Phân tích, đánh giá hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước mặt
sông Cầu chảy qua thành phố Thái Nguyên bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên
tử ngọn lửa (F-AAS) ”.

hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Đề tài được thực hiện sẽ giúp xác định:
- Các điều kiện thực nghiệm tối ưu xác định hàm lượng các kim loại sắt, đồng,
mangan bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa.
- Đánh giá mức độ ô nhiễm các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước sông Cầu từ
tháng 07 năm 2011 đến tháng 01 năm 2012.
- Là cơ sở khoa học để các tổ chức, ban ngành tham khảo để có định hướng trong
công tác kiểm tra, cải thiện ô nhiễm môi trường nước ở thành phố Thái Nguyên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. GIỚI THIỆU VỀ SẮT, ĐỒNG, MANGAN
1.1.1. Sắt [13, 23]
1.1.1.1. Trạng thái tự nhiên của sắt
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

2

Khối lượng riêng 7,874 kg/m
3

Bề ngoài Kim loại màu xám, nhẹ có ánh kim
Khối lượng nguyên tử 55,845 đvc
Bán kính nguyên tử (A
o
) 1,35
Năng lượng ion hóa (eV) I
1
=7.9 ; I
2
= 16.18; I
3
= 30.63
Thế điện cực chuẩn (V), E
o

2
0
/Fe Fe
E

= -0.44V ;
32
0
/Fe Fe
E

3
O
4
.
Sắt phản ứng mạnh với các halogen. Khi đun nóng sắt với các halogen thu được
Fe(III) halogenua khan FeX
3
. Khí clo dễ dàng phản ứng với Fe tạo thành FeCl
3
.
Tuy nhiên khi nghiền bột I
2
với Fe sản phẩm tạo thành có thành phần là Fe
3
I
8
( hay
2FeI
3
.FeI
2
):
3Fe + 4I
2


Fe
3
I
8

2
SO
4
và HNO
3
thì sắt bị oxi hóa thành Fe(III) và giải phóng sản phẩm phụ.
Trong dung dịch kiềm khi đun nóng Fe khử được ion H
+
của nước tạo thành H
2
và
các sản phẩm chính là Fe
3
O
4
hoặc Fe(FeO
2
)
2
màu đen.
1.1.1.3. Tác dụng sinh hoá của sắt đối với cơ thể con người [4]
Sắt là một nguyên tố vi lượng dinh dưỡng rất quan trọng cho cơ thể con người và động
vật. Hầu hết lượng sắt có trong cơ thể đều tồn tại trong các tế bào máu, chúng kết hợp với
prôtêin để tạo thành hêmôglobin. Sắt tham gia vào cấu tạo Hêmôglôbin (là một muối phức
của prophirin với ion sắt). Hêmôglobin làm nhiệm vụ tải oxi từ phổi đến các mao quản của
các cơ quan trong cơ thể, ở đây năng lượng được giải phóng ra. Khi con người bị thiếu sắt,
hàm lượng hêmôglobin bị giảm xuống và làm cho lượng oxi tới các tế bào cũng giảm theo.
Từ đó khi cơ thể bị thiếu máu do thiếu hụt sắt, con người thường bị mệt mỏi, đau đầu, mất
ngủ hoặc làm giảm độ phát triển và thông minh của trẻ em.
Chính vì quan niệm như vậy nên một số người cho rằng nếu cơ thể thừa sắt thì


] – có giá trị kỹ
nghệ kém hơn, v.v…
1.1.2.2. Tính chất của đồng
Tên, kí hiệu, số thứ tự: Đồng, Cu, 29
Phân loại: Kim loại chuyển tiếp
Cấu hình electron [Ar] 3d
10
4s
1

Khối lượng nguyên tử 63,54 đvc
Bán kính nguyên tử (A
o
) 1,28
Năng lượng ion hóa (eV) I
1
=7.72 ; I
2
= 20,29;
Thế điện cực chuẩn (V), E
o

2
0
0
0,337
Cu
Cu
E


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
loại và đồng oxit. Oxit này được tạo thành bởi
các phản ứng:

