TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Tập 74B, Số 5, (2012), 65-74<br />
<br />
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CADMI, CHÌ VÀ ĐỒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP<br />
VON-AMPE HÒA TAN ANOT SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC MÀNG THỦY NGÂN<br />
TRÊN NỀN PASTE CARBON<br />
Nguyễn Văn Hợp, Bùi Thị Ngọc Bích, Nguyễn Hải Phong, Võ Thị Bích Vân<br />
Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế<br />
<br />
Tóm tắt. Điện cực màng thủy ngân tạo ra theo kiểu in situ trên nền đĩa rắn paste carbon<br />
(hay điện cực MFE/PC) được dùng cho phương pháp von-ampe hòa tan anot sóng vuông<br />
(SqW-ASV) để xác định cadmi (Cd), chì (Pb) và đồng (Cu) trong nền đệm axetat. Các yếu<br />
tố ảnh hưởng đến dòng đỉnh hòa tan (Ip) của Cd, Pb và Cu như: nồng độ HgII, thế và thời<br />
gian điện phân làm giàu, các thông số kỹ thuật von-ampe sóng vuông, các chất cản trở…<br />
cũng được khảo sát. Ở thế điện phân làm giàu -1100 mV, thời gian điện phân làm giàu 120 s<br />
và các điều kiện thí nghiệm khác thích hợp, phương pháp đạt được độ nhạy cao (tương ứng<br />
đối với Cd, Pb và Cu là 1,7 ± 0,1; 1,4 ± 0,3 và 1,0 ± 0,1 µA/ppb), độ lặp lại tốt của Ip (RSD<br />
3%, n = 8 đối với cả Cd, Pb và Cu), giới hạn phát hiện (3) thấp (tương ứng đối với Cd,<br />
Pb và Cu là 0,3; 1,1 và 0,3 ppb); giữa Ip và nồng độ CdII, PbII, CuII có tương quan tuyến tính<br />
tốt trong khoảng 2 – 60 ppb với R > 0,98. So sánh với điện cực màng thủy ngân in situ trên<br />
nền đĩa rắn glassy carbon (MFE/GC), điện cực MFE/PC đạt được độ lặp lại cao hơn và độ<br />
nhạy không thua kém điện cực MFE/GC. Kết quả kiểm tra chất lượng của phương pháp<br />
trên mẫu thực tế cho thấy: phương pháp đạt được độ lặp lại tốt đối với Pb và Cu (RSD <<br />
10%, n = 3), đạt được độ đúng tốt với độ thu hồi tương ứng đối với Cd, Pb và Cu là 84 –<br />
96%, 86 – 98% và 84 – 95%.<br />
<br />
1. Mở đầu<br />
Phương pháp von-ampe hòa tan đã và đang được thừa nhận là một trong những<br />
phương pháp đạt được độ nhạy cao khi phân tích các kim loại nặng, trong đó có Cd, Pb<br />
và Cu – một trong những kim loại có độc tính cao và thường có mặt ở mức vết và siêu<br />
vết trong các đối tượng sinh hóa và môi trường [2]. Hiện nay, đa số các nghiên cứu về<br />
phương pháp von-ampe hòa tan trên thế giới cũng như ở nước ta hầu hết đều sử dụng<br />
điện cực làm việc là điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE) hoặc điện cực giọt thủy ngân<br />
tĩnh (SMDE). Loại điện cực đó cho độ lặp lại tốt, nhưng khó chế tạo và đòi hỏi phải<br />
thao tác, bảo quản cẩn thận, nếu không dễ bị tắc mao quản. Trong nhiều năm qua, người<br />
ta đã nghiên cứu phát triển nhiều điện cực màng kim loại (Hg, Bi, Ag…) trên nền vật<br />
