Nghiên cứu điện cực ứng dụng để phân tích amoni và nitrat trong nước nuôi thủy sản bằng phương pháp điện hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN MINH HUY

NGHIÊN CỨU ĐIỆN CỰC ỨNG DỤNG

ĐỂ PHÂN TÍCH AMONI VÀ NITRAT TRONG NƯỚC

NUÔI THỦY SẢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và hóa lí

Mã số: 8440119

Người hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN THỊ VƯƠNG HOÀN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và các cộng sự.

Các số liệu và kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn là trung thực, được

các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ

một công trình nào khác.

Học viên

NGUYỄN MINH HUY

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Thị

Vương Hoàn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá

trình thực hiện và hoàn thành luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm và các Thầy, Cô bộ môn

Hóa Học trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong

thời gian học tập và nghiên cứu tại trường.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô khoa KHTN, khoa Kỹ thuật công

nghệ trường Đại học Quy Nhơn; Trường Cao đẳng kỹ thuật & Công nghệ Quy

Nhơn; Phòng TN Công nghệ nano trường ĐHKHTN - TP.HCM đã hỗ trợ và tạo

mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài.

Tôi xin cảm ơn đề tài ĐTĐLCN.44/22 của Bộ KH & CN đã cho phép

cùng tham gia nghiên cứu thực hiện.

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp cao học K23 đã

luôn động viên, khích lệ tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Vì bản thân còn nhiều hạn chế về kiến thức cũng như thời gian, kinh

nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận

được những ý kiến đóng góp quý báu từ Thầy, Cô để luận văn được hoàn

thiện hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Quy Nhơn, ngày 30 tháng 8 năm 2022

Học viên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VỄ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU1

1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................1

2. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .........................................................................4

3.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................ 4

3.2. Phạm vi nghiên cứu................................................................................... 4

4. Nội dung nghiên cứu..............................................................................................4

4.1. Chuẩn bị điện cực ..................................................................................... 4

4.2. Khảo sát và đánh giá một số đặc trưng của điện cực làm việc trong hệ thiết

bị điện hóa....................................................................................................... 4

4.3. Khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực màng chọn lọc ion amoni............. 4

4.4. Khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực màng chọn lọc ion nitrat .............. 4

4.5. Kết quả xử lý mẫu (mẫu lấy tại thực địa để đánh giá amoni và nitrat)......... 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.............................................................6

1.1 Đánh giá tổng quan tình hình nuôi trồng thủy sản trên thế giới và ở Việt

Nam...........................................................................................................6

1.1.1. Nhu cầu và tầm quan trọng của ngành nuôi trồng thủy sản...................... 6

1.1.2. Những bất cập và hạn chế trong nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam ............ 7

1.1.3. Công tác giám sát và quản lý chất lượng nước nuôi thủy sản (NTS)........ 7

1.2. Các thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước nuôi thủy sản ..........................8

1.2.1. Các chỉ tiêu vật lý................................................................................... 8

1.2.2. Các chỉ tiêu hóa học ............................................................................. 12

1.3. Các phương pháp đo hàm lượng amoni và nitrat trong nước nuôi thủy sản...24

1.3.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử .............................................. 24

1.3.2. Phương pháp sắc ký ion........................................................................ 29

1.3.3. Phương pháp điện hóa.......................................................................... 30

1.4. Giới thiệu điện cực chọn lọc ion tiếp xúc rắn. Các đặc trưng của điện cực ....31

1.4.1. Giới thiệu điện cực chọn lọc ion tiếp xúc rắn ........................................ 31

1.4.2. Các đặc trưng của điện cực................................................................... 34

1.5. Giới thiệu tổng quan kỹ thuật quang khắc dùng trong chế tạo cảm

biến điện hóa .........................................................................................37

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM..............40

2.1. Thiết bị, hóa chất và thực nghiệm.....................................................................40

2.1.1. Thiết bị, hóa chất.................................................................................. 40

2.1.2. Thực nghiệm........................................................................................ 41

2.2. Đánh giá điện cực..............................................................................................44

2.3. Các phương pháp đặc trưng..............................................................................45

2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM)45

2.3.2. Phương pháp quang phổ tia X phân tán năng lượng (Energy Dispersive X

ray Spectrocopy, EDX).................................................................................. 45