2Cu + O
2

+ 2H
2
O → Cu(OH)
2Cu(OH)
2

+ Cu → Cu
2
O + H
2
O

Nếu trong không khí có mặt CO2, đồng bị bao phủ một lớp màu lục gồm cacbonat
bazo Cu(OH)
2
CO
3

2

→ 2CuCl
2

+ 2H
2
O
Cu + 2H
2
SO
4

đặc → CuSO
4

+ SO
2

+ H
2
O
Đồng có thể tan trong dung dịch amoniac khi có mặt của O
2

không khí.
2Cu + 8NH
3

+O

mà còn có tầm quan trọng với hoạt động sống của động vật và con người.
Trong các động vật thì một số loài nhuyễn thể (bạch tuộc) có chứa đồng nhiều nhất.
Trong các động vật cao đẳng, đồng tập trung chủ yếu ở gan và ở các hạch tế bào của những
mô khác. Ngược lại các tế bào tại các chỗ sưng chứa rất ít đồng. Nếu sinh vật bị thiếu đồng
(mỗi ngày cần đến 5mg) thì việc tái tạo hemoglobin sẽ giảm dần và sinh ra bệnh thiếu máu.
Nguồn các nguyên tố vi lượng trong cơ thể con người thường xuyên được bổ sung từ
rau, quả, các loại lương thực thực phẩm có trong thức ăn hàng ngày. Thiếu hoặc mất cân
bằng nguyên tố kim loại vi lượng trong các bộ phận cơ thể như máu, huyết thanh, tóc,
gan, mật… là nguyên nhân hay triệu chứng của ốm đau, bệnh tật hoặc suy dinh dưỡng.
Hàm lượng đồng trong toàn bộ cơ thể xấp xỉ 0,1g và nhu cầu hàng ngày của một người
đàn ông có sức khỏe trung bình là 2mg. Ở trẻ sơ sinh và đang bú mẹ, thiếu đồng dẫn đến
thiếu máu nặng và thiếu bạch cầu trung tính. Ở trẻ em mắc bệnh suy nhược nhiệt đới gọi
là Kawashiskor thì biểu hiện thiếu đồng là mất sắc tố ở lông tóc. Qua phân tích người ta
thấy ở những trẻ mất khả năng đọc và đánh vần hoặc đọc và đánh vần khó nhọc thì hàm
lượng đồng và magie trong tóc cao hơn nhiều so với các trẻ đối chứng (bình thường).
Nếu hàm lượng đồng trong tóc tăng nhiều (quá giới hạn) thì bệnh kéo theo bao gồm cả
thiếu máu, viêm gan, viêm tuyến giáp trạng và suy thận. Nếu ở mô não, nồng độ Cu tăng
và nồng độ Zn giảm thì sẽ xuất hiện chứng sớm mất trí. Một bệnh gọi là bệnh Wilson sinh
ra bởi các cơ thể mà đồng bị giữ lại, mà không tiết ra bởi gan vào trong mật. Căn bệnh
này nếu không được điều trị có thể dẫn tới các tổn thương não và gan.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
Trong các đồ ăn thì sữa và men có chứa nhiều đồng nhất, trong máu nguời mẹ có thai
lượng đồng tăng gấp đôi so với lúc bình thường. Vì vậy xác định chính xác hàm lượng
nguyên tố đồng trong các thực phẩm và trong cơ thể người bình thường để xây dựng các
chỉ tiêu sinh học và dinh dưỡng là vô cùng cần thiết để chăm sóc và bảo vệ cộng đồng.
1.1.3. Mangan [14]
1.1.3.1. Tính chất của Mangan

4
) chứa khoảng 72% Mn,
pirolusit(MnO
2
) chứa khoảng 63% Mn, braunit (Mn
2
O
3
) và manganit MnO
2
.Mn(OH)
2
.
Những nước có nhiều mỏ quặng mangan là Nga, Nam Phi, Ấn Độ, Gabon, Brazin và
Australia. Nước ta có mỏ pirolusit lẫn hemantit ở Yên Cư và Thanh Tứ ( Nghệ An), mỏ
pirolusit lẫn hêmantit ở Tốc Tác và Bản Khuôn (Cao Bằng).
Lượng chứa Mn tính theo thành phần phần trăm trong thạch quyển là 0,09%; trong
đất là 0,085%; trong chất sống là 0,01%.
Trong cơ thể con người Mn có khoảng 4.10
-10
% nằm trong tim, gan và tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
thượng thận, ảnh hưởng đến sự trưởng thành của cơ thể và sự tạo máu.
Mangan có nhiều đồng vị từ
49
Mn
đến

