Bài 13: SẮT

I. GIỚI THIỆU CHUNG

1. Ý nghĩa môi trường

Từ lâu con người đã nhận biết, uống nước có chứa sắt sẽ không gây tác hại đối với sức khỏe. Nước mặt sau khi loại bỏ cặn lơ lửng thì hàm lượng sắt ít khi đạt tới 1 mg/l. Riêng đối với nước ngầm và nước thải sinh hoạt, hàm lượng sắt có thể cao hơn rất nhiều. Những loại nước như thế khi tiếp xúc với không khí sẽ trở nên đục và có màu vàng cam, nguyên nhân là do Fe2+ bị oxy hóa thành Fe3+ tạo thành những chất kết tủa dưới dạng keo. Ở những điều kiện tự nhiên và pH thấp, tốc độ của quá trình oxy hóa thường xảy ra chậm và sắt trong nước thường tồn tại dưới dạng Fe2+. Trong môi trường pH < 6 và có sụt khí. Fe3+ có thể tồn tại một thời gian. Tốc độ oxy hóa sẽ tăng lên khi trong môi trường có pH > 6. Có mặt các chất oxy hóa hay do hoạt động của vi sinh vật. Sắt có trong nguồn nước là nguyên nhân làm cho quần áo bị vàng sau khi giặt, làm ố các đồ vật bằng sứ và tạo ra các vết ố trên các đồ vật hàn chì. Khi hàm lượng sắt lớn hơn 1 mg/l gây ra vị tanh trong nước và về mặt cảm quan không thể chấp nhận được. Ngoài ra cặn sắt bám trên thành ống dẫn lâu ngày làm thay đổi lưu lượng và tắc ống dẫn của hệ thống phân phối nước. Chính vì những lý do trên nên tiêu chuẩn Việt Nam đặt ra cho nước sử dụng trong sinh hoạt có hàm lượng Fe tổng cộng £ 1,5 mg/l và nước sử dụng cho ăn uống phải có hàm lượng Fe tổng cộng £ 0,3 mg/l. Đối với một số ngành công nghiệp, tiêu chuẩn cho phép sắt có trong nước cấp cho sãn xuất đòi hỏi rất nghiêm ngặt như đối với công nghệ dệt nhuộm thì hàm lượng Fe tổng cộng £ 0,1 mg/l.

2. Nguyên tắc

Sắt trong dung dịch được khử thành dạng Fe2+ (tan trong nước) bằng cách đun sôi trong môi trường acid và hidroxylamine sau đó Fe2+ tạo phức có màu với 1.10 - phenanthroline ở pH 3,0 ¸ 3,3. Mỗi nguyên tử Fe2+ sẽ kết hợp với ba phân tử của phenanthroline tạo thành phức chất có màu đỏ cam. Cường độ màu tuân theo định luật Lambert-Beer và phụ thuộc vào pH. Phản ứng sẽ đạt tốc độ cực đại khi pH của môi trường nằm trong khoảng 2,9 ¸ 3,5 và sử dụng một lượng thừa phenanthroline. Các phương trình phản ứng được biễu diễn như sau:

STT	0	1	2	3	4	5
V dung dịch chuẩn (ml)	0	2	4	6	8	10
V nước cất (ml)	50	48	46	44	42	40
V HCl 1:1 (ml)	2 ml
V dd đệm NH2OH.HCl	1 ml
Đun sôi cho tới khi thể tích dung dịch còn khoảng 10 ¸15 ml để nguội chuyển vào bình định mức 100 ml
V dd đệm pH = 5	10 ml
V dd phenanthroline	1 ml
Định mức thành 100 ml bằng nước cất. Lắc để yên 10 ¸15 phút và đo độ hấp thu.
C mg	0	20	40	60	80	100
C mg/l	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0

Phương pháp phenanthroline có thể xác định hàm lượng sắt cao nhất là 1 mg/l.

3. Trở ngại

Những chất oxy hóa mạnh như cyanide, nitrite và phosphates (polyphosphate mạnh hơn orthophosphate), chromium, zine với hàm lượng lớn hơn sắt 10 lần, cobalt, copper lớn hơn 5 mg/l và niken lớn hơn 2 mg/l đều gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Bismush, cadmium, mercury, molybdate và silver kết tủa với phenanthroline. Trong quá trình thực hiện thí nghiệm. Đun sôi với acid nhằm chuyển polyphosphate thành orthophosphate, loại bỏ ảnh hưởng của nitrite và cyanide. Thêm một lượng thừa phenanthroline để loại bỏ những sai số gây ra bởi các chất oxy hóa mạnh và tạo phức với một số ion kim loại có trong dung dịch. Nếu hàm lượng các ion kim loại quá cao, cần phải sử dụng phương pháp trích ly.

Nếu mẫu có màu hay chất hữu cơ, xử lý mẫu bằng cách đun sôi mẫu nhiều giờ với acid HCl 1 : 1 trong cốc có quai bằng silica, sứ hay platinum. Khi mẫu cạn, đốt nhẹ, phần tro còn lại, hòa tan bằng acid. Nếu hàm lượng chất hữu cơ quá cao, bước phân hủy sẽ được thực hiện bằng giai đoạn trích ly.

II. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT

1. Dụng cụ và thiết bị

a. Dụng cụ

Dụng cụ thủy tinh: nhằm loại bỏ sắt bám trên thành dụng cụ cần phải rửa tất cả dụng cụ thủy tinh bằng HCl đậm đặc, tráng lại bằng nước cất trước khi sử dụng.