2.4. Khảo sát và đánh giá một số đặc tính của điện cực làm việc trong hệ thiết

bị điện hóa ...............................................................................................46

2.4.1. Khảo sát điện cực đo amoni.................................................................. 47

2.4.2. Khảo sát điện cực đo nitrat ................................................................... 48

2.4.3. Tính toán các đại lượng trong phép đo.................................................. 49

2.5. Xử lý mẫu nước thực tế.....................................................................................49

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.........................................................50

3.1. Đặc tính cấu trúc của điện cực chế tạo .............................................................50

3.1.1. Điện cực màng chọn lọc ion amoni NH4

+

............................................. 50

3.1.2. Điện cực màng chọn lọc ion nitrat NO3

-

................................................ 54

3.2. Khảo sát và đánh giá đặc tính điện hóa của điện cực.......................................56

3.2.1. Kết quả khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực màng chọn lọc ion amoni56

3.2.2. Kết quả khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực màng chọn lọc ion

nitrat NO3

-

.................................................................................................... 64

3.3. Kết quả phân tích hàm lượng amoni và nitrat trong mẫu nước nuôi thủy

sản............................................................................................................70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................72

KẾT LUẬN..............................................................................................................72

KIẾN NGHỊ..............................................................................................................73

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................74

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BOD : Biochemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hòa tan)

COD : Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

DO : Dissolved Oxygen (Oxy hòa tan)

EDX : Energy Dispersive X- Ray pectroscopy (Phương pháp

phổ tán xạ năng lượng tia X)

IEC : Ion Exchange Chromatography (Phương pháp sắc ký

ion)

ISE : Ion Selective Electrode (Chọn lọc ion)

ISM : Ion Selective Membrane (Màng chọn lọc ion)

L : Lít

LOD : Limit Of Detection (Giới hạn phát hiện)

mg : miligam

nm : nanomet

OCP : Open Circuit Potential (Thế mạch hở)

ppm : parts per million (Một phần triệu)

SCISE : Solid Contact Ion Selective Electrode (Điện cực chọn lọc

ion tiếp xúc rắn)

SEM : Scanning Electron Microscope (Phương pháp kính hiển

vi điện tử quét)

TDS : Total Dissolved Solids (Tổng vật chất hòa tan)

TSS : Total Suspended Solids (Tổng vật chất lơ lửng)

UV-Vis DRS :UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (Phổ phản

xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến)

XRD : X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần các muối có trong 35g muối/1 kg nước...................... 13

Bảng 1.2. Hàm lượng CaCO3 theo độ cứng của nước .................................... 14

Bảng 1.3. Hàm lượng oxy hòa tan bão hòa trong nước sạch ở áp suất 1

atm và các nhiệt độ khác nhau........................................................ 15

Bảng 1.4. Tỷ lệ % của NH3 và tổng nitơ amoni phụ thuộc vào nhiệt độ và

pH [21]. ........................................................................................... 20

Bảng 1.5. Giá trị C để làm cơ sở tính toán giá trị tối đa cho phép của các

thông số ô nhiễm trong nước thải chế biến thủy sản [27]. ............. 23

Bảng 3.1: Thành phần nguyên tử các nguyên tố trong NH4

+ (ISM) –

ionophore; NH4

+ (ISM) – ionophore và PVC; trong điện cực

màng chọn lọcion amoni NH4

+

trạng thái rắn (S-ISM).................. 54

Bảng 3.2. Điện thế của điện cực và độ lệch chuẩn trong phép đo thế OCP

của ion amoni ở các nồng độ .......................................................... 56

Bảng 3.3. Giá trị OCP (mV) của điện cực màng chọn lọc ion NH4

+

theo

thời gian .......................................................................................... 57

Bảng 3.4. Giá trị OCP của điện cực màng chọn lọc ion amoni theo thời

gian ở các lần thí nghiệm (với điện cực so sánh Ag/AgCl/KCl).... 58

Bảng 3.5. Giá trị thế OCP của điện cực màng chọn lọc ion amoni theo thời

gian (điện cực so sánh là điện cực Ag/AgCl/KCl, có sử dụng

dung dịch hiệu chỉnh lực ion amoni) .............................................. 60

Bảng 3.6. Giá trị OCP (mV) của điện cực màng