liệu rắn trơ như graphite carbon (than graphit), glassy carbon (than thủy tinh), paste<br />
carbon (than nhão), nano carbon (than nano)… [4, 5, 6]. Ở Việt Nam đã có nhiều nghiên<br />
65<br />
<br />
66<br />
<br />
Nghiên cứu xác định Cadmi, chì và đồng bằng phương pháp…<br />
<br />
cứu phân tích các kim loại độc bằng phương pháp von–ampe hòa tan sử dụng các điện<br />
cực làm việc khác nhau: HMDE, điện cực màng thủy ngân (MFE), điện cực màng<br />
bismut (BiFE) trên nền than thủy tinh [1]… Nhưng những nghiên cứu sử dụng điện cực<br />
màng kim loại trên nền paste carbon còn rất hạn chế. Bài báo này đề cập đến các kết quả<br />
nghiên cứu phát triển điện cực MFE/PC để xác định đồng thời Cd, Pb và Cu bằng<br />
phương pháp von-ampe hòa tan anot sóng vuông (SqW-ASV) trong nền đệm axetat (pH<br />
= 4,5).<br />
2. Phương pháp nghiên cứu<br />
2.1. Thiết bị và hóa chất<br />
Thiết bị VA 693 Processor và hệ điện cực 694 VA-Stand của hãng Metrohm,<br />
Switzeland gồm 3 điện cực (điện cực đĩa rắn paste carbon đường kính 3,0 ± 0,1 mm tự chế<br />
tạo, điện cực so sánh Ag/AgCl/KCl 3M và điện cực đối Pt) được sử dụng cho nghiên cứu.<br />
Các hóa chất được sử dụng là hóa chất tinh khiết phân tích của hãng Merck,<br />
gồm: CH3COONa, CH3COOH, HNO3, HCl, HF, HgII, PbII, CdII, CuII, ZnII, Triton X-100.<br />
Nước cất hai lần (Fistream Cyclon, England) được sử dụng để pha chế hóa chất và tráng,<br />
rửa các dụng cụ thủy tinh.<br />
2.2. Chuẩn bị điện cực làm việc - điện cực MFE/PC<br />
Chuẩn bị điện cực nền: cân 0,2 g paste carbon (Metrohm, Swirtzeland), sau đó<br />
nhồi bột paste carbon đó vào ống Teflon dài 52 mm, đường kính trong 3,0 ± 0,1 mm, đã<br />
được bịt một đầu bằng chốt kim loại để tạo tiếp xúc giữa paste carbon và thiết bị ghi đo.<br />
Tiếp theo, dùng một thanh inox có đường kính d 2,95 mm để nén paste carbon vào<br />
một đầu của ống Teflon và dùng búa gõ nhẹ lên đầu phía trên của thanh inox để nén chặt<br />
bột carbon paste vào ống Teflon. Cuối cùng, cho điện cực nền quay và dùng giấy mềm<br />
để mài và đánh bóng bề mặt điện cực cho đến khi bề mặt điện cực phẳng đều. Sau đó,<br />
tia rửa điện cực bằng nước sạch (nước cất hai lần).<br />
Điện cực nền được nhúng vào dung dịch nghiên cứu chứa ion Hg(II), đệm axetat<br />
(pH = 4,5) và các kim loại cần khảo sát. Màng thủy ngân in situ được hình thành trên bề<br />
mặt điện cực paste carbon (PC) trong giai đoạn làm giàu ở thế và thời gian xác định, tạo<br />
ra điện cực làm việc MFE/PC.<br />
2.3. Tiến trình ghi đường von-ampe hòa tan<br />
Tiến hành điện phân dung dịch nghiên cứu (chứa CdII, PbII, CuII, HgII và đệm<br />
axetat 0,2 M, pH = 4,5) để kết tủa đồng thời Cd, Pb, Cu và Hg lên bề mặt điện cực PC ở<br />
thế -1100 mV (Eđp) trong thời gian 120 s (tđp). Trong giai đoạn điện phân, điện cực quay<br />
