Nghiên cứu và khảo sát các điều kiện tối ưu chế tạo cột khử cadimi trong phân tích nitrat

Khóa luận Tốt Nghiệp

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 1


Khóa luận Tốt Nghiệp

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nitrat là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng sản phẩm
cũng như nguồn nước. Nitrat đi vào cơ thể con người là một chất tiền ung thư, làm hạ
đường huyết, gây xẩy thai, quái thai ở phụ nữ có mang cũng như bệnh xanh da ở trẻ em.
Đối với môi trường nước, nitrat là một trong những yếu tố gây ra hiện tượng phú dưỡng
làm ảnh hưởng và đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái trong mơi trường.
Hiện nay, đã có rất nhiều phương pháp định lượng nitrat như trắc quang, điện
hóa và sắc ký. Đặc biệt là ở các phịng thí nghiệm đơn giản thì trắc quang là một trong
những phương pháp chủ đạo.
Trong bộ mơn thực hành phân tích mơi trường tại trường Đại Học Sư Phạm Đà
Nẵng, chúng tôi gặp rất nhiều khó khăn trong việc xác định hàm lượng nitrat trong mẫu
nước. Phương pháp trắc quang với thuốc thử axit phenol disunfonic cũng như thuốc thử
natri salixylat bị cản trở bởi nhiều yếu tố ảnh hưởng như ion NO2-, Cl-, Ca2+, Mg2+...nên
việc phân tích đạt độ chính xác khơng cao.
Phương pháp chuẩn trên thế giới hiện nay trong việc xác định nitrat như ASTM
3867 – 99 và Standard Methods for the Examination of water and wastewater 4500 – NO3-.
Các phương pháp này kết hợp sử dụng cột khử Cd cùng với máy quang trắc UV-VIS có thể
cho hiệu suất phân tích trên 91±1% và khơng có nhiều các yếu tố ảnh hưởng. Vì vậy,
chúng đáp ứng yêu cầu cho các mẫu có hàm lượng nitrat thấp từ 0.01 đến 1 mg NO3-/l.
Để hiểu rõ hơn nguyên tắc làm việc của cột khử Cd và khảo sát các điều kiện tối
ưu cho quy trình phần tích thực tế, chúng tơi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu và khảo sát các

điều kiện tối ưu chế tạo cột khử Cadimi trong phân tích nitrat” dưới sự hướng dẫn của
ThS. Phạm Thị Hà.

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 2


Khóa luận Tốt Nghiệp

2. NỘI DUNG ĐỀ TÀI
-

Xử lý hạt Cadimi và nhồi cột khử Cd-Cu.

-

Khảo sát các điều kiện tối ưu xác định cột khử.

-

Đánh giá hiệu suất thu hồi q trình phân tích.

-

Đánh giá sai số thơng kê của phương pháp.

-

Áp dụng quy trình phân tích để xác định hàm lượng nitrat trong một số sản phẩm

sữa trên thị trường.

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 3


Khóa luận Tốt Nghiệp

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về nitrat
1.1.1. Sự tồn tại của nitrat
1.1.1.1. Nitrat trong đất
Toàn bộ nitơ trong chu trình nitơ sinh học diễn ra chủ yếu qua hoạt động cố định
đạm của các vi khuẩn sống trong cây, các tảo lục và các vi khuẩn cộng sinh trong rễ của
một số lồi thực vật (ví dụ Rhizobium có ở trong nốt sần của rễ một số lồi họ đậu). Những
sinh vật này có khả năng chuyển hóa N2 thành NH4+, mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ dịng nitơ
trên tồn cầu, q trình cố định đạm là nguồn cung cấp nitơ cao nhất cho cả 2 nơi sống ở
cạn và ở nước. NH4+ chỉ được các thực vật sử dụng hạn chế, hầu hết nitơ được tích luỹ
dưới dạng NO3-.
Thường thì lượng nitrat này khơng đủ để tạo dưỡng dưỡng chất nuôi lớn cây
trồng, nên người ta phải bón phân chứa nitrat thêm cho đất . Tuy nhiên, lượng nitrat trong
đất khơng ổn định, nó phụ thuộc vào chu trình sinh trưởng của cây xanh. Nếu cây xanh cần
nhiều nitrat thì lượng nitrat tích tụ trong đất ít và ngược lại.
1.1.1.2. Nitrat trong nước
Nitrat phân bố trong nước không đều nhau. Do tác động của quá trình nitrat hóa
trong nước khiến cho hàm lượng nitrat bên trên có hàm lượng cao hơn có khi tới vài chục

mg/l. Trong khi đó lớp nước ở tầng trong và sâu hơn thì hàm lượng nitrat lại rất nhỏ, có khi
chỉ vài mười hay vài chục mg/l.
Nitơ có trong nước thải dưới 4 hình thức khác nhau:
 Nitơ hữu cơ (amino acids, proteins, purines, pyrimidines và nucleic acids)
 Ammoniac
 Nitrit
 Nitrat
Trong một mẫu nước thải chưa xử lý, phần lớn thường là amôniac và các nitơ
hữu cơ, các chất này bị ơxy hố thành nitrit và sau đó là nitrat trong mơi trường.
Việc sử dụng phân bón chứa nitơ q mức, việc xử lý kém hay không hiệu quả
các chất thải vào môi trường đã làm cho môi trường nước ngày càng bị ơ nhiễm nặng. Vì
vậy, nitrat là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng môi trường nước.
SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 4


