báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học
cấp quản lý đề tài: Cấp viện

Tên đề tài:

Nghiên cứu ứng dụng
phơng pháp phân tích sắc ký khí
xác định nồng độ Benzen, Toluen, Xylen
trong không khí môi trờng lao động

Chủ nhiệm đề tài: CN. Nguyễn Thị Thanh Hải
Cơ quan chủ trì:

Viện y học lao động và vệ sinh môi trờng

Hà Nội - 2006

1


Đặt vấn đề
Vấn đề ô nhiễm môi trờng không khí đang ngày càng thu hút sự quan
tâm của các nhà nghiên cứu khoa học môi trờng trên thế giới. Trong đó, có rất
nhiều đề tài nghiên cứu tập trung vào khía cạnh quan trọng là ô nhiễm dung môi
hữu cơ nh benzen, toluen, xylen trong không khí. Sự ô nhiễm đó đợc xuất phát
từ rất nhiều nguồn: các ngành sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, phơng tiện
giao thông công cộng ô nhiễm này gây ra những tác hại rất lớn đối với môi
trờng và sức khoẻ con ngời.
Để xác định mức độ ô nhiễm dung môi hữu cơ nh benzen, toluen, xylen.
Một số phơng pháp phân tích đã và đang sử dụng là phơng pháp phát hiện
nhanh, phơng pháp trắc quang, phơng pháp sắc ký khí, phơng pháp sắc ký


Benzen

-Tên thơng mại: Polystream

- Công thức hoá học: C6H6

- Trọng lợng phân tử: 78,11

-Tỷ trọng (tại 150C, g/cm3): 0,8787

- Điểm nóng chảy: 5,50C

- Điểm sôi:

80,10C

- áp suất bay hơi: 75 mm Hg tại 20 0C

- Bão hoà trong không khí ở 250C: 120ppm
- Khả năng hoà tan trong nớc: 0,180g/100ml nớc ở 250C
Benzen là hợp chất không màu, dễ cháy (ngỡng thấp nhất là 1,2%;
ngỡng cao nhất là 7,8% ). Có mùi đặc trng của hydrocacbon thơm, ngỡng có
mùi trong nớc là 2,0 mg/l, trong không khí là 4,9 mg/m3. Trớc đây đợc sử
dụng rất nhiều trong công nghiệp, ngày nay benzen bị cấm không đợc sử dụng
nhng là sản phẩm đồng hành của dung môi hữu cơ khác nh toluen, xylen..
Hoà tan đợc với: ancol, clorofom, este, cacbon disunfua, aceton, tetraclorua,
dầu [1], [3].
Benzen xâm nhập chủ yếu qua đờng hô hấp, làm hoại tuỷ xơng mạnh, là
chất gây bệnh bạch cầu. Giống nh các chất gây ung th khác, không có mức


Xylen

- Tên thơng mại: Violet

- Công thức hoá học: C8H10

- Trọng lợng phân tử: 106,16

- Tỷ trọng ở 200C:

- Điểm sôi: 137-1400C

0,864 g/cm3

- áp suất bay hơi ở 200C: 6-16 mm Hg
Xylen là một hợp chất không màu, dễ cháy (1-7%) , có mùi đặc trng của
hydrocacbon thơm, vị ngọt, trong không khí ngỡng có mùi là 0,0045mg/l
(1ppm). Hoà tan đợc với: ancol, este và sử dụng rất nhiều trong công nghiệp.
Xylen là tác nhân làm suy yếu hệ thần kinh trung ơng, kích thích da và
các màng nhầy. Giống nh toluen, xylen không có biểu hiện gây hoại tuỷ xởng,
nhng ở liều cao có ảnh hởng độc lên gan và thận [1], [3], [8].
1.1.4. ô nhiễm benzen, toluen, xylen trong không khí môi trờng lao động.
Dung môi hữu cơ xuất phát từ rất nhiều nguồn: các ngành sản xuất công
nghiệp nh ngành sản xuất sơn, giầy da, hoá chất trừ sâu, giao thông công
cộng
ảnh hởng của giao thông công cộng góp phần rất lớn vào vấn đề ô nhiễm
môi trờng. Nồng độ toluen từ các phơng thiện giao thông tại một đờng hầm
của Los Angeles là 748ppm, (Altshuller et al. 1971; EPA 1981; Garcia et al.
1992).