với tốc độ không đổi (ω) và lúc này, Hg kim loại bám trên bề mặt điện cực PC tạo ra<br />
điện cực MFE/PC và đồng thời Cd, Pb và Cu được làm giàu trên bề mặt điện cực (do<br />
nồng độ Cd và Pb trên bề mặt điện cực lớn hơn nhiều so với nồng độ của chúng trong<br />
dung dịch). Kết thúc giai đoạn làm giàu, ngừng quay điện cực 10 – 15 s (trest) và tiến<br />
<br />
NGUYỄN VĂN HỢP VÀ CS...<br />
<br />
67<br />
<br />
hành quét thế biến thiên tuyến tính theo thời gian với tốc độ không đổi theo chiều anot<br />
(từ -1100 đến +500 mV) và đồng thời ghi tín hiệu hòa tan bằng kỹ thuật von-ampe sóng<br />
vuông với các thông số kỹ thuật thích hợp, thu được đường von-ampe hòa tan có dạng<br />
đỉnh. Kết thúc giai đoạn hòa tan, tiến hành làm sạch bề mặt điện cực bằng cách giữ thế<br />
trên điện cực ở +500 mV (Eclean) trong thời gian 30 s (tclean) để hòa tan hoàn toàn Hg và<br />
các kim loại khác (có thể có) khỏi bề mặt điện cực.<br />
Cuối cùng, xác định thế đỉnh (Ep) và dòng đỉnh hòa tan (Ip) của Cd, Pb và Cu từ<br />
đường von-ampe thu được. Đường von-ampe hòa tan đối với mẫu trắng – mẫu được<br />
chuẩn bị từ nước cất, có thành phần tương tự như dung dịch nghiên cứu, nhưng không<br />
chứa CdII, PbII và CuII – cũng được ghi tương tự như trên. Tiến hành định lượng Cd, Pb<br />
và Cu bằng phương pháp thêm chuẩn (3 – 4 lần thêm). Trong mọi trường hợp, luôn bỏ<br />
kết quả của phép ghi đầu tiên, vì nó thường không ổn định. Toàn bộ tiến trình ghi đường<br />
von-ampe hòa tan được điều khiển tự động theo một chương trình được đưa vào từ bàn<br />
phím.<br />
3. Kết quả và thảo luận<br />
3.1. Ảnh hưởng của nồng độ HgII<br />
Tiến hành thí nghiệm với các nồng độ HgII khác nhau trong khoảng 2 ppm – 12<br />
ppm, thu được các kết quả ở bảng 1 và hình 1.<br />
Bảng 1. Ảnh hưởng của nồng độ Hg(II) đến Ip của Cd, Pb và Cu (*)<br />
<br />
CHg(II), ppm<br />
Ip (Cd), µA<br />
Ip (Pb), µA<br />
Ip (Cu), µA<br />
<br />
2<br />
2,63<br />
2,50<br />
1,84<br />
<br />
4<br />
4,08<br />
3,71<br />
2,82<br />
<br />
5<br />
4,60<br />
4,31<br />
3,09<br />
<br />
6<br />
5,00<br />
4,82<br />
2,69<br />
<br />
8<br />
5,36<br />
5,17<br />
2,18<br />
<br />
10<br />
5,43<br />
5,25<br />
1,74<br />
<br />
(*)<br />
<br />
12<br />
5,45<br />
5,33<br />
1,48<br />
<br />
Điều kiện thí nghiệm (ĐKTN): mỗi kim loại 5 ppb; đệm axetat (Ax) pH = 4,5 (HAx<br />
0,1M + NaAx 0.1 M); HgII 5 ppm; Eđp = -1200 mV; tđp = 60 s; = 1600 vòng/phút; trest = 15 s;<br />
khoảng quét thế (Erange) = -1200 mV +500 mV; Eclean = 500 mV, tclean = 30 s; SqW mode: biên<br />
độ sóng vuông ΔE = 50 mV, tần số sóng vuông f = 50 Hz, thời gian mỗi bước thế tstep = 0,3 s,<br />
thời gian ghi dòng tmeas = 2 ms, tốc độ quét thế v = 40 mV/s.<br />