Khóa luận Tốt Nghiệp

Khi bón phân đạm cho cây trồng sẽ có một lượng nhỏ tích tụ trong đất và tan
vào trong nước ngầm. Vì vậy, khơng chỉ trong nước thải mà cả trong nước ngầm cũng có
thể có nitrat.
1.1.1.3. Nitrat trong sản phẩm từ động vật
Các sản phẩm từ thịt tham gia vào quá trình lên men tạo ra H2S, NH3. Các chất
này không những gây biến đổi thực phẩm mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Trong thịt, nitrit làm chậm quá trình phát triển của botulinal toxin, độc tố làm
hư thịt, làm gia tăng màu sắc và hương vị của thịt ướp, làm chậm quá trình ôi, trở mùi, mất
mùi của sản phẩm thịt. Các muối nitrit sodium hay potassium, hay nitrat sodium,
potassium thường được sử dụng để xử lý, ướp thịt làm jambon, xúc xích... Các chất này tỏ
ra rất hữu hiệu trong việc ngăn cản sự phát triển hoặc để diệt vi khuẩn, đặc biệt là

khuẩn clostridium botulinum trong đồ hộp .
Trong quá trình ướp, một chuỗi phản xảy ra biến nitrat thành nitrit, rồi thành
oxid nitric. Nito oxit kết hợp với myoglobin (chất màu làm cho thịt khơng ướp có màu đỏ
tự nhiên) làm thành nitric oxid myoglobin, có màu đỏ sậm (như màu lạp xưởng). Màu đỏ
sậm này sẽ biến thành màu hồng nhạt đặc trưng khi gia nhiệt trong quá trình chế biến hay
xơng khói thịt.
Cơ chế tạo màu đỏ của thịt khi có mặt của nitrite, nitrate:
KNO3

 KNO2

Trong mơi trường pH thấp:
KNO2  HNO2
HNO2  NO
Nito oxit kết hợp với myoglobin tạo sản phẩm có màu đỏ sẫm
NO + myoglobin  Nomyoglobin (màu đỏ sẫm)
1.1.1.4. Nitrat trong thực vật
Trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, nitơ là một trong những
yếu tố dinh dưỡng cơ bản cần thiết. Trong quá trình trồng rau quả, người trồng sử dụng
phân đạm bón cho cây nhằm mục đích kích thích sự phát triển của cây. Khi cung cấp
không đủ hàm lượng nitơ cần thiết, quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng sẽ bị
hạn chế hoặc ngưng hoàn toàn.
SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 5


Khóa luận Tốt Nghiệp

Q trình trao đổi nitơ xảy ra trong toàn bộ đời sống cây trồng nhưng thay đổi

tùy thuộc vào từng giai đoạn sinh trưởng và phát triển khác nhau. Trong điều kiện dinh
dưỡng nitơ tối ưu, tốc độ sinh trưởng của cây trồng được thúc đẩy nhanh hơn và q trình
hóa già có thể chậm lại. Khi lượng NO3- trong cây thiếu hụt, nó sẽ được đáp ứng bằng cách
oxy hóa NH3. Đây là q trình nitrat hóa. Q trình này xảy ra mạnh trong điều kiện ẩm độ
của đất đạt 60-70%, nhiệt độ từ 25-30oC và pH = 6,2-9,2.
Các chất hữu cơ và vô cơ chứa đạm dưới nhiều dạng khác nhau, tùy theo dạng
đạm, chúng được chia thành các dạng NO3-, NO2-, NH4+ ... Một số cây trồng có khả năng
tích lũy một lượng lớn NH3 trong suốt giai đoạn sinh trưởng của nó mà khơng gây hại cho
cây. Các kết quả phân tích cho thấy có sự liên quan giữa năng suất thu hoạch và hàm lượng
nitrat (lượng đạm bón càng cao thì năng suất cây trồng cũng tăng cao) nhưng lại tích lũy
một lượng thừa nitrat trong nơng phẩm
Khi bón phân cho cây, các loại phân đạm được sử dụng sẽ bị các vi khuẩn trong
đất chuyển hoá thành NH4+ và NO3- để cho cây hấp thụ. Nitrat và amoni một phần chủ yếu
được cây hấp thụ, một phần giải phóng ra ngồi khí quyển dưới dạng N2, NH3 và phần cịn
lại tích tụ trong đất và tan trong nước ngầm.
1.1.2. Nitrat và sự phú dưỡng
Phú dưỡng là hiện tượng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn
nước thải. Biểu hiện phú dưỡng của các hồ đô thị là nồng độ chất dinh dưỡng N, P cao, tỷ
lệ P/N cao do sự tích luỹ tương đối P so với N, sự yếm khí và mơi trường khử của lớp nước
đáy thuỷ vực, sự phát triển mạnh mẽ của tảo và nở hoa tảo, sự kém đa dạng của các sinh
vật nước, đặc biệt là cá, nước có màu xanh đen hoặc đen, có mùi khai thối do thốt khí H2S
v.v...
Nguyên nhân gây phú dưỡng là sự thâm nhập một lượng lớn N, P từ nước thải
sinh hoạt của các khu dân cư, sự đóng kín và thiếu đầu ra của môi trường hồ. Sự phú
dưỡng nước hồ đô thị và các sông kênh dẫn nước thải gần các thành phố lớn đã trở thành
hiện tượng phổ biến ở hầu hết các nước trên thế giới. Hiện tượng phú dưỡng hồ đơ thị và
kênh thốt nước thải tác động tiêu cực tới hoạt động văn hố của dân cư đơ thị, làm biến
đổi hệ sinh thái nước hồ, tăng thêm mức độ ơ nhiễm khơng khí của đơ thị.

