BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHIÊN
BÙI XUÂN THÀNH
XÁC ĐỊNH CÁC CLOPHENOL TRONG
NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ KHÍ
LUẬN VÃN THẠC SỸ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH HÓA PHÂN TÍCH
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. PTS. NGUYỄN XUÂN TRƯNG
HÀ NỘI 1999
MỤC LỤC
■ ■
MỞ ĐẦU
PHẦN I : TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu về các dẫn xuất có clo của phenol

1 J J . K hái n i ệ m

ỉ .1 2 . T ính chấ t vậ t lý h ó a h ọ c của cá c c lo p h e n o l

1.2. Nguồn thải các clophenol vào môi trư ờ ng

.
121. N g u ồ n tự n h iê n
122. N g uồn n h â n tạ o

123. ứ n g d ụ ng của c á c c ỉo p h e n o l
124. T h ải loại vào m ôi trư ờ n g
1.3. Độc hại của clophenol đối với người và động v ậ t
1 3 ] . Đ ộ c h ạ i của c lo p hen o ỉ đ ối vó i độn g th ực v ậ t

1.6.1.1. Sơ đổ thiết bị
1
4
4
4
4
5
5
ố
7
7
9
9
.11
12
.12
.12
.14
14
14
15
16
16
16
17
18
20
20
20
21

21.1. H ó a c h ấ t . 3 7
2.12. D ụ n g c ụ 3 8
2 ã 3 . T h iế t b ị 3 8
2.2. Chuẩn bị dụng cụ và dung dịch chu ẩn 42
2 2 1 . C h u ẩ n b ị dụn g c ụ 42
222. C huẩ n bị d un g d ịc h c h u ẩ n 42
2.3. Khảo sát điều kiện để định tính và định lượng trên GC - ECD
và GC-MS

43
2 3 1 . P h â n tích định tính và địn h hỉỢ ìĩg 43
2.3.1.1. Phân tích định tính
43
2.3.1.2. Phãn tích định lượng 43
2 3 2 . Đ iề u kiệ n là m việc củ a hệ sắ c kỷ k h í với cletector E C D
tron g quá trìn h p h â n tíc h các c lo p h e n o ỉ 44
2 3 3 . Đ iề u kiện là m việc của h ệ G C - M S tro ng quá trình
p h â n tích cá c c lo p h e n o l 45
2.4. Pha dãy chuẩn và lập đường chuẩn 47
2 4 1 . P h â n tích trên th iế t bị G C - E C D 4 7
2 4 2 . P h á n tích trên th iết bị G C - M S

48
2.5. Quá trình thực nghiệm
49
2 5 J . C h ọ n m ứ c th í n g h iệ m 4 9
2.5.1.1. Chọn mức thí nghiệm 49
2.5.1.2. Lập bảng tiến hành thực nghiệm 49
2 5 2 . K h ả o sá t hiệu suất thu h ồi p h ụ th uộc vào p H m ẫ u


3.3.2.4. Tim điều kiện tối ưu cho thí nghiệm

59
3.4. Kết quả khảo sát hiệu suất thu hồi sau khi có các điều kiện
tối u n 59
3.5. Áp dụng phân tích một số mẫu thực t ế

61
PHẨN IV : KẾT LUẬN 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO
63
PHẦN PHỤ LỤC 68
/77
M Ở Đ Ầ U
Nước là loại tài nguyên phổ biến nhất trên trái đất. Nước tạo nên các đại
dương, biển, sông, hồ và che phủ khoảng 71 % diện tích bề mặt trái đất (361
triệu km3). Trữ lượng nước được ước tính khoảng 1,5 tỷ km3, trong đó nước
ngọt chỉ chiếm 28,25 triệu km3 (1,88 % thủy quyển) và lượng nước có thể sử
dụng được chỉ chiếm 4,2 triệu knr (0,28 % thủy quyển). Nước đổng nghĩa với
sự sống. Nó là thành phần chính của các vật thể sống. Ớ động vật cao cấp
nước chiếm từ 60 - 70 % trọng lượng cơ thể, còn trong một số loài sinh vật
biển thì lượng nước lên tới 90 %. Nước tham gia vào thành phần sinh quyển và
điều hòa các vếu tố của khí hậu, đất đai, sinh vật thông qua chu trình vận
động của nó. Đối với con người, nước không chỉ là thành phần quan trọnơ của
cơ thể mà còn rất cần thiết cho việc thỏa mãn những nhu cầu đa dạng của con
nơười trons sinh hoạt, rưới tiêu cho nông nghiệp, dùng cho sản xuất công
nghiệp, tạo ra điện năng và các danh thắng
Cùrm vói sụ phái triển của văn minh nhàn loại, nhu cầu về nước ngày
càng lón. Hiện tại, toàn bộ lượng nước sử dụng trong sinh hoạt, công nghiệp
và nôns nehiệp lên tới 250 m3/người/năm. Lượng nước công nghiệp, nông