mẫu hơi, khí các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong không khí nh:

6


1.2.1. Lấy mẫu khí bằng dụng cụ chứa:
Bơm trực tiếp không khí cần phân tích vào dụng cụ chứa nh: túi lấy mẫu,
gaz pipet. Phơng pháp này sử dụng đơn giản, thuận tiện, nhanh chóng. Lĩnh vực
ứng dụng của lấy mẫu bằng túi dùng cho các thiết bị có bộ phận bơm mẫu trực
tiếp [2], [3].

Hình 1.1:

Túi đựng khí

1.2.2.Lấy mẫu khí bằng phơng pháp hấp thụ ớt:
Đây là phơng pháp đợc sử dụng từ lâu với các ống hấp thụ đã cải tiến
nhiều. Các dung dịch hấp thụ đợc lựa chọn trên cơ sở khả năng hoà tan các chất
hữu cơ dễ bay hơi, để xử lý và thuận tiện cho việc phân tích mẫu. Phơng pháp
sử dụng ống hấp thụ bằng thuỷ tinh với thể tích 25ml hoặc 100ml có hoặc không
có màng xốp. Trong ống hấp thụ chứa một lợng dung dịch cho từng chất.
Không khí đợc hút qua với một thể tích và tốc độ phụ thuộc vào từng loại chất
cần phân tích và kỹ thuật tơng ứng.
Thể tích không khí cần lấy đợc tính theo công thức:
V = F.T
Trong đó:

F là tốc độ hút khí (lít/phút)
T là thời gian lấy mẫu (phút)


Sự hấp phụ chia thành 2 loại: hấp phụ vật lí và hấp phụ hoá học. Sự hấp
phụ hoá học luôn luôn bất thuận nghịch. Sự hấp phụ vật lí bao giờ cũng thuận
nghịch. Quá trình hấp phụ các dung môi hữu cơ trong không khí bằng than hoạt
tính là hấp phụ vật lí. Sự hấp phụ vật lí luôn kèm theo một quá trình ngợc lại là
quá trình phản hấp phụ
Sự hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó sự phụ thuôc của nó vào
nồng độ C (hay áp suất P) ở nhiệt độ không đổi là quan trong nhất.
= f (c)

hay = f (p)

Với là lợng chất bị hấp phụ, thờng đợc đặc trng bằng khối lợng
chất ấy, tính bằng mol/cm2 bề mặt. Khi bề mặt hấp phụ không đo đợc, lợng
chất bị hấp phụ quy về 1 gam vật hấp phụ và kí hiệu bằng . Sự phụ thuộc này
gọi là sự hấp phụ đẳng nhiệt
Khi nghiên cứu về sự hấp phụ khí trên vật rắn, Lăngmuya (Langmuir) đã
đa ra lý thuyết về sự hấp phụ lí học đơn phân tử (1913). Thuyết này dựa trên
một số giả thuyết:
- Sự hấp phụ là do lực hoá trị gây ra.
- Sự hấp phụ xảy ra trên các hoá trị tự do của các phân tử hay nguyên tử bề
mặt vật hấp phụ.
-Vì bán kính tác dụng của lực hấp phụ bé, nên mỗi hoá trị tự do chỉ hấp
phụ một phân tử, cuối cùng trên bề mặt vật hấp phụ hình thành một lớp hấp phụ
đơn phân tử.
9