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 6


Khóa luận Tốt Nghiệp

1.1.3. Độc tính của nitrat đối với sức khỏe con người
Trong các cây lương thực như lúa mì, ngơ, đậu xanh thì hàm lượng nitrat thấp.
Cịn trong các loại rau ăn, nhất là bắp cải, súp lơ có hàm lượng nitrat cao.
Hàm lượng nitrat trong lương thực, rau quả liên quan chặt chẽ tới lượng phân
đạm sử dụng. Nếu bón phân vừa đủ, cây cối phát triển tốt và lượng nitrat dư thừa trong đất
cịn rất ít, khơng đáng kể. Nếu bón phân vượt q lượng đạm cần thiết thì lượng nitrat dư
thừa trong đất tăng lên. Lượng nitrat dư thừa này sẽ đi vào các nguồn nước mặt, nước
ngầm gây ô nhiễm, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người. NO3- khi vào cơ thể người
tham gia phản ứng khử ở dạ dày và đường ruột do tác dụng của các men tiêu hoá sinh ra
NO2-. Nitrit sinh ra phản ứng với Hemoglobin tạo thành methaemoglobinemia làm mất khả
năng vận chuyển oxi của Hemoglobin.
Thông thường Hemoglobin chứa Fe2+ , ion này có khả năng liên kết với oxi. Khi
có mặt NO2- nó sẽ oxi hố Fe2+ thành Fe3+ làm cho hồng cầu không làm được nhiệm vụ
chuyển tải O2. Nếu duy trì lâu sẽ dẫn tới tử vong.
4HbFe2+(O2) + 4NO2- + 2H2O  2HbFe3+ + OH- + 4NO3- + O2
Sự tạo thành methaemoglobinemia đặc biệt thấy rõ ở trẻ em. Trẻ em mắc chứng
bệnh này thường xanh xao ( bệnh Blue baby ) và dễ bị đe doạ đến cuộc sống đặc biệt là trẻ
dưới 6 tháng tuổi.
Ngoài ra, NO2- trong cơ thể dễ tác động với các amin tạo thành nitrosaminemột hợp chất tiền ung thư. Các hợp chất nitroso được tạo thành từ amin bậc hai và axit
nitrơ ( HNO2) có thể trở nên bền vững hơn nhờ tách loại proton để trở thành nitrosamine.

Các amin bậc ba trong môi trường axit yếu ở pH = 3- 6 với sự có mặt của ion
nitrit chúng dễ dàng phân huỷ thành anđehit và amin bậc hai. Sau đó amin bậc hai tiếp tục
chuyển thành nitrosamin:

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 7


Khóa luận Tốt Nghiệp

Các amin bậc hai thường xuất hiện trong quá trình nấu rán thực phẩm giàu
protein hay quá trình lên men. Nitrit có trong rau quả vào khoảng 0,05 - 2 mg/kg. Khi dùng
thực phẩm hay nguồn nước chứa hàm lượng nitrit vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ngộ
độc, ở liều lượng cao có thể gây chết người.
Vì vậy những thực phẩm và các nguồn nước có chứa nitrat và nitrit cao cần phải
loại bỏ và việc xác định hàm lượng nitrat của chúng có ý nghĩa rất quan trọng trong việc
đánh giá chất lượng nước, chất lượng nông sản và rau quả.
Bảng 1.1. Hàm lượng Nitrat cho phép trong một số loại rau quả tươi theo tiêu chuẩn
của tổ chức Y Tế Thế Giới (WHO)

Loại sản phẩm

Hàm lượng (mg/kg)

Loại sản phẩm

Hàm lượng (mg/kg)

Dưa hấu

60

Hành tây

80

Dưa bở

90

Cà chua

150

Ớt ngọt

200

Dưa chuột

150

Măng tây

200

Khoai tây

250

Đậu quả

200

Cà rốt

250

Ngô rau

300

Hành lá

400

Cải bắp

500

Bầu bí

400

Su hào

500

Cà tím

400

Su lơ

500

Xà lách

1500

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 8


Khóa luận Tốt Nghiệp

Bảng 1. 2. Quyết định của Bộ Trưởng Bộ Y Tế về “ Danh mục tiêu chuẩn vệ sinh đối
với lương thực, thực phẩm “. Số 867/1998/QĐ-BYT

STT

Chỉ số
quốc tế

Tên phụ
gia

Tên thực phẩm

Giới hạn tối đa cho phép

có dùng phụ gia

trong thực phẩm

Thịt hộp, thịt
1

252

nguội, lạp

Kali nitrat

xưởng, jambon
Thịt hộp, thịt

2

249

nguội, lạp

Kali nitrit

500mg/kg, dùng một mình hay
kết hợp với Natri nitrat
125mg/kg, dùng một mình hay
kết hợp với Kali nitrit

xưởng, jambon

Thịt hộp, thịt
3

250

nguội, lạp

Natri nitrit

xưởng, jambon
Thịt hộp, thịt
4

251

nguội, lạp

Natri nitrat

xưởng, jambon

125mg/kg, dùng một mình hay
kết hợp với Kali nitrit
500mg/kg, dùng một mình hay
kết hợp với Kali nitrat

Theo đánh giá của tổ chức y tế thế giới WHO thì hàm lượng NO3- trong nước
ngầm sử dụng cho cấp nước sinh hoạt ở hầu hết các nước phát triển đang tăng lên.
Bảng 1. 3. Tiêu chuẩn hàm lượng nitrat trong nước uống của một số tổ chức trên thế
giới

STT

Tổ chức

Hàm lượng NO3(mg/l)

1

WHO

45

2

Canada

10

3

EEC

50

4

CHLB Đức

50

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 9


Khóa luận Tốt Nghiệp

Bảng 1.4. Tiêu chuẩn kĩ thuật quốc gia về nước ăn uống ( QCVN 0.1: 2009/BYT)

STT

26

Tên chỉ

Đơn

Giới hạn

Phương pháp

tiêu

vị tính

tối đa

thử

Hàm lượng

Mg/l

50

TCVN 61801996

nitrat

(ISO 78901988)

1.1.4. Tính chất hóa học của nitrat [1]
Các muối nitrat đều tan trong nước và khơng có màu.
Các muối của ion kiềm mạnh có tính trung tính, cịn với ion kiềm yếu thì có tính
axit.
Các muối của axit nitric thì dễ bị phân hủy khi đun nóng. Các muối của kim loại
kiềm thì chuyển thành muối nitric.
2NaNO3  2NaNO2 + O2
Nitrat bị phân hủy và tạo khí nito oxit khi nung mạnh nitrat của tất cả các kim loại
quý và một số kim loại khác thì kim loại tự do sẽ được giải phóng.
Hg(NO3)2  Hg + 2NO2 + O2
Trong môi trường axit, các ion nitrat có tính oxi hóa mạnh. Độ hoạt tính của ion
tăng lên khi pH của môi trường tăng.
NO3- + e- + H+  NO2 + H2O
NO3- + 3e- + 4H+  NO +H2O
NO3- + 8e- + 10H+  NH4+ + 3H2O
Chúng oxi hóa hầu như tất cả các kim loại và không kim loại, chuyển các nguyên tố
từ trạng thái có mức oxi hóa thấp lến trạng thái có mức oxi hóa cao...
Do tính chất oxi hóa trong mơi trường acid, nitrat cịn có khả năng nitro hóa với một

số chất hữu cơ như: acid sulfosalicilic, diphenylamin, antipyrin. Khi chuyển về môi trường

