Giới thiệu các phương pháp phân tích đối tượng môi trường

111 PHẦN 2 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỐI TƯỢNG MÔI TRƯỜNG Chương I NHỮNG YÊU CẦU CẦN THIẾT TRONG PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG I.1. TÍNH ĐẠI DIỆN CỦA MẪU Đây là một trong những yếu tố hết sức quan trọng trong phân tích môi trường, nó quyết định đến tính chính xác của kết quả phân tích, do vậy cần phải xem xét tính đại diện của mẫu, đôi khi việc thu thập mẫu không thỏa mãn được tính biến động của môi trường và sự nhiễm bẩn có thể đối với mẫu phân tích. Ví dụ, hai sinh vật sống trong môi trường bị ô nhiễm và chịu một liều như nhau chất ô nhiễm nhưng có thể cho nồng độ khác nhau trong cơ thể sinh vật. Nồng độ dòng thải cũng bị thay đổi nếu như nhà máy không hoạt động vào ban đêm hoặc những ngày cuối tuần hoặc trong quá trình sản xuất, chất thải thải ra không liên tục. Nồng độ chất ô nhiễm cũng có thể khác nhau thậm chí ở trong các mẫu được lấy ngay tại vị trí gần đó. Với các mẫu nước và mẫu không khí, nồng độ chất ô nhiễm cũng có thể thay đổi từng giờ, từng ngày hoặc từng mùa. Hình 1.1 minh hoạ sự thay đổi điển hình nồng độ nitrat ở một vị trí trong dòng sông theo chu trình của các mùa trong năm. Các chất ô nhiễm có thể tìm thấy vài km phía dưới dòng chảy vì sự vận chuyển các thành phần ô nhiễm vào và ra sông và các phản ứng sinh học, hóa học trong nước sông. Rõ ràng rằng cần phải hiểu biết chi tiết và có một chiến lược lấy mẫu ở những thời gian khác nhau và từ những vị trí khác nhau để tính đến sự thay đổi nồng độ chất ô nhiễm. Hình 1.1. Sự thay đổi hàm lượng NO3 trong nước sông theo từng mùa I.2. LƯU GIỮ MẪU Các mẫu phân tích sau khi lấy cần phải được lưu giữ sao cho nồng độ chất cần phân tích không bị thay đổi trong quá trình vận chuyển và bảo quản. Nhiều vấn đề có thể nảy sinh nếu như chất phân tích là chất dễ bay hơi, dễ phân huỷ và tham gia Mùa xuân Mùa thu Mùa xuân Mùa thu 112 phản ứng với các chất khác trong mẫu hoặc có thể lắng đọng vào thành bình đựng mẫu. Mẫu phân tích cũng có thể bị nhiễm bẩn do các nguyên tố từ thành bình hòa tan vào (các kim loại từ bình chứa bằng thủy tinh và các hợp chất hữu cơ từ bình bằng plastic). Quy trình cất giữ mẫu cũng sẽ khác nhau đối với mỗi một loại mẫu và hợp chất cần phân tích. I.3. CON ĐƯỜNG TỚI HẠN VÀ NHÓM TỚI HẠN Đây là vấn đề cần phải làm sáng tỏ để tìm ra một giải pháp tốt nhất trong phân tích môi trường. Trước khi thực hiện phân tích môi trường cần phải phán đoán những con đường chất ô nhiễm có thể di chuyển trong hệ thống môi trường, phán đoán sinh vật ở dạng nào bị ảnh hưởng nhiều nhất. Đây là những bước ban đầu cần thiết cho bất kỳ một chương trình quan trắc để bảo quản mẫu. Khi chương trình quan trắc môi trường đã được xác lập, sử dụng đường tới hạn hoặc nhóm tới hạn có thể làm giảm nhẹ nhiệm vụ phân tích. Đường tới hạn là con đường theo đó nồng độ lớn nhất chất ô nhiễm có thể tìm thấy và nhóm tới hạn là nhóm sinh vật (hoặc con người) bị nguy hại nhiều nhất ở điểm cuối đường tới hạn. Nếu như nồng độ của hợp chất trong mẫu được lấy từ nhóm tới hạn bên trong vùng cho phép thì nồng độ đó sẽ không cao hơn nồng độ của hợp chất trong các nhóm khác. 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG Chúng ta đã biết các ion và hợp chất chất ô nhiễm làm thế nào có thể tập trung trong cơ thể sinh vật thậm chí nồng độ nền chỉ trong khoảng μg/l. Một số các kim loại và hợp chất hữu cơ có độc tính rất cao chống lại sự phân huỷ sinh học và dễ dàng được tích lũy sinh học từ nồng độ rất thấp ví dụ hợp chất dioxin và nhóm các hợp chất PCB. Chúng thường được quan trắc thường xuyên ở mức nồng độ μg/l. Một số phương pháp phân tích xác định kim loại và hợp chất hữu cơ thường được sử dụng trong phân tích môi trường: a. Các phương pháp cổ điển: phương pháp thể tích, phương pháp trọng lượng Phân tích thể tích (chuẩn độ) là một trong những phương pháp phân tích cổ điển với tốc nhanh, chính