trực tiếp từ nước bằng dietylete hoặc diclometan; cất lôi cuốn hơi
nước: kĩ thuật sục khí và bẫy lại; kĩ thuật sục khí tuần hoàn; chiết pha
rắn với các chất hấp phụ XAD - 2, XAD - 4, C6, Cg, C18 - Silica.
2 . Sử dụng các phương pháp để định tính và định lượng như : sắc ký lỏng
hiệu năng cao với detector quang (ƯV) và huỳnh quang (RF); sắc ký
khí với đetector ion hoá ngọn lửa (FID), Bắt giữ điện tử (ECD) và
khối phổ (MS); phăn tích dònơ chảy (FIA); trắc quang.
Trons khuôn khổ luận văn này, chúng tôi muốn nghiên cứu, xây dựng
một quv trình để xác định các clophenol trong nước bao gồm các bước sau :
nghiên cứu sử dụnơ kỹ thuật chiết pha rắn để tách và làm giàu các clophenol
trons nước và ứng dụng kỹ thuật sắc ký khí cột mao quản với detector ECD và
MS để định lượng chúng, đồng thời áp dụng để phân tích một số mẫu thực tế
tại một vài khu vực thuộc địa bàn Hà Nội. Tuy nhiên, do điều kiện hạn chế
của phòng thí nghiệm cứu nên chúng tôi chỉ tiến hành nghiên cứu với 8
clophenol bao gồm : 2 - clophenol ; 2,4 - diclophenol ; 2,6 - diclophenol ;
2,4,6 - triclophenol ; 2,4,5 - triclophenol ; 3,4 - diclophenol ; 2,3,4,6 -
tetraclophenol ; pentaclophenol.
P H Ầ N I : T Ổ N G Q U A N
1.1. G iới th iệ u v ể c á c d ẫ n x u â t c ó cỉo c ủ a p h e n o l
1.1.1. Khái niệm
Phenol là một dãy các hợp chất hóa học, châ't đại diện đầu tiên là
hydroxybenzen được Runge tìm thấy năm 1943 khi chưng cất phân đoạn nhựa
than đá. Vì mang tính axit nên họp chất này còn được gọi tên là axit cacbolic
hoặc axit phelic, và về sau để thể hiện nó với ancol, người ta gọi nó là "phen -
o r [1 ].
Các clophenol là các hợp chất hữu cơ được tạo thành bàng cách thav thế
một nhay nhiều neu yên tử hidro trong vòng thơm của phân tử phenol bằng các
nsuyèn tử clo.
^ *
Còns thức tổns quát là : C6H5„nCln-OH với n = 1 - 5.

l 2 - đophenol
2 - CP
128,56
174,9
9
2 2,4 - diclophenol
2.4 - DCP
163,00
210,0 45
2,6 - điđophenol
2.6 - DCP
163,00 219,0
68 - 69
- 2,4.6 - iriclophenol 2.4.6 - T,CP
197,45
246,0
69,5
5 2,4.5 - iriclophenol
2.4.5 - TjCP 197,45
thăn« hoa
68 - 70
6 3,4 - diclophenol 3.4 - DCP
163,56 253,5
68
2 ,3 6 - tetraclophenol
2,?,4,6 - T4CP
231,89
15 0 15
70
s penuclophenol PCP