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 10


Khóa luận Tốt Nghiệp

kiềm sản phẩm của q trình nitro hóa sẽ có màu. Đây là cơ sở cho phản ứng định lượng
nitrat bằng phương pháp trắc quang.
Hỗn hợp axit nitric với axit clohidric theo tỉ lệ 1:3 gọi là nước cường toan. Nước
cường toan là một trong những hỗn hợp có tính oxi hóa mạnh, dùng để chuyển những hợp
chất khó tan thành dung dịch.
Tác dụng mạnh của hỗn hợp này dựa trên cơ sở sau:
-

Thứ nhất do sự oxi hóa, một mặt của clo được giải phóng, thứ hai axit nitric
tác dụng với axit clohidrit taọ thành nitrozil clorua.
HNO3 + 3HCl  NOCl + Cl2 + 2H2O

-

Thứ hai là do sự tạo thành phức của các ion clo.
Au + HNO3 + 3HCl + HCl  HAuCl4 + NO + 2H2O
3Pt + 4(HNO3 + 3HCl) + 6HCl  3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O

1.2. Các phương pháp định tính nitrat [1]
1.2.1. Phản ứng khử nitrat bằng kẽm hoặc nhôm
Tùy thuộc vào mơi trường của mẫu phân tích mà ta tiến hành phản ứng khử với kim

loại kẽm hoặc kim loại nhôm.
Đối với môi trường kiềm mạnh, ta sử dụng kẽm kim loại cịn bột nhơm cần tiến
hành trong mơi trường kiềm yếu. Vì phản ứng này xảy ra rất mãnh liệt.
4Zn + NO3- + 7OH8Al



+ 3NO3- + 11OH- 

4ZnO22- + NH3 + H2O
8AlO2-

+ 3NH3 + H2O

Khí NH3 tạo thành sẽ làm giấy tẩm chỉ thị phenolthalein chuyển sang màu hồng.
Các ion có chứa nitơ như CN-, SCN-, [Fe(CN)6]3- cũng bị phân hủy thành NH3 trong
điều kiện này. Vì vậy, cần loại trừ bằng Ag2SO4 được thêm vào dung dịch nghiên cứu đã
được axit hóa bằng axit axetic. Lọc bỏ các kết tủa xianua, thioxianua và các muối bạc
khác. Phần ion bạc dư được loại trừ bằng NaOH.
Trong môi trường axit yếu với pH=3 (khơng có mặt NO2-), nitrat bị khử thành nitrit
và được phát hiện bằng bất cứ phản ứng nào định tính NO2- .
1.2.2. Phản ứng với thuốc thử Diphenylamin
Ion nitrat tạo sản phẩm màu xanh với diphenylamin trong môi trường axit H2SO4.
Sản phẩm tạo thành là do axit nitric oxi hóa diphenylamin.
SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 11


Khóa luận Tốt Nghiệp

Phương pháp chỉ được dùng để định tính nitrat khi khơng có mặt ion nitric vì nó
cũng tạo ra phản ứng này.
Ngoài ra phương này cũng chịu nhiều yếu tố cản trở. Diphenylamin dễ bị oxi hóa
bởi các ion như MnO4-, Cr2O72- ,ClO3-, BrO3-, [Fe(CN)6]31.2.3. Phản ứng với sắt (II) sunfat
Ion nitrat tạo phức màu vàng nâu với tinh thể nhỏ sắt(II) sunfat trong môi trường
axit mạnh. Khi lấy 2 giọt dung dịch sắt(II) sunfat và một tinh thể nhỏ vào một ống nghiệm.
Sau đó thêm vào 1 giọt H2SO4 đặc thì tại ranh giới giữa 2 chất lỏng xuất hiện màu vàng
nâu.
Thí nghiệm này dựa trên phản ứng của muối sắt (II) sunfat khử nitrat đến nito oxit,
chất này tạo phức với với muối sắt tạo phức [Fe(NO)]SO4 làm dung dịch nhuốm màu nâu.
Thí nghiệm cần tiến hành trong mơi trường axit mạnh, có thể dùng tinh thể FeSO 4
hoặc dung dịch FeSO4 đặc.
Các ion nitric cũng cho phản ứng tương tự như nitrat trong môi trường axit yếu như
dung dịch axit axetic.
Sản phẩm phức tạo thành rất không bền và dễ phân hủy khi đun nóng. Vì vậy cần
tiến hành phản ứng khi nguội.
Ngồi ra, các ion ClO-, I-, Br- và các anion khác cũng ngăn cản quá trình tiến hành
của phản ứng.
1.3. Các phương pháp định lượng nitrat
Có thể nói từ khi con người nhận thấy tác hại của sự nhiễm độc nitrat đối với mơi
trường sống và sức khỏe, đã có vơ số phương pháp xác định nitrat ra đời. Tùy từng đối
tượng cụ thể và hàm lượng nitrat có trong đó mà ta sử dụng những phương pháp thích hợp.
Ở nước ta, phương pháp trắc quang vẫn là phương pháp chủ lực và phổ biến. Bên cạnh đó,
phương pháp điện hóa, sắc ký là những phương pháp được xem là mới mẻ trong lĩnh vực
định lượng nitrat.
1.3.1. Phương pháp phân tích thể tích
 Nguyên tắc