- Phân tử chất bị hấp phụ chỉ bị giữ lại trên bề mặt vật hấp phụ một thời
gian nhất định, sau đó do sự thăng giáng của năng lợng, phân tử bị rứt ra. Tại vị
trí cũ lại hấp phụ một phân tử mới. Khi trong một đơn vị thời gian, số phân tử bị

toluen, xylen bằng phơng pháp so màu, dựa trên nguyên tắc tạo phức màu bằng
phản ứng với I2O5 trong môi trờng axít, với benzen tạo phức màu xanh nâu,
toluen tạo phức màu nâu.
- Đối với phơng pháp so màu bằng mắt thờng, sau khi ổn định màu, ống
dung dịch phân tích đợc đem so sánh với ống dung dịch chất chuẩn bằng mắt
thờng. Phơng pháp này có u điểm là rẻ tiền, không phải mua trang thiết bị
nh phơng pháp trắc quang, nhng sai số lớn.
- Phơng pháp đo bằng quang kế (phơng pháp trắc quang) dựa vào việc
đo cờng độ dòng sáng còn lại sau khi đi qua dung dịch bị chất phân tích hấp thụ
một phần. Để đo cờng độ dòng sáng ngời ta dùng máy có tế bào quang điện
hay tế bào nhân quang. Với mỗi phức màu khác nhau thì tơng ứng với một bớc
sóng nhất định.
- Phơng pháp phát hiện nhanh là bơm trực tiếp không khí có chất cần
phân tích vào ống có chứa chất chỉ thị màu, màu sinh ra đem so sánh với thang
mẫu nhân tạo. Phơng pháp này đơn giản, dễ triển khai, rẻ tiền, nhng không
xác định đợc lợng vết, độ nhạy, độ chính xác không cao.
Trong các phơng pháp trên đây, phơng pháp trắc quang có độ nhạy, độ
chính xác cao hơn phơng pháp so màu bằng mắt thờng và phơng pháp phát
hiện nhanh. Các phơng pháp trên đã từng đợc dùng với u điểm đơn giản, đầu
t ban đầu nhỏ. Tuy vậy, các phơng pháp này có nhợc điểm là tính đặc trng
không cao, luôn bị ảnh hởng của các tạp chất khác trong dung dịch mẫu phân
tích, đặc biệt là không thể thực hiện đợc việc xác định đồng thời hỗn hợp
benzen, toluen, xylen trong cùng một dung dịch mà đối với mỗi chất phải thực
hiện một quy trình lấy và phân tích mẫu với các hoá chất khác nhau. Việc loại bỏ
các ảnh hởng tạp chất cũng không đơn giản và không phải lúc nào cũng cho kết
quả tốt. Do đó quy trình phân tích phức tạp, sai số lớn và thờng không ổn định,
nhất là các mẫu phức tạp nh mẫu môi trờng. Vì vậy, việc ứng dụng phơng
pháp sắc ký khí và sắc ký khí khối phổ trong phân tích nồng độ benzen, toluen,
xylen đã giải quyết đợc những vấn đề khó khăn trên[2], [7].
11