6<br />
<br />
Cd<br />
Pb<br />
Cu<br />
<br />
5<br />
<br />
3<br />
p<br />
<br />
I ,<br />
A<br />
<br />
4<br />
<br />
2<br />
1<br />
0<br />
<br />
0<br />
<br />
2<br />
<br />
4<br />
<br />
6<br />
8<br />
10<br />
CHg(II), ppm<br />
<br />
12<br />
<br />
14<br />
<br />
Hình 1. Ảnh hưởng của nồng độ HgII đến Ip của Cd, Pb và Cu.<br />
ĐKTN: mỗi kim loại 5 ppb; các ĐKTN khác như ở bảng 1.<br />
<br />
68<br />
<br />
Nghiên cứu xác định Cadmi, chì và đồng bằng phương pháp…<br />
<br />
Khi nồng độ HgII lớn hơn 5 ppm, Ip của Cd và Pb có xu hướng tăng nhẹ, Ip của<br />
Cu giảm mạnh. Theo chúng tôi, do thế đỉnh hòa tan của Cu gần với thế đỉnh hòa tan của<br />
Hg hơn so với Cd và Pb, nên khi tăng nồng độ HgII nhánh phải đỉnh hòa tan của Cu bị<br />
dâng lên. Hay nói cách khác, đỉnh hòa tan của Hg xen phủ một phần đỉnh hòa tan của<br />
Cu dẫn đến Ip của Cu giảm. Nồng độ HgII 5 ppm là thích hợp, vì tại đó Ip của Cu đạt giá<br />
trị lớn nhất.<br />
3.2. Ảnh hưởng của thế điện phân làm giàu<br />
10<br />
Cd<br />
Pb<br />
Cu<br />
<br />
6<br />
<br />
p<br />
<br />
I , A<br />
<br />
8<br />
<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-1400<br />
<br />
-1200<br />
-1000<br />
E ®p , mV<br />
<br />
-800<br />
<br />
Hình 2. Ảnh hưởng của Eđp đến Ip của Cd, Pb và Cu<br />
ĐKTN: mỗi kim loại 5 ppb; HgII 5 ppm; các ĐKTN khác như ở bảng 1.<br />
<br />
Ở những thế điện phân làm giàu (Eđp) âm hơn -1100 mV, là những thế thích hợp<br />
cho sự tích lũy cả Zn, Co, Ni...(nếu có trong dung dịch) trên bề mặt điện cực MFE/PC,<br />
nên có thể ảnh hưởng đến sự làm giàu Cd, Pb và đặc biệt là Cu, dẫn đến làm giảm Ip của<br />
Cu (hình 2). Ở những thế dương hơn -1100 mV, là những thế gần với thế đỉnh hòa tan<br />
của Cd và Pb, nên sự làm giàu Cd và Pb trên bề mặt điện cực cũng kém hiệu quả, dẫn<br />
đến làm giảm Ip. Eđp thích hợp là -1100 mV.<br />
3.3. Ảnh hưởng của thời gian điện phân làm giàu<br />
35<br />
<br />
R = 0,991<br />
<br />
Cd<br />
Pb<br />
Cu<br />
<br />
30<br />
<br />
R = 0,994<br />
<br />
p<br />
<br />
I,<br />
A<br />
<br />
25<br />
R = 0,996<br />
<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
<br />
0<br />
<br />
50<br />
<br />
100<br />
<br />
150<br />
<br />
200<br />
<br />
250<br />
<br />
300<br />
<br />
350<br />
<br />
t®p, s<br />
<br />
Hình 3. Sự phụ thuộc của Ip vào tđp ĐKTN: mỗi kim loại 5 ppb; HgII 5 ppm; Eđp = -1200 mV;<br />
các ĐKTN khác như ở bảng 1.<br />
<br />
Trong khoảng thời gian điện phân làm giàu (tđp) 30 - 300 s, giữa Ip và tđp có<br />
tương quan tuyến tính tốt với R 0,99 đối với cả Cd, Pb và Cu (hình 3). Khi tăng tđp,<br />
<br />
NGUYỄN VĂN HỢP VÀ CS...<br />
<br />
69<br />
<br />
hiệu quả làm giàu tăng và do đó làm tăng Ip của Cd, Pb và Cu. Tuy nhiên, khi tđp tăng,<br />