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 12


Khóa luận Tốt Nghiệp

Người ta có thể xác định nitrat theo phương pháp này dựa trên phản ứng khử
NO3- về các trạng thái oxi hoá thấp hơn bằng các chất khử thích hợp. Sau đó tiến hành
phép chuẩn độ (có thể sử dụng chuẩn độ trực tiếp hay chuẩn độ ngược).
Với phép chuẩn độ ngược thì một lượng chính xác dung dịch chuẩn Fe2+ được
cho dư so với lượng cần thiết vào dung dịch mẫu. Sau đó lượng dư Fe 2+ được chuẩn độ
bằng dung dịch Cr2O72- với chất chỉ thị là ferroin. Các phản ứng xảy ra như sau:
NO3- + 3Fe2+ + 4H+  NO + 3Fe3+ + 2H2O
2Fe2+ + Cr2O72- + 14H+  6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
Phản ứng giữa Fe2+ và NO3- xảy ra nhanh hơn khi đung nóng dung dịch và có
mặt của lượng dư axit H2SO4 65%.
 Ưu điểm
Đơn giản, dễ thực hiện.
Cho phép xác định lượng NO3- với nồng độ cao.
 Nhược điểm
Do NO sinh ra phản ứng với oxi khơng khí tạo thành các chất có khả năng bị
khử hay bị oxi hố bởi Fe2+ nên trong quá trình phản ứng và chuẩn độ phải được tiến hành
trong mơi trường khí CO2.
Độ chính xác không cao do sai số của chất chỉ thị.
1.3.2. Các phương pháp điện hóa
1.3.2.1. Phương pháp điện cực màng chọn lọc ion
 Nguyên tắc
Nồng độ nitrat tỉ lệ thuận với thế đo được được từ hệ gồm 2 điện cực là điện cực
so sánh và điện cực màng chọn lọc ion. Các ion sẽ di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi
có nồng độ thấp. Bằng phương pháp này, ta có thể xác định được hàm lượng nitrat trong

khoảng từ 10-1 – 10-5M.
 Ưu điểm
Phương pháp này đơn giản, nhanh chóng và ít tốn kém.
 Nhược điểm
Phương pháp có nhiều yếu tố cản trở.

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 13


Khóa luận Tốt Nghiệp

Sự có mặt của ion Cl-, HCO3-, NO2-, CN-, S2-, Br-, I- sẽ gây ảnh hưởng đến thế
điện cực.
Ngoài ra thế điện cực chỉ phụ thuộc vào hoạt độ mà khơng phải nồng độ. Vì vậy
ta cần chọn mơi trường nền thích hợp để thu được kết quả chính xác nhất.
1.3.2.2. Phương pháp cực phổ


Phương pháp sử dụng dòng xúc tác
 Nguyên tắc
Ion NO3- tạo thành một sóng đặc trưng trong nền zirconyl clorua ZrOCl2, sóng

này bị giảm khi cho thêm lượng dư FeSO4 vào do hiệu ứng xúc tác của ion Fe(II). Ghi
dòng I1 trước và dòng I2 sau khi thêm FeSO4.
Sự sai biệt ΔI giữa dòng I1 và I2 tỉ lệ với hàm lượng nitrat. Bằng cách xây dựng
đồ thị chuẩn dựa vào giá trị ΔI ta có thể phân tích mẫu chứa hàm lượng Nitrat – Nitơ trong
khoảng 0.1 – 25ppm. Độ tin cậy của phương pháp là 95%.
 Ưu điểm

Cho phép xác định NO3-ở hàm lượng nhỏ.
Qui trình phân tích đơn giản, hóa chất rẻ tiền.
 Nhược điểm
Trong dung dịch nền ZrOCl2, Nitrit cho sóng cực phổ hồn tồn giống Nitrat
khi thêm FeSO4. Do đó nhất thiết phải loại trừ lượng NO2- ban đầu có trong mẫu phân tích.
Tuy nhiên, một số trường hợp cho kết quả xác định cao bất thường, do ảnh
hưởng của ion Fe(III) hiện diện trong dung dịch.


Phương pháp cực phổ gián tiếp
Đây là phương pháp dựa trên sự khử những hợp chất Nitro tạo thành từ phản

ứng Nitro hóa giữa NO3- và các chất có chứa vịng thơm. Phương pháp này được thực hiện
tương tự như phương pháp trắc quang nghĩa là sau khi sản phẩm Nitro hóa tạo thành thay
vì hiện màu để đo quang thì dùng phương pháp cực phổ để xác định. Ở đây, các thuốc thử
hữu cơ thông dụng trong phương pháp trắc quang để xác định như acid sulfosalicilic,
phenol, 2,6 – xylenol được sử dụng trong phép phân tích bằng cực phổ.
 Nguyên tắc

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 14


Khóa luận Tốt Nghiệp

Trong mơi trường axit, nitrat tham gia phản ứng nitro hóa với các hợp chất có
chứa vịng thơm. Sản phẩm của q trình Nitro hóa sẽ bị khử trên điện cực giọt thủy ngân.
Cường độ dòng giới hạn khuếch tán tỉ lệ với nồng độ của các Nitroaromatic, do đó cũng sẽ
tăng theo hàm lượng của NOcó trong dung dịch.

Phản ứng giữa ion NO3- với 2,6 – xylenol :
HNO3 + H2SO4  NO2+ + HSO4- + H2O
OH

OH

H3C

CH3

H3C
+

CH3

-

NO2

NO2

Phản ứng khử trên điện cực giọt thủy ngân
OH
H3C

OH
CH3

H3C
+ 5H

NO2

+

CH3

+ 4e

+ H2O
NH2OH

+

Tuy nhiên trong một số trường hợp không phải lúc nào ta cũng quan sát được 2
sóng khử một cách rõ rệt. Dạng sóng cực phổ thu được khơng những tùy thuộc vào thế
điện cực, hợp chất thơm sử dụng mà còn tùy thuộc vào hàm lượng của chất điện hoạt hoặc
độ tinh khiết trong dung dịch.
Với thuốc thử acid sulfosalicilic dạng sóng thu được gồm 2 bước. Nhưng khi
dùng thuốc thử 2,6 – xylenol trên cực phổ đồ chỉ có một sóng khử. Riêng đối với chất
thơm tùy thuộc vào đối tượng phân tích mà ta quan sát được 2 hoặc 1 sóng
 Ưu điểm
Độ nhạy cao, cho phép xác định đến 10-6 M và khoảng tuyến tính rộng từ10-6
10-3 M.
SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 15