chất 2à\ ổ nhiễm khác nhau có hai cho sức khỏe, nhất là khi các điều kiện
thuận lợi của phản ứng không được duy trì [
10
].
6
1.2.3. ứng dụng của các clophenol
Ngay từ đầu thập kỷ 30, các clophenol đã được tổng hợp trong công
nghiệp để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Trong công nghiệp sản xuất
thuốc báo vệ thực vật, diclophenol và triclophenol được sử dụng để sản xuất
các chất diệt cỏ nhóm phenoxi như 2,4 - D : 2,3,5 - T. Các tetraclophenol và
triclophenol được dùng làm thuốc diệt khuẩn, diệt tảo, động vật thân mềm,
diệt nấm mốc và tẩy uế, khử trùng. Pentaclophenol và các tetraclophenol được
sử dụns để tẩm tre, gỗ nhằm chống mối mọt và chống mốc. Ngoài ra, các
clophenol còn được sử dụng trong công nghiệp da, giầy, vải, sợi và làm chất
trung gian trong quá trình sản xuất thuốc nhuộm, thuốc chữa bệnh [14].
1.2.4. Thải loại vào mỏi trường
Các clophenol thái loại vào môi trường theo nhiều con đường khác
nhau: từ quá trình sản xuất công nghiệp, các hoạt động sản xuất nông nghiệp
đến sự chuyển hóa các chất trong tự nhiên. Nguồn thải các clophenol vào môi
trường chú yếu là các lĩnh vực : công nghiệp sản xuất các chất cao phân tử,
công nghiộp-nhuệrr. vải, gi Ẩy da, khai thác và e!'iế biến than, ehế-biếiĩ -ịể, -sản
xuất giấy Mặt khác, hoạt động sản xuất nông nghiệp cũng thải các
clophenol vào môi trường do sử dụng các loại thuốc bào vệ thực vật, đặc biệt
là các loại thuốc diệt cỏ Các loại thuốc diệt cỏ 2,4 - D và 2,3,5 - T trong môi
trường sẽ bị phân hủy như sau [2] :
2,4 - D 2,4 - diclopỉienoỉ
7
o - CH2 - COOH
OH
o

r
Loại nguồn nước
Tổng các phenol (mg/l)
1
Nước bề măt
0,01
9
A 0,001
n
r>
±5
r\
Chú thích : Cột A áp dụng đối với nước mặt có thể dùng làm nguồn
cấp nước sinh hoạt (nhưng phải qua quá trình xử lý theo quy định). Cột B áp
dụns đối với nước mặt dùng cho các mục đích khác (nước dùng cho nông
nghiệp và nuôi trổng thủy sàn có quy định riêng).
1.3.1. Độc hại của clophenol đối với động thực vật
Các clophenol có số nguyên từ clo khác nhau có mức độc hại khác nhau
đối với các loài độns thực vật. Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra lằng độ độc hại của
clophenol đối với các loài sinh vật tăng theo mức độ clo hóa vòng thơm và độc
tính của chúns cũng thay đổi rõ rệt theo pH của môi trường, ở pH thấp, các
clophenol duv trì ở dạng phân tử và dễ dàng đi qua màng tế bào. Khi pH tăng,
độc tính cùa các clophenol giảm rõ rệt, ảnh hưởng này đặc biệt quan trọng khi
9
số lượn s các nguyên tử clo có mặt trong vòng khác nhau vì liên quan đến pKa
của chất đó.
Độc tính của clopenol thay đổi phụ thuộc vào số lượng nguyên tử clo có
mặt trons vòng thơm. Các clophenol có ít nguyên tử clo gây ra những rối loạn,
còn các clophenol có nhiều nguyên tử clo sẽ ảnh hưởng tới quá trình phốt phát
hóa tronơ cơ thể sinh vật [10].