xác và sử dụng các thiết bị đơn giản, không đắt tiền. Phương pháp này có thể xác định trực tiếp đặc tính chung nhất của mẫu ví dụ như độ cứng của nước. Tuy nhiên giới hạn phân tích của phương pháp thể tích lại bị hạn chế. Kỹ thuật phân tích trọng lượng có thể rất chính xác nhưng rất dễ bị ảnh hưởng bởi các chất khác. Người phân tích cần phải có tay nghề cao. Phân tích trọng lượng tiêu tốn nhiều thời gian vì sử dụng quá nhiều thao tác như kết tủa, lọc và làm khô. Kỹ thuật phân tích trọng lượng được sử dụng để kiểm tra kỹ thuật phân tích thể tích. b. Các phương pháp dụng cụ Các phương pháp phân tích dụng cụ thích hợp cho phân tích các chất có nồng độ thấp. Vùng làm việc tuyến tính (nghĩa là vùng trong đó số ghi của thiết bị tỷ lệ thuận với nồng độ) của các thiết bị ở mức mg/l, thường tương ứng rất gần với nồng 113 độ của môi trường. Phân tích dụng cụ được sử dụng trong phân tích môi trường gồm các phương pháp: ªCác phương pháp đo sắc ký ªCác phương pháp đo phổ ªCác phương pháp điện hóa Trong đa số trường hợp khi phân tích các mẫu môi trường, các phương pháp phân tích nêu trên có thể đảm bảo được độ nhạy phân tích và ít mất thời gian chuẩn bị mẫu. Quá trình làm giàu hoặc phân tách chất gây ảnh hưởng chất phân tích trong mẫu cũng có thể được thực hiện để làm giảm độ nhạy phân tích. Sơ đồ chung (Hình 1.2) cho phân tích mẫu môi trường bằng phương pháp phân tích dụng cụ như sau: Hình 1.2. Sơ đồ tiến trình phân tích mẫu môi trường 1.5. LỰA CHỌN PHÒNG THÍ NGHIỆM HOẶC PHÂN TÍCH TẠI HIỆN TRƯỜNG Phần lớn phép phân tích các chỉ tiêu trong mẫu nước hoặc trong mẫu rắn (đất, đá, sinh học) được tiến hành trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên có những tình huống phải tiến hành phân tích ngoài hiện trường, ví dụ phân tích không khí thường tiến hành ngay tại điểm thu mẫu. Có những sự khác biệt về quá trình tiến hành phân tích cũng như thời gian, chất lượng phân tích trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường. Trong phòng thí nghiệm, phép phân tích được tiến hành ở điều kiện tối ưu và điều này sẽ cho những kết quả chính xác hơn. Vì phép phân tích tiến hành ở một nơi, trên cùng một thiết bị phân tích cho nên các kết quả thu được đạt độ tin cậy cao hơn. Một trong những hạn chế của phân tích tại phòng thí nghiệm là quá trình thu mẫu và vận chuyển mẫu từ địa điểm xa phòng thí nghiệm nên việc cho những kết quả không kịp thời, kết quả nhiều khi bị sai số vì những biến đổi hoặc nhiễm bẩn trong thời gian vận Chiết mẫu Tách các chất ảnh hưởng Làm giàu dịch chiết Phân tích Tính kết quả và đánh giá 114 chuyển và lưu giữ. Điều hết sức đặc biệt là giá thành phân tích trong phòng thí nghiệm rất cao. Phân tích hiện trường sẽ cho kết quả ngay lập tức mặc dù điều kiện phân tích không được tối ưu. Độ chính xác và tin cậy của phép phân tích sẽ thấp hơn các kết quả trong phòng thí nghiệm nhưng ảnh hưởng gây ra sai số của quá trình vận chuyển và cất giữ mẫu bị loại trừ. Phần tích ngoài hiện trường có thể sử dụng các thiết bị sau đây: ªThiết bị kiểm tra xách tay đối với các ion hoặc hợp chất đặc biệt, những thiết bị này thường sử dụng để phân tích nhanh các chỉ tiêu trong nước. ªCác thiết bị quan trắc phức tạp có thể di động (Phòng thí nghiệm di động) để phân tích và đánh giá chất lượng không khí, chất lượng nước hoặc các chất phóng xạ. ªThiết bị kiểm tra tự động hoạt động liên tục để phân tích khí thải từ các nguồn ống thải và có thể có hệ thống báo động khi nồng độ chất ô nhiễm vượt quá mức cho phép. 1.6. BẢO HÀNH CHẤT LƯỢNG PHÂN TÍCH Chúng ta biết rằng chất ô nhiễm có thể tồn tại trong môi trường với nồng độ ≤ μg/l và có thể thay đổi nhanh chóng ở mức nồng độ này. Mẫu phân tích có thể là mẫu nước, mẫu không khí, chất rắn hoặc sinh vật sống. Do vậy, một điều hết sức quan trọng là phương pháp phân tích và kết quả phân tích phải được tin cậy, nghĩa là: - Phương pháp sử dụng phải được công nhận trước khi nghiên cứu phân tích, nghĩa