Khóa luận Tốt Nghiệp

Phép phân tích được thực hiện mà khơng cần quan tâm đến mẫu đục hoặc có
màu. Đối với mẫu phân tích có chứa nhiều protein như các mẫu sinh học, phép phân tích
cực phổ tỏ ra ưu điểm hơn hẳn các phương pháp trắc quang. Trong phương pháp quang
phản ứng hiện màu xảy ra trong môi trường kiềm mạnh nên rất dễ tạo thành kết tủa
hidroxit kim loại gây khó khăn cho việc phân tích. Trong phương pháp cực phổ chất điện
ly nền là axit, là môi trường hòa tan tốt các ion kim loại ảnh hưởng nên nhược điểm của
phương pháp trắc quang được khắc phục.
Mặc dù một số yếu tố gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích trong phép đo quang
cũng có hiệu ứng tương tự trong phương pháp cực phổ nhưng biện pháp loại trừ chúng đơn
giản và ít tốn kém hơn. Nitrit thường là ion gây nhiễu nhiều nhất trong phép phân tích trắc
quang xác định nitrat, lại khơng gây ảnh hưởng trong phương pháp cực phổ này.
Quy trình phân tích đơn giản dễ thực hiện.
 Nhược điểm
Oxi tạo sóng khử trong vùng thế khảo sát nhưng có thể loại trừ đơn giản bằng
cách dùng khí trơ như N2 hoặc Ar để đuổi. Cũng như phương pháp quang, phương pháp
cực phổ bị ảnh hưởng mạnh bởi ion Cl- do nitrat tham gia phản ứng oxi hóa khử với anion
clorua tạo nitrosylclorua.


Phương pháp cực phổ xung vi phân xác định đồng thời nitrat và nitrit
 Nguyên tắc
Trong dung dịch nền NH4Cl, cường độ dòng khử Yt(III) thành Yt(II) tỷ lệ với

hàm lượng nitrat có trong mẫu phân tích. Sóng khử của Yt(III) xuất hiện trong khoảng thế
từ -1.6 đến -1.1V (so với SCE), với tốc độ quét thế là 2mV/s, thời gian giọt rơi là 1s. Thế
của pic khi có mặt NO3- tại -1.43V (SCE).
Phương pháp này cho phép xác định nitrat trong khoảng nồng độ từ 2.0*10-5M
đến 1.6*10-4M.
 Ưu điểm

Phương pháp xác định được NO3- ở nồng độ 10ppb.
Trong điều kiện thí nghiệm thích hợp ta có thể xác định đồng thời ion nitrat và
nitrit khi chúng tồn tại trong dung dịch phân tích. Ion NO2- có tác dụng tăng dịng khử của

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 16


Khóa luận Tốt Nghiệp

Yt(III) hồn tồn giống như ion NO3- nhưng lại cho pic có thế từ -1.33V đến - 1.37V
(SCE).
 Nhược điểm
Các ion F- , SO4

2-

,CO3

2-

thường làm thế của pic dịch chuyển về phía âm hơn

chủ yếu là do các ion này tạo phức tan với Yt(III). Sự có mặt của ion PO43- làm kết tủa
Yterbium (III).
Quy trình phân tích đơn giản, độ nhạy và độ chọn lọc cao nhưng hóa chất hiếm
và đắt tiền, khó áp dụng trong thực tế.


Phương pháp đường dòng thế
 Nguyên tắc
Trên điện cực carbon pyrolytic sự khử xúc tác điện hóa nitrat thành nitrit xảy ra

nhờ sự có mặt của lớp kim loại Cu – Cd trên bề mặt điện cực này tạo ra từ quá trình điện
phân muối Cu2+ và Cd2+ . Dòng khử xuất hiện tại thế -1.0V (SCE) sẽ tỷ lệ với hàm lượng
nitrat. Trong dung dịch nền 0.1M NaH2PO4, 10μM CdCl2 và 50μM CuCl2 đường chuẩn
tuyến tính trong khoảng hàm lượng nitrat từ 62ppb – 62ppm. Với nồng độ lớn hơn, bằng
cách thay đổi thành phần chất điện ly nền 0.1M HCl, 0.2mM CdCl2, 1.0mM CuCl2 khoảng
tuyến tính sẽ được mở rộng đến 620ppm.
 Ưu điểm
Phương pháp này tương tự như phương pháp trắc quang sử sụng cột khử Cd có
phủ đồng nhưng nhờ lớp Cd - Cu được điện phân ngay trên bề mặt điện cực mà hoạt tính
khử nitrat đến khả năng tối ưu, kết quả phân tích có độ lặp lại cao.
Khoảng tuyến tính rộng, giới hạn phát hiện thấp.
 Nhược điểm
Nitrit gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích, ngồi ra nếu có mặt ion Fe3+ sẽ tạo
kết tủa với NaH2PO4, kết tủa này có thể hấp phụ lên bề mặt điện cực gây sai số lớn.
1.3.3. Phương pháp sắc ký trao đổi ion
 Nguyên tắc
Cơ sở của IEC là sự cạnh tranh các nhóm tích điện trái dấu trên chất trao đổi
giữa ion NO3- và ion NO2- chứa trong pha động gồm dung dịch mẫu phân tích, đệm
Lithium borate gluconate và dung mơi acetonnitrile tại pH = 6.5. Pha động sẽ tương tác với
SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 17