sẽ làm tăng thời gian phân tích và đồng thời, có thể tích lũy thêm các kim loại cản trở<br />
như Zn, In... trên bề mặt điện cực. tđp thích hợp là 120 s (đối với những nồng độ mỗi<br />
kim loại khoảng n ppb (n = 2 – 10).<br />
3.4. Ảnh hưởng của tốc độ quay điện cực<br />
Tốc độ quay cực () là điều kiện thủy động học quan trọng ảnh hưởng đến sự<br />
chuyển khối và do đó tác động đến quá trình điện phân làm giàu. Kết quả khảo sát ảnh<br />
hưởng của trong khoảng 1000 – 2400 vòng/phút (ở ĐKTN: mỗi kim loại 5 ppb; HgII 5<br />
ppm; Eđp = -1200 mV; tđp = 120 s và các ĐKTN khác như ở bảng 1) cho thấy, trên điện<br />
cực MFE/PC, giữa Ip của kim loại và 1/2 có tương quan tuyến tính trong khoảng ω<br />
khảo sát:<br />
Đối với Cd: Ip = (-3,62 ± 2,88) + (0,33 ± 0,07)1/2<br />
<br />
với R =0,993;<br />
<br />
Đối với Pb: Ip = (-7,77 ± 3,65) + (0,32 ± 0,09)1/2<br />
<br />
với R =0,988;<br />
<br />
Đối với Cu: Ip = (-2,93 ± 1,75) + (0,14 ± 0,04)1/2<br />
<br />
với R =0,985.<br />
<br />
Ciceri. E. [5] khi khảo sát trên điện cực HMDE, cũng cho rằng, có tương quan<br />
tuyến tính giữa Ip của kim loại và 1/2. Giá trị = 1800 vòng/phút được chọn cho các<br />
nghiên cứu tiếp theo.<br />
3.5. Ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật von-ampe sóng vuông<br />
- Ảnh hưởng của tần số sóng vuông (f): Kết quả khảo sát (f) trong khoảng 30 ÷<br />
70 Hz cho thấy; giữa f và Ip của Cd, Pb và Cu có tương quan tuyến tính tốt với R > 0,98<br />
đối với cả 3 kim loại. N.H.Phong [1] khi nghiên cứu ảnh hưởng của f đến Ip trong<br />
phương pháp SqW–ASV xác định Pb trên điện cực BiFE/GC, cũng cho rằng giữa Ip và f<br />
cũng có mối quan hệ tuyến tính. Kết quả này cũng phù hợp với thông báo ở [8]. Khi f ><br />
50 Hz, độ lặp lại của Ip đối với Cd và Cu có xu thế giảm. Giá trị f = 50 Hz được chọn cho<br />
các nghiên cứu tiếp theo.<br />
- Ảnh hưởng của biên độ sóng vuông (ΔE): Kết quả khảo sát ΔE trong khoảng<br />
10 ÷ 50 mV cho thấy, có tương quan tuyến tính tốt giữa ΔE và Ip của Cd, Pb và Cu với<br />
R > 0,98. Kết quả này cũng phù hợp với thông báo ở [2]. Với giá trị ΔE = 45 mV, Ip có<br />
độ lặp lại khá tốt và do vậy, ΔE = 45 mV được chọn cho các thí nghiệm tiếp theo<br />
- Ảnh hưởng của bước thế (Ustep): giữa v và Ustep, f có quan hệ với nhau, nên khi<br />
cố định f, v sẽ thay đổi khi Ustep thay đổi. Kết quả khảo sát Ustep trong khoảng 2 12<br />
mV cho thấy, khi tăng Ustep, Ip của Cd, Pb và Cu cũng tăng; nhưng khi Ustep > 8 mV, Ip<br />
của Cd và Pb tăng chậm. Giá trị Ustep = 8 mV (hay v = 26,67 mV/s) là thích hợp vì ở<br />
Ustep đó độ lặp lại của Ip khá tốt (RSD < 5%, n = 4).<br />
3.6. Ảnh hưởng của các chất cản trở<br />
- Kẽm (Zn) là kim loại thường đi kèm với Cd, Pb, Cu trong các mẫu môi trường và<br />
<br />