là các thí nghiệm phân tích đã được thực hiện một cách hoàn hảo và cho những kết quả chính xác đối với loại mẫu cần phân tích. - Có một số chỉ dẫn sai số cố hữu (tức là sai số hệ thống hay khách quan) của phương pháp. Nếu chúng ta quan tâm đến sự chính xác của kết quả phân tích thu được thì rõ ràng rằng sự quan tâm đó phải liên tục suốt cả quá trình từ lúc thu mẫu cho đến khi công bố kết quả phân tích. Sự chính xác của các kết quả phụ thuộc vào những yếu tố sau đây: - Quy trình lấy mẫu phải thu được mẫu có tính đại diện. - Mẫu không bị nhiễm bẩn hoặc bị thay đổi thành phần trong quá trình cất giữ. - Không có sự nhiễm bẩn mẫu bên trong phòng thí nghiệm hoặc trong thời gian phân tích. - Hạn chế tới mức thấp nhất mất mát trong quá trình chuẩn bị mẫu (phân huỷ, tách hóa học, làm giàu…). 115 - Không có sự ngăn cản trong bước phân tích sau cùng từ các thành phần khác trong mẫu. - Các kết quả được tính toán một cách chính xác và được lưu trữ cho sự tham khảo trong tương lai. Đảm bảo chất lượng (quality Assurance – QA) và kiểm tra chất lượng (Quality Control – QC) là hai khái niệm luôn gắn liền với nhau và luôn được thực hiện ở tất cả các phòng thí nghiệm phân tích môi trường trên thế giới. Mặc dù có những định nghĩa khác nhau về QA và QC giữa các tổ chức và các nước, nhưng đều phải tuân theo những chấp nhận chung sau đây về QA, QC: - QA là toàn bộ phương luận cần thiết để tối thiểu các sai số tiềm tàng. (các ví dụ về QA đưa ra trong Bảng 2.1) - QC là các phép đo được sử dụng để đảm bảo tính giá trị của các kết quả riêng biệt. Bảng 1.1. Một số ví dụ về quy trình đảm bảo chất lượng • Các quy trình lấy mẫu và cất giữ mẫu phải đảm bảo rằng đó là mẫu có tính đại diện, không thay đổi về thành phần khi chuyển tới phòng thí nghiệm. • Lặp lại vài lần việc lấy mẫu và phân tích. • Ghi rõ đặc điểm chi tiết trong sơ đồ phân tích đối với độ sạch của tác nhân và tình trạng sạch của thiết bị. • Kiểm tra nhiều lần về hoạt động của thiết bị. • Độ vết trong dung dịch chuẩn bất kỳ được sử dụng. Điều này có nghĩa rằng nồng độ đưa ra trong dung dịch chuẩn nhất thiết phải được kiểm tra lại các chuẩn gốc của Quốc tế. • Trong mỗi một mẻ phân tích cần đưa vào một vài lần chất phân tích đã biết trước nồng độ (phương pháp thêm) để xác nhận độ tin cậy của phương pháp và cần phân tích mẫu trắng trong mẻ phân tích này. Mẫu trắng là mẫu được tạo ra có thành phần gần như mẫu phân tích ngoại trừ chất cần phân tích. 1.7. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THÍCH HỢP Đối với công việc quan trắc môi trường thường xuyên, cần phải lựa chọn các phương pháp chuẩn có sẵn trong nước hoặc các tổ chức Quốc tế. Các phương pháp này không chỉ đưa ra quy trình phân tích một cách chi tiết mà phạm vi áp dụng (khoảng nồng độ và loại mẫu), giới hạn xác định và những sai số thường gặp phải. 116 Một số các tổ chức thường đưa ra các phương pháp phân tích chuẩn sau đây: ªHiệp hội kiểm tra và các vật liệu của Mỹ ªViện tiêu chuẩn của Anh ªCơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ ªCơ quan tiêu chuẩn Quốc tế Đối với công việc kiểm tra ít thường xuyên hơn, các phương pháp phân tích có thể tìm thấy trong các công trình khoa học tương tự như công việc đang tiến hành. Các kỹ thuật phân tích đôi khi cũng phải được cải tiến. Ví dụ, một kỹ thuật được phát minh mà kỹ thuật đó đã được áp dụng và công nhận cho phân tích nước biển có thể áp dụng để kiểm soát nước ngọt. Tất nhiên sẽ phải xác nhận lại độ tin cây và độ chính xác của phương pháp cho loại mẫu mới trước khi áp dụng. 1.8. CÁC TIÊU CHUẨN PHÒNG THÍ NGHIỆM Công việc phân tích vẫn hoàn toàn chưa kết thúc khi chưa thực hiện được toàn bộ các vấn đề đã đề cập tới ở trên. Một số các yếu tố khác nữa cũng cần phải quan tâm: - Sự sạch sẽ của phòng thí nghiệm - Nhiễm bẩn các thiết bị phòng thí nghiệm và không khí từ các công việc phân tích trước đó. - Huấn luyện đội ngũ nhân viên - Thường xuyên bảo quản và chuẩn hóa thiết bị.