+ Erlen 100 ml

+ Ống đong 50 ml

+ Bình định mức 100 ml

b. Thiết bị

+ Spectrophometer

+ Bếp điện

2. Hóa chất

a. Hydrochloric acid (HCl) 1:1.

b. Dung dịch hydroxylamine10%: hòa tan 10 g NH2OH.HCl trong 100 ml nước cất.

c. Dung dịch đệm pH = 5: hòa tan 175 g CH3COONa trong 150 ml nước cất, thêm 450ml acid acetic (CH3COOH) đậm đặc dùng nước cất định mức lên 1000 ml. Lắc đều.

d. Dung dịch phenanthroline 0.1%: Hòa tan 0.1g 1.10 - phenanthroline monohydrate (C12H8N2.H2O) trong 80 ml nước cất, khuấy và gia nhiệt tới 800C. Không được đun sôi (Trong trường hợp không gia nhiệt thì thêm 2 giọt acid HCl đậm đặc, khuấy đều đến khi tan hoàn toàn) sau đó dùng nước cất định mức thành 100 ml. Không sử dụng khi dung dịch có màu đen.

e. Dung dịch lưu trữ sắt 500 ppm: Hoà tan 1.7594 g Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O trong nước cất và cho từ từ 5 ml dung dịch H2SO4 đậm đặc, trộn đều, chờ nguội đến nhiệt độ phòng. Định mức thành 500 ml với nước cất.

f. Dung dịch chuẩn10 ppm : chuẩn bị mỗi khi sử dụng

Lấy 20 ml dung dịch lưu trữ sắt 500 ppm cho vào bình định mức 1000 ml, thêm nước cất tới vạch định mức (1 ml = 10,00 mg Fe).

III. THỰC HÀNH

Mẫu phải được chứa trong chai thủy tinh.

1. Sắt tổng cộng (Fetc)

- Mẫu phải được acid hóa pH < 2 trước khi phân tích, lấy 50 ml mẫu cho vào erlen (mẫu phải được xáo trộn đều). Nếu thể tích mẫu có hàm lượng sắt cao hơn 1 mg. Sử dụng một lượng mẫu ít hơn và pha loãng thành 50 ml. Thêm 2 ml HCl 1:1 và 1 ml NH2OH.HCl.

- Thêm vài viên bi thủy tinh vào erlen, đun sôi đến khi thể tích còn 15 ¸ 20 ml (nếu mẫu bị cạn cho vào 2 ml HCl 1:1 và 5 ml nước cất).

- Làm nguội ở nhiệt độ phòng, chuyển dung dịch vào bình định mức 100 ml. Thêm 10 ml dung dịch đệm pH = 5 và 1 ml dung dịch phenanthroline. Cho nước cất tới vạch định mức và lắc đều, để yên khoảng 10 ¸15 phút cho cường độ màu đạt cực đại và ổn định. Do độ hấp thu trên máy spectrophotometer ở bước sóng 510 nm.

2. Sắt hòa tan

Ngay sau khi lấy mẫu, lọc mẫu bằng giấy lọc có đường kính 0,45 mm, nước sau lọc được acid hóa với tỉ lệ 1 ml HCl 1:1/100 ml mẫu. Tổng hàm lượng sắt hòa tan được xác định như trong phần III.1

3. Sắt hai (Fe2+)

- Việc xác định Fe2+ phải thực hiện tại vị trí lấy mẫu bởi vì có sự thay đổi tỉ lệ giữa Fe2+ và Fe3+ theo thời gian. Để xác định Fe2+, acid hóa mẫu theo tỉ lệ 2 ml HCl 1:1/ 100 ml mẫu tại thời điểm lấy mẫu.

- Lấy 50 ml mẫu đã được acid hóa thêm10 ml dung dịch đệm pH = 5 và thêm 1 ml dung dịch phenanthroline lắc đều. Định mức thành 100 ml với nước cất, để yên khoảng 5 ¸10 phút, sao đó đo độ hấp thu A trên máy spectrophotometer ở bước sóng 510 nm.

- Nếu mẫu có ảnh hưởng của chất hữu cơ phải phân hủy mẫu theo 3030G và H trong Standard Methods

4. Cách thành lập đường chuẩn

Sử dụng dung dịch chuẩn có nồng độ 1 ml = 10 mg Fe

Pha loạt dung dịch chuẩn sắt như sau:

STT	0	1	2	3	4	5
V dung dịch chuẩn (ml)	0	2	4	6	8	10
V nước cất (ml)	50	48	46	44	42	40
V HCl 1:1 (ml)	2 ml
V dd đệm NH2OH.HCl	1 ml
Đun sôi cho tới khi thể tích dung dịch còn khoảng 10 ¸15 ml để nguội chuyển vào bình định mức 100 ml
V dd đệm pH = 5	10 ml
V dd phenanthroline	1 ml
Định mức thành 100 ml bằng nước cất. Lắc để yên 10 ¸15 phút và đo độ hấp thu.
Cmg	0	20	40	60	80	100
C mg/l	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0

Nếu mẫu bị đục có màu, thay vì sử dụng nước cất làm mẫu trắng, sử dụng chính mẫu làm mẫu trắng và xử lý mẫu qua tất cả các bước như trong quá trình thực hiện nhưng không cho phenanthroline.

Xem thêm: Mật rỉ không màu dùng cho nước thải

IV. TÍNH TOÁN

Sau khi có độ hấp thu của một loại chuẩn. Vẽ giản đồ A = f (C) sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu để lập phương trình y = ax + b. Từ trị số độ hấp thu của dung dịch mẫu Am suy ra Cm từ phương trình trên. Kết quả biễu diễn bằng đơn vị mg/l.