1.3.4.1.Nguyên tắc hoạt động của thiết bị sắc ký khí:
Trong thiết bị sắc ký khí, hai bộ phận quan trọng nhất là cột tách và
detectơ. Nhờ khí mang chứa trong bom khí hoặc máy phát khí, mẫu từ buồng
bay hơi đợc dẫn vào cột tách nằm trong buồng điều nhiệt và quá trình tách chất
xảy ra ở đây. Do ái lực khác nhau của các chất phân tích với pha tĩnh mà chúng
ra khỏi cột tách vào các thời điểm khác nhau. Các cấu tử tiếp tục đi vào detectơ,
tại đó tín hiệu không điện của các chất đợc chuyển thành tín hiệu điện. Các tín
hiệu này đợc khuyếch đại rồi chuyển sang bộ phận ghi, máy ghi tích phân hoặc
máy tính, các số liệu đợc xử lý rồi chuyển sang bộ phận in kết quả.
T liệu của một quá trình sắc ký là sắc đồ. Mỗi píc trên sắc đồ ứng với
một cấu tử nhất định của hỗn hợp tách. Diện tích píc hay chiều cao píc sử dụng
để định lợng, còn thời gian lu là yếu tố để định tính các chất cần phân tích.
1.3.4.2.Kỹ thuật làm việc của hệ thống sắc ký khí:
- Khí mang:
Các khí mang thờng đợc sử dụng trong sắc ký khí gồm heli, nitơ, hydro,
argon. Việc lựa chọn khí mang phụ thuộc vào chất cần phân tích, điều kiện phân
tích và loại detectơ sử dụng. Nitơ là loại khí mang hay đợc sử dụng do có độ
nhớt tơng đối thấp, giá thành rẻ và không nguy hiểm. Khí nitơ có thể sử dụng
với nhiều loại detectơ nh: FID; TCD; ECDViệc chọn khí mang phải đảm bảo
các yêu cầu sau:
Đảm bảo tính khuyếch tán cần thiết quyết định hiệu suất cột.
Có độ tinh khiết cao và phù hợp với độ nhạy cần thiết và nguyên lý
hoạt động của detectơ .
Trơ với pha tĩnh lỏng cũng nh chất phân tích và vật liệu làm cột.
Có khả năng hấp phụ vào pha tĩnh càng nhỏ càng tốt.
Dễ sử dụng và giá thành rẻ.
- Cột tách:
13



Trong đó: Với Cs ,Cm đặc trng cho sự cản trở đối với quá trình vận
chuyển chất từ pha động sang pha tĩnh và ngợc lại.
- Detectơ:
Detectơ có nhiệm vụ chuyển hoá một đại lợng không điện (trong trờng
hợp này là nồng độ các chất đợc tách khỏi cột sắc ký) thành đại lợng có điện.
Tuỳ thuộc vào đối tợng phân tích mà ngời ta sử dụng các detectơ khác nhau.
Các detectơ thờng dùng hiện nay là: dẫn nhiệt (TCD) áp dụng cho tất cả các
chất không làm hỏng dây nung, ion hoá ngọn lửa (Flame ionization detector FID) là detectơ vạn năng cho tất cả các chất có nhóm CH2, bắt giữ điện tử
(Electron capture detector - ECD) - áp dụng đối với các chất có ái lực điện tử cao
nhất là hợp chất cơ clo, thuốc trừ sâu, .Trong nghiên cứu này đối tợng phân
tích là benzen, toluen, xylen nên detectơ đợc chọn là FID.
Khái quát về detectơ FID
Detectơ FID là một trong những detectơ có độ nhạy cao. Nguyên tắc làm
việc của nó dựa trên sự biến đổi độ dẫn điện của ngọn lửa hydrô đặt trong một
điện trờng khi có chất hữu cơ cần tách chuyển qua. Nhờ nhiệt độ cao của ngọn
lửa hydrô, các chất hữu cơ từ cột tách đi vào detectơ bị bẻ gẫy mạch, bị ion hoá
nhờ ôxy của không khí để tạo thành ion trái dấu tơng ứng. Cơ chế hình thành
ion trong trờng hợp benzen nh sau:
C6H6