- 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
- Ở nồng độ 2mg/l, Mn gây độc tính đối với cây trồng.
Mangan có hàm lượng nhỏ trong sinh vật và là nguyên tố vi lượng quan trọng đối
với sự sống. Thiếu Mn làm ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của xương động vật. Ion
Mn là chất hoạt hóa một số enzim xúc tiến một số quá trình tạo thành chất clorofin
(chất diệp lục), tạo máu và sản xuất những kháng thể nâng cao sức đề kháng của cơ
thể. Mangan cần cho quá trình đồng hóa nitơ của thực vật và quá trình tổng hợp
protein. Nhu cầu Mn của người lớn là 8 mg mỗi ngày. Thực phẩm chứa nhiều Mn là củ
cải đỏ, cà chua, đậu tương, khoai tây. Mn làm giảm lượng đường trong máu nên tránh
được bệnh tiểu đường.
1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SẮT, ĐỒNG VÀ MANGAN
1.2.1. Phân tích khối lƣợng [5, 6]
Phương pháp này dựa trên sự kết tủa của nguyên tố cần phân tích với một thuốc thử
thích hợp. Phương pháp này có độ chính xác cao nhưng thao tác phức tạp, tốn thời gian
và chỉ xác định ở nguyên tố trong mẫu có hàm lượng lớn.
1.2.1.1. Xác định Sắt
Tiến hành xác định sắt dựa vào kết tủa Fe(III) hidroxit để tách sắt ra khỏi một số
kim loại kiềm, kiềm thổ, Zn, Pb, Cd và một số kim loại khác. Các hidroxit của các kim
loại này kết tủa ở pH cao hơn so với hidroxit Fe(III) hoặc nó bị giữ lại khi có mặt NH
3

trong dung dịch. Các ion tactrat, xitrat, oxalat, pyrophotphat có thể ảnh hưởng đến kết
CuS + O
2
→ CuO + SO
2Đồng (II) cũng có thể được xác định bằng phương pháp phân tích trọng lượng.
Người ta tiến hành khử Cu
2+
trong môi trường axit thành Cu
+
bằng K
2
SnCl
4
theo phương trình:

2CuCl
2
+ K
2
SnCl
4
→ Cu
2
Cl
2
+ 2KCl + SnCl

, Ag
+
, Ta
2+
thì chúng sẽ tạo kết tủa với muối Reinit và cản trở việc xác định Cu
2+
.
1.2.1.3. Xác định Mangan
Việc xác định Mangan dựa trên sự kết tủa Mn dưới dạng Mangan hidroxit theo
phản ứng sau:
Mn
2+
+ 2OH
-


Mn(OH)
2
↓
Sau đó đem nung kết tủa, đem cân và xác định chính xác hàm lượng của Mn
Mn(OH)
2
↓
0
t

MnO + H
2
O
Tuy nhiên trong nước thì lượng Mangan rất nhỏ, do vậy ta không thể sử dụng

Cu
2+

+ H
2
Y
2-

→ CuY
2-

+ 2H
+

CuInd + H
2
Y
2-

→ CuY
2-

+ HInd

Trong phương pháp này nếu dung chỉ thị màu PAN, dung dịch định lượng có
nồng độ từ 0,001 đến 0,1M, pH = 5÷6 được điều chỉnh bằng dung dịch đệm axetat
– axit axetic. Chuẩn độ bằng dung dịch EDTA cho đến khi dung dịch chuyển từ
màu tím đậm sang màu vàng tươi.
1.2.2.3. Xác định Mangan
Khi xác định hàm lượng vết nguyên tố Mn cần phải làm giàu nhiều lần, rất phức