Khóa luận Tốt Nghiệp

pha tĩnh là cột sắc ký trao đổi ion Waters IC-PacTM Anion HC 150 x 4.6 mm column. Hệ
thống sắc ký này làm việc với tốc độ dòng là 1ml/phút với detecto là máy đo quang UVVIS tại bước sóng 205nm. Dung tích mẫu là 40 µL.
Dựa vào thời gian lưu của ion NO3- và ion NO2- trong dung dịch chuẩn ta có thể
xác định được đỉnh Nitrate/Nitrite trong mẫu cần phân tích trong tập hợp các chất mà sắc
ký trao đổi ion tách ở 2 pic tương ứng.
Nồng độ 2 ion có thể được xác định các phương pháp tính tốn định lượng phổ
biến trong phương pháp sắc ký như sau: phương pháp chuẩn hóa diện tích, phương pháp
tính theo hiệu số hiệu chỉnh, phương pháp lập đường chuẩn và phương pháp chuẩn nội.
 Ưu điểm
Hiệu quả, độ chọn lọc cao, ứng dụng rộng rãi.
Thể tích mẫu nhỏ.
 Nhược điểm
Hệ thống máy móc đắt.
Cần loại trừ màu của dung dịch phân tích.
1.3.4. Phương pháp trắc quang
1.3.4.1. Phương pháp trắc quang với thuốc thử hữu cơ
 Nguyên tắc
Thuốc thử axit phenol disulfonic
Trong môi trường acid sulfuric đậm đặc, nitrat tham gia phản ứng với acid
phenoldisulfonic tạo thành phức không màu nitrophenoldisulfonic. Ở môi trường bazơ
mạnh phức này có màu vàng và được đo tại bằng máy đo quang tại bước sóng λ = 410nm.
Cường độ màu tỉ lệ với nồng độ ion NO3- có trong mẫu phân tích.
Phương trình phản ứng:

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 18


Khóa luận Tốt Nghiệp

OH

OH
SO3H

SO3H

O2N
-

+ NO3

-

+ OH

SO3H

SO3H

axit phenoldisulfonic

OH
O2N

O
SO3H

-

ON

SO3

-

+ 3H2O

+ 3OH
SO3H

-

SO3

-

Sản phẩm tạo thành có các nhóm ion ( SO3-) làm mạch cacbon phân cực mạnh.
Vì vậy các electron hóa trị sẽ bị kích thích mạnh hơn nên chúng có khả năng hấp thụ các
bước sóng cao hơn. Dung dịch có màu bền trong vịng 15-20 phút.
Thuốc thử natri salixylat
Trong mơi trường acid sulfuric đậm đặc, nitrat tham gia phản ứng với natri
salixylat tạo thành phức màu p-nitrosalixylat natri hoặc sản phẩm có thể là o-nitrosalixylat
natri. Ở mơi trường bazơ mạnh phức này có màu và được đo tại bằng máy đo quang tại
bước sóng λ = 410nm. Cường độ màu tỉ lệ với nồng độ ion NO3- có trong mẫu phân tích.
Phương trình phản ứng

Trong mơi trường kiềm, phức chất phân ly thành ion gốc axit làm phân tử trở
nên phân cực. Vì vậy, các electron hóa trị chuyển động hỗn loạn hơn nên phức chất có

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 19


Khóa luận Tốt Nghiệp

cường độ màu tăng và hấp thụ ánh sáng ở bước sóng dài. Dung dịch phức bền màu trong
trong vòng từ 10-15 phút.
 Ưu điểm
Cho phép xác định NO3- với hàm lượng lớn.
Phương pháp đơn giản để thực hiện và rẻ tiền.
 Nhược điểm
Phép phân tích dùng thuốc thử hữu cơ bị hạn chế bởi nhược điểm chung thường
gặp khi sử dụng phương pháp trắc quang: mẫu xác định nếu bị đục hoặc có màu sẽ gây ảnh
hưởng đến kết quả phân tích. Do đó cần xử lý mẫu thận trọng trước khi thực hiện phản ứng
tạo màu.
Ion Cl- gây cản trở nhiều nhất trong quá trình xác định nitrat. Trong môi trường
axit mạnh, ion clo tác dụng với ion NO3- tạo hợp chất nitrosylclorua gây mất nitrat có trong
mẫu.
Cl- + NO3- + 4H+  Cl2 + NOCl + H2O
Ảnh hưởng của Cl- có thể được loại trừ bằng cách thêm một lượng tương đương
Ag2SO4.
Ngồi ra cịn phải kể đến nitrit là ion gây cản trở thường gặp nhất trong các
phương pháp định lượng nitrat. Ion này cần được loại trừ bằng axit Sunfamin, urê, hay
thiurê.
Việc chuẩn bị thuốc thử cũng có ảnh hưởng đến kết quả phân tích vì
phenoldisulfonic có thể có màu hoặc khơng màu tùy thuộc vào phenol và quá trình điều
chế. Trong quá trình điều chế thuốc thử nếu có sự tạo thành axit phenolmonosulfonic thì sẽ
làm giảm kết quả xác định.

Phức chất tạo thành bền trong mơi trường kiềm. Vì vậy dung dịch dễ bị vẩn đục
làm ảnh hưởng đến kết quả đo quang do các ion kim loại bị thủy phân. Trước khi tạo phức,
cần tiến hành che các ion kim loại bằng dung dịch EDTA.

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 20


Khóa luận Tốt Nghiệp

1.4. Cột khử Cd-Cu trong phân tích nitrat
Năm 1960 Potzl và Reiter sử dụng thành công cadmium trong việc khử nitrat về
nitrit khi phân tích nitrat trong nước biển.
Năm 1963 Morris và Riley sử dụng cột chứa cadmium ở dạng hỗn hống cho
phản ứng khử. Hiệu suất đạt 91 ± 1%. Kỹ thuật này ít chịu ảnh hưởng của muối và các ion
khác trong thành phần của nước biển. Hiệu năng cột khử giảm dần do việc hình thành
Cd(OH)2 (có thể có CdCO3).
Năm 1964 Grasshoff phát triển tiếp phương pháp của Morris và Riley bằng cách
tăng chiều dài cột và sử dụng thêm NH4Cl để tạo phức với Cd2+ để kéo dài thời gian sống
của cột khử.