+ O

6 CH + 3O

6 CH
6 CHO+

+ 6e


2.1. Đối tợng nghiên cứu
- Benzen, toluen, xylen trong không khí môi trờng lao động
2.2. Phơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng quy trình phân tích nồng độ benzen, toluen, xylen
bằng phơng pháp sắc ký khí trong không khí môi trờng lao động theo phơng
pháp số 1501 của NIOSH Mỹ với các bớc dới đây:
2.2.1. Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm
Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm xác định các điều kiện tối u của
máy sắc ký khí để phân tích nồng độ benzen, toluen, xylen trong không khí môi
trờng lao động. Thiết bị và các bớc tiến hành nh sau:
2.2.1.1. Hoá chất và thiết bi
Hoá chất
- Axít HCl, dung môi n-hexan, aceton, cacbon disunfua, dung dịch chuẩn:
toluen, benzen, xylen, khí heli tất cả đều tinh khiết phân tích.
Thiết bị
Thiết bị lấy mẫu không khí
- ống than hoạt tính ( Shibata Nhật Bản), máy lấy mẫu (SKC Mỹ).
Thiết bị phân tích mẫu
- Máy sắc ký khí với detectơ FID
- Kim bơm mẫu Hamilton
- Dụng cụ thuỷ tinh, pipet bán tự động.
Tất cả các dụng cụ thuỷ tinh đều đợc làm sạch bằng cách ngâm trong
dung dịch rửa (kalibicromat và axít sunfuric đặc) khoảng 24giờ. Sau đó rửa bằng
nớc nóng, rồi tráng lại bằng nớc cất 2 lần, đem sấy ở 1500C cho tới khô.

17


2.2.1.2. Các bớc tiến hành
- Lấy mẫu không khí:

3.1.1.1. Khí mang:
Qua tham khảo các tài liệu [6],[14] và điều kiện thực tế tại phòng thí
nghiệm chúng tôi lựa chọn khí mang là khí He với các u điểm sau:
- Độ nhớt thấp
- Sử dụng an toàn và giá thành vừa phải
- Dễ mua ở Việt Nam
3.1.1.2. Nhiệt độ detectơ và injectơ:
Dựa vào tính chất và đặc điểm của detecto FID: nhạy với hydro cacbon no
cũng nh không no, thu đợc tín hiệu rất rõ ràng, ổn định, giới hạn phát hiện (~
50ppb), nhiệt độ làm việc đạt xấp xỉ 4000C. Đồng thời dựa vào tính chất của các
chất phân tích cũng nh tham khảo một số nghiên cứu [6], [9], [14], [15]. Chúng
tôi lựa chọn nh sau:
- Nhiệt độ detectơ: 2500C
- Nhiệt độ injectơ: 2300C
3.1.1.3. Khảo sát chơng trình nhiệt độ cho cột tách:
Điều kiện nhiệt độ của cột tách có ảnh hởng rất lớn đến độ phân giải và
thời gian lu của chất cần phân tích. Trên thực tế có hai cách điều khiển nhiệt độ
cột tách đó là đẳng nhiệt và chơng trình nhiệt độ. Do vậy, chúng tôi khảo sát cả
hai trờng hợp trên để lựa chọn ra điều kiện tối u nhất cho cột tách.
Điều kiện tại phòng thí nghiệm có cột tách với thông số kỹ thuật là: cột
RTX-5, chiều dài 20m, đờng kính trong 0,25mm, bề dày pha tĩnh 0,25 àm. với
detectơ FID. Chúng tôi tiến hành khảo sát nh sau:

19


- Chơng trình đẳng nhiệt: tại các nhiệt độ 380C, 500C, 1000C, 1500C. Kết quả
khảo sát đợc chỉ ra ở bảng 3.1
Bảng 3.1: Thời gian lu (phút) của benzen, toluen, xylen tại mỗi nhiệt độ (n=3)
Hợp chất

- Chơng trình nhiệt độ: khảo sát tại các chơng trình nhiệt độ sau:
Chơng trình 1: 380C giữ 1 phút, tăng 200C/ phút đến 2100C và giữ 1 phút
Chơng trình 2: 500C giữ 1 phút, tăng 200C/ phút đến 2000C
Chơng trình 3: 500C giữ 3 phút, tăng 150C/ phút đến 2000C
Kết quả khảo sát chỉ ra ở bảng 3.2 sau:
Bảng 3.2:Thời gian lu của benzen, toluen, xylen tại chơng trình nhiệt độ (n=3)
Hợp chất

Chơng trình 1 Chơng trình 2 Chơng trình 3
Thời gian lu (phút)

Benzen

0,82

0,66

0,66

Toluen

1,32

0,87

0,98

Xylen

2,06


0,25 àm.