trọng lượng cơ thể (khoảng 15 g)[18]. Tuy nhiên, cũng có các nhà nghiên cứu
cho rằng chỉ 1 g cũng đủ gây chết người.
1.4. M ột s ô p h ư ơ n g p h á p c h iế t, tá c h làm g ià u c lo p h e n o l
1.4.1. Kỹ thuật sục khí và bẫy lại (Purge and trap) [19]
KM mgr
Ị • o • n
BẨy liíTp phu
ẲÌ
Bảy Innỉi
> r
C h
. o m u
cc
Hình 5 : Thiết bị sục khí và bẫy lại
Với kỹ thuật này, các chất hĩai cơ được chuyển từ pha lòns lên pha hơi
do khí sục qua mẫu dưới áp suất khí quyển. Hơi chất hữu cơ được cuốn theo
dòng khí đi tới b'áy hấp phụ và bị giữ lại tại đây. Sau khi quá trình sục khí và
hấp phụ hoàn thành, bẫy được gia nhiệt nhanh tới khoáng 180 sử dụng
dòng khí có tốc độ 20 - 60 ml/phút trong thời gian 4 phút để đấv các chất hữu
cơ hấp phụ trên bầy vào cột sác ký (có thể sử dụng thêm bẫy lạnh đê cô đặc
mầu trước khi đưa vào cột sắc ký). Giới hạn phát hiện của phương pháp phụ
thuộc vào hiệu suất của quá trình tách chất bằng kỹ thuật sục khí bảy lại và độ
nhạy của thiết bị phân tích sắc ký.
1.4.2. Kỹ thuật sục khí tuần hoàn (Closed - loop stripping
technique)[19]
Kỹ thuật sục khí tuần hoàn được giáo sư Grob giới thiệu lần đầu tiên
vào năm 1973 để xác định các chất hữu cơ dễ bay hơi trong nước, về bản
chất, phương pháp này có nguyên tắc giống như phương pháp sục khí và bẫy
lai.
12

[20],
13
các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, còn với họ phenol độ nhạy phát hiện khoảng
us/1.
* O'
1.4.3. Phương pháp chiết lỏng - lỏng
1 .4 .3 .1 . P h ư ơ n g p h á p c h iế t lỏ n g - lỏ n g trự c tiế p từ n ư ớ c
Theo quy trình chuẩn của Cơ quan bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) số 604
và 625, phenol và các dẫn xuất của chúng trong nước ngầm hoặc nước thải
được làm giàu bằng phương pháp chiết lỏng - lỏng trực tiếp với dung môi
diclometan. Sau đó, các hợp chất được định tính và định lượng bằng kỹ thuật
sắc ký khí với detector ion hóa ngọn lửa (FID) hoặc detector khối phổ (MS),
hoặc bằng kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu suất cao (HPLC) với đetector u v hoặc
huỳnh quang. Phương pháp này sử dụng chất nội chuẩn 2,4,6 - triclophenol -
nC6 với GC và 2,4 - dibromphenol với HPLC. Các phenolic đều được dẫn xuất
hóa dưới tác nhân anhidrit axetic thành dạng phenolaxetat. Độ thu hồi của
phương pháp từ 40 -89% và giới hạn phát hiện từ 1 - 10 ng/1 [9, 21].
Theo ISO - 8165 - 1, các phenol có thể được chiết trực tiếp từ pha nước
(không qua lọc) bằng cỉietylete, cô cạn, làm giàu và xử lý sạch qua cột
silicagel. Sau đó, chúng được định tính và định lượng bằng sắc ký khí với
detector FID hoặc FPD [22].
1.4.3.2. P hương phá p chưng cất
Phương pháp chưng cất là phương pháp nhanh, đơn giản, tốn ít dung
môi và có thể áp dụng phân tích đối với mẫu nước thải công nshiệp nhiều tạp
chất.
Theo phương pháp chimg cất, mẫu nước được điểu chỉnh tói pH = 1,5
thêm 25% NaCl, và tiến hành chưng cất trực tiếp, hứng phần ngưng, tiêm 1 ml
vào máy sắc ký lỏng hiệu suất cao HPLC. Khi nghiên cứu phương pháp này
với 5 clophenol cho thấy độ thu hổi từ 91,9 - 97,3%, độ lặp lại cao, và giới
hạn phát hiện từ 7 -1 6 Ị.ig/1 [23].