Hình 1. Mơ hình cột khử Morris và Riley
sử dụng để phân tích nitrat trong nước biển

Năm 1965 Stricland và Parsons tiến hành thay thế NH4Cl bằng EDTA đồng
thời hạt cadmium được xử lý trước khi tạo hỗn hống.
Ngày nay phương pháp này tuy có những biến đổi nhất định nhưng vẫn dựa trên
những nền tảng ban đầu.
SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 21


Khóa luận Tốt Nghiệp

1.4.1. Nguyên lý hoạt động
Nitrate (NO3-) bị khử gần như định lượng về nitrite (NO2-) bằng kim loại
cadmium (Cd).
Phương pháp này sử dụng Cd dạng viên xử lý với đồng sulfate (CuSO4) và nạp
vào trong một cột thủy tinh.
Các quá trình diễn ra trong cột khử như sau:
 Quá trình khử NO3
NO3  H2O  2e  NO2  2OH  ( E 0 NO3 / NO2 = 0.010V).

 Q trình oxi hóa Cd theo phương trình sau:
Cd + 1/2O2 + H2O  Cd(OH)2
Kết tủa Cd(OH)2 và CdO bám vào cột khử, làm giảm hiệu suất khử nên được
hòa tan bằng cách tạo phức với EDTA trong dung dịch rửa cột sau mỗi lần thí nghiệm.
Cd(OH)2 + H2Y2-  CdY2- + 2H2O
Như vậy quá trình qua cột diễn ra một phản ứng tổng quát như sau:
NO3- + Cd + Y4- + H2O  NO2- + CdY2- + 2OHĐịnh lượng tổng ion NO2- sau cột khử bằng phương pháp trắc quang tại bước
sóng λ = 520nm qua phẩm màu azo do phản ứng diazonium hóa giữa ion nitrit với
sulfanilamide và α-naphthylamine hydrochloride.
-

Bước 1: Sực tạo thành muối diazonium từ phản ứng giữa NO2 và muối của

amin thơm bậc nhất:

HO 3S

NH2

+

NaNO2

HCl

HO 3S

N

N + NaCl +H2O

- Bước 2: Sự ghép cặp của muối diazonium là tác nhân thân điện tử với hợp
chất thơm có tính thân hạch tương đối cao như amin, phenol để tạo thành hợp chất
azo có màu:

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 22


Khóa luận Tốt Nghiệp
NH2
H2N
HO3S

SO3H

N N

N N +

Q trình phản ứng với thuốc thử diễn ra trong môi trường acid mạnh pH = 22.5 (có thể điều chỉnh dung dịch về pH này nhờ việc cho thêm các acid mạnh như HCl
hoặc H2SO4).
Nồng độ nitrat bằng nồng độ tổng nitrite trừ đi nồng độ nitrite trong mẫu khi
không dùng cột khử.
Hiệu suất cột khử được xác định theo công thức như sau:
H

,
nNO   nNO

2

2

nNO 

.100%

3

nNO  : Số mol NO2- trong dung dịch đi ra cột khử.
2

,

nNO

2 : Số mol NO2 trong dung dịch đi vào cột khử.

nNO  : Số mol NO3- trong dung dịch đi vào cột khử.
3

H

: Hiệu suất cột khử cadimi.

1.4.2. Ưu điểm
Phương pháp này có thể áp dụng cho những mẫu có nồng độ nitrate từ 0.01 đến
1.0 mg NO3-/L và đặc biệt hữu ích đối với những mẫu có nồng độ nitrate < 0.1 mg/L do
các phương pháp xác định nitrate khác khơng có độ nhạy phù hợp.
Ít các yếu tố ảnh hưởng.
1.4.3. Nhược điểm
Sự khử định lượng nitrat thành nitrit bằng cột Cd có phủ đồng giảm dần theo
thời gian sử dụng cột. Do đó cần thiết phải tiến hành phục hồi cột một cách định kỳ.
Các hợp chất lơ lửng có thể làm nghẹt cột.
Khi nồng độ vượt vài mg/L, các ion kim loại Sb3+, Au3+, Bi3+, Fe3+, Pb2+, Hg2+,
Ag+, chloroplatinate (PtCl62-), and metavanadate (VO32- ) làm giảm hiệu suất khử nitrate
trên cột. Ion Cu2+ có thể gây sai số âm do xúc tác phân hủy muối diazonium. Khắc phục
cản nhiễu này bằng cách thêm EDTA vào mẫu.
SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 23


Khóa luận Tốt Nghiệp

Dầu mỡ nếu hiện diện trong mẫu sẽ che phủ bề mặt Cd, nên chiết loại dầu mỡ
bằng hexane hay hexane : methyl-tert-butyl ether 80 : 20.
Dư lượng chlorine (Cl2) có tác dụng oxyhóa là giảm hiệu năng của cột khử Cd.
Thêm thiosulfate để loại dư lượng chlorine dư.

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 24


Khóa luận Tốt Nghiệp

CHƯƠNG II:

THỰC NGHIỆM

2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
2.1.1. Hóa chất
 Hạt Cd
 Tinh thể CuSO4.5H2O

 Tinh

thể

EDTA

(đinatri

etylendiamintetraaxitcacbonxylic)

 Tinh thể NaNO3

 Tinh thể axit sulfanilic

 Tinh thể NaNO2

 Tinh thể α-Naphtylamin

 Tinh thể KMnO4

 Dung dịch CHCl3

 Tinh thể H2C2O4

 Dung dịch NH4OH

 Tinh thể NH4Cl

 Dung dịch H2SO4 đậm đặc

 Dung dịch HCl đậm đặc

 Bông thủy tinh

 Dung dịch CH3COOH đậm đặc
2.1.2. Dụng cụ
 Buret
 Bình tam giác có nút nhám

 Pipet các loại 2ml, 5ml, 10ml, 20ml
 Ống đong 100ml
 Cốc có mỏ các loại 50ml, 100ml, 400ml
 Phễu chiết 250ml (1 cái)
 Bình định mức các loại 50ml, 100ml, 500ml, 1000ml
2.1.3. Thiết bị
 Máy đo quang UV-VIS

 Máy đo pH

 Máy khuấy từ

 Bếp điện

SVTH: Trần Lê Vân Thanh

Trang 25