Nhiệt độ buồng bơm mẫu: 2300C
Nhiệt độ detectơ FID:
+ Khí mang He với tốc độ dòng:

2500C
53 ml/phút.

+ Chơng trình nhiệt độ cho cột tách: Nhiệt độ đầu 380C(giữ 1 phút), tăng
200C/ phút tới 2100C(giữ 1 phút).
Tổng thời gian cho chơng trình phân tích: 10,6 phút
3.1.2. Xác định thời gian lu, khoảng tuyến tính của benzen, toluen, xylen
trên máy sắc ký khí GC-FID.
3.1.2.1. Xác định thời gian lu của benzen, toluen, xylen
Sau khi xác định đợc điều kiện làm việc tối u cho quá trình phân tích
của hệ thống sắc ký khí với detectơ FID, chúng tôi tiến hành đo các mẫu chuẩn
của từng dung môi ở các mức nồng độ khác nhau để xác định thời gian lu. Kết
quả đợc trình bày ở bảng sau:
Bảng 3.3:
Chất phân tích

Thời gian lu của benzen, toluen, xylen (n=3)
Thời gian lu (phút)
Nồng độ 1
Nồng độ 2

Benzen



Channel 1
Analog L9

26000000
24000000
22000000
20000000
18000000

Counts

16000000
14000000
12000000
10000000
8000000
6000000

Benzen
RT:0.82

4000000
2000000

Toluen
RT: 1.32

RT: 0.82
AA: 931282

RT: 0.81
RT:
0.82
AA: 66464892

60000000

NL:
6.21E7

RT: 1.32
AA: 83186727

Channel 1
Analog
ddMe

55000000
50000000
45000000

C
ounts

40000000
35000000

Xylen
RT: 2.06


0.8

1.0

1.2
1.4
Time (min)

2.0

H×nh 3.1: S¾c ký ®å biÓu diÔn thêi gian l−u cña benzen, toluen, xylen
22


3.1.2.2. Khảo sát khoảng tuyến tính:
Để xác định khoảng tuyến tính của benzen, toluen, xylen, chúng tôi pha
một dãy mẫu chuẩn có nồng độ từ 0,17ppm 10537,44ppm. Phân tích với điều
kiện tối u đã đợc khảo sát. Kết quả khảo sát đợc thể hiện ở bảng 3.4, bảng
3.5, bảng 3.6.
Khoảng tuyến tính đợc áp dụng cho benzen là 0,18 ữ 10537,44 àg/mẫu
phân tích (1mldung dịch) đợc biểu diễn trên hình 3.2 và đặc trng bởi phơng
trình:
y

= 13393x + 8489

Với y -

diện tích píc (số đếm)



Cv = 4,80%
Xem sắc ký đồ ở phần phụ lục từ hình 1 đến hình 11

23


B¶ng 3.4: Kh¶o s¸t kho¶ng tuyÕn tÝnh cña benzen
DiÖn tÝch pÝc (sè ®Õm)

Nång ®é
(ppm)

0,18

0,88

8,78

35,12

105,37

351,25

878,12

1317,18

4390,60


20357

49678

259597

587246

1394432

4294298

11291328

15978642

59876243

108576894

125649854

LÇn ®o 3

20648

50874

262357


11597678

16792168

61276579

118978579

147875677

LÇn ®o 5

22798

51246

269235

604924

1449478

4428367

11527634

17059677

62679248


1351,22

1008,54

6363,20

7483,32

27588,33

59572,27

122819,77

456477,94

1005906,36

8292167,91

10893943,30

0,06

0,02

0,02

0,01

120000000
100000000
80000000
60000000
40000000
20000000
0
0

2000

4000
6000
8000
Nång ®é mÉu chuÈn (ppm)

10000

12000

H×nh 3.2: §å thÞ biÓu diÔn kho¶ng tuyÕn tÝnh cña benzen

25