5. Sinh hàn
6. Bình hứng chất
7. Phễu xả
8. Khóa KI
9. Khóa K2
10 Khóa K3
Hình 7 : Cấu tạo máy cất đạm vi lượng Parnas - Wagner sứ dụng
để cất lỏng - lỏng lôi cuốn hơi nước
Qui trình cất lỏng - lỏng lôi cuốn hơi nước được tiến hành Iihư sau : Lấy
chính xác 100 ml nước đã được xử lý sơ bộ vào bình đựng nước 250 ml, axit
hóa bằng 2 ml axit H2S04 đặc tinh khiết. Đưa mẫu vào bình 4 của bộ chiết cất
lôi cuốn hơi nước. Dùng dung môi dietylete tráng bình định mức và đổ vào
bình 4, rồi tiến hành chiết, chưng cất. Phần cất được cô đuổi dung môi bằng
dòng khí N2 cho đến khi khô, rồi thêm chính xác 100 Ị.il dung môi dietylete.
Tiêm lul dung dịch này vào máy sắc ký khí với detector ECD để định tính và
định lượng chúng. Độ thu hổi của phương pháp này lớn hơn 70%, với độ lặp
lại cao và độ nhạy khoảng |ig/I.
1.4.4. Phương pháp chiết pha rắn (chiết lỏng - rắn)
1.4.4.1. N guyên tắc chung
Trons phươns pháp chiết pha rắn, các chất hấp phụ rắn, có diện tích bề
mật riêns lớn dược sử dụng để chiết, tách và làm giầu các hợp chất hữu cơ từ
pha nước. Theo phương pháp này, mẫu nước được điêu chỉnh tới pH thích họp,
được xử lý sơ bộ rổ ị được dội qua cột (cột được Iihồi chất hấp phụ rắn). Do ái
lực mạnh với pha tĩnh nên các chất hữu cơ bị giữ lại trên cột, và sau đó dùng
duns mói hữu cơ thích hợp để rửa giải thu chất phân tích.
Các chất hấp phụ rắn được sử dụng cho chiết pha rắn bao gồm : các
polyme. polvme đổng trùng hợp styren - divinylbenzen, polyme acryliceste,
tenax - GC. các pha liên kết C18, C8, C6, - Silica và thường được bán trên thị
trường dưới dạng hạt, cột nhồi rắn, dạng phim, dạng đĩa hay dạng màng.
Phương pháp chiết pha rắn thường được áp dụng đối với các chất khó

trons nước uốns hoặc nước thải công nghiệp được điểu chỉnh tới pH ~ 2,6,
bơm qua đĩa C18. được rửa giải bằng hỗn hợp axetonitril + nước + axit axetic,
được định lượng bằng HPLC với detector quang (ƯV) và huỳnh quang (RF).
Độ nhạy của phương pháp ~ 0,1 Ị.ig/1. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi thêm
NaCl vào mảu nước làm tăng độ phân cực của nước và do đó sẽ nâng cao được
độ thu hồi của pentaclophenol lên từ 87 - 90% [23,38],
17
Theo Goncharov v.v. và các cộng sự, lượng lớn mẫu nước được bơm
qua đĩa C1S để làm giàu tnrớc mỗi phép phAn tích. Các nhà nghiên cứu đã sử
dụng kỹ thuật sắc ký khí kết hợp với khối phổ (GC - MS) để phân tích. Giới
hạn phát hiện của phương pháp này là 1 - 10 ng/1 [26],
ĐTa C18 cũng đã được Bao M.L. và các cộng sự sử dụng để chiết và làm
giàu các phenol và dẫn xuất của phenol trong nước. Theo nghiên cứu này, mẫu
được axetyl hóa trực tiếp bằng anhydritaxetic thành các phenolaxetat, rồi được
chiết bằng đĩa c ,8 và được định lượng bằng phương pháp sắc ký khí sử dụng
detector khối phổ. Phương pháp này có độ chính xác và độ nhcỊy cao được
dùng để phàn tích các họp chất của phenol bao gồm : phenol, ankyl phenol,
phenol đã halogen hóa, nitrophenol trong nước máy, trong đất và các mẫu
nước sôna. Độ thu hổi của phương pháp lớn hon 80% và độ nhạy từ 2 -5 0 ng/1
[35].
Jitka Frebortava, Vera Tatarkovieova đã phân tích 7 clophenol trong
nước nồng thuộc danh mục các chất gây ô nhiễm môi trường lâu dài do EPA
đưa ra : 2 - clopenol (2 - CP) ; 4 - clo - 3 - metylphenol (4,3 - CMP) ; 2,6 -
uiciơpỉiciiul (2 6 - DC?) ; 2,4 - diciupncTioi (2,4 - DCF) ; 2,4,5 - iricỉopenoi
(2,4,5 - TCP) : 2,4,6 - triclophenol (2,4,6 -TCP) ; pentaclophenol (PCP). Các
tác giả đã nshièn cứu chiết pha rắn sử dụng pha liên kết C6, C
8,C|8 - Silica để
xem xét sự phụ thuộc của độ thu hồi vào thể tích dung môi rửa giải, pH mẫu
và thể tích mẫu để tìm chất hấp phụ tối ưu. Kết quả cho thấy Cjg- Silica là chất
hấp phụ đạt hiệu quả cao nhất trong số các chất được khảo sát [27],

Các clophenol sau khi rửa giải sẽ được giải chiết khỏi pha hữu cơ bằng dung
dịch NaOH ~ 0,2 N, rồi axit hóa tới pH ~ 2 và chiết lại bằng dietylete. Dịch
chiết được làm khô bằng Na2S04 khan, rồi cô cạn bằng dòng khí nitơ, thêm
dung môi n - hexan và bơm 1 Ị.IỈ vào máy sắc ký khí với detector ECD để định
lượng. Độ thu hồi của phương pháp từ 68 - 83% với độ nhạy phát hiện nhỏ
hơn 0,01 jag/ml [4].
19
1.4.4.5. Phương pháp vi chiết pha rắn
Để nâng cao hiệu suất thu hồi khi phân tích các phenol và đơn giản hóa
quy trình phân tích, Buchholz và cộng sự đã đề xuất phương pháp vi chiết pha
rắn (Solid - phase micro extration : SPME). Phương pháp này đựa trên cơ chế
lôi cuốn các hợp chất hĩĩu cơ từ pha nước hoặc pha khí lên sợi silica được phủ
các chất hấp phụ thích hợp như polyacrylate Các hợp chất hĩm cơ bám trên
sợi silica sẽ được đưa trực tiếp vào buồng hóa hơi của thiết bị sắc ký bằng một
bơm tiêm cài tiến.
Theo kỹ thuật này, khi pit tông rút ngược lên, sợi hấp phụ sẽ thụt vào
sâu trong kim đế tránh bị gẫy khi rút kim ra khỏi nắp đậy bình mẫu hoặc khi
bơm vào buồng hóa hơi của thiết bị sắc ký. Sợi silica dài 1 cm được phù một
lóp polvacrvlate dày 95 um. Bằng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu đã thừ
nshiệitt phân tích 1 I loại phenol khác nhau với giới hạn dưới là 0,8 Lig/1 đối
với phenol, và 0,01 ug/1 đối với 4 clo - 3 metyl phenol, tương ứne là các giá trị
cao nhất và thấp nhất trong giới hạn phát hiện của I 1 loại phenol đem thừ
nghiệm. Độ chính xác của phương pháp rất cao, với sai số lớn nhất khi xác
định pentaclophenol là 12%, còn các chất khác chỉ khoảng 4 - 59c [34],
1.5. M ột s ô p h ư ơ n g p h á p x á c đ ịn h c á c c lo p h e n o l tro n g
n ư ớ c
1.5.1. Xác định phenol và dẫn xuất bằng phương pháp trắc quang
Phương pháp này dựa vào phản ứng tạo hợp chất màu của phenol và các
dẫn xuất cùa phenol với thuốc thử 4-aminoantypiiin khi có mật kaliferoxianua
K3[Fe(CN)ó] hoặc amonipesunphat (NH4)2S2Og trong môi trường pH ~ 10. sàn

khoảng 0,1 ]Hg/ỉ.
Fiehn o. , Jeken M. đã sử dụng phươna, pháp sắc ký lỏng hiệu suất cao
với cột tách là cột pha đáo để xác định phenol và các dẫn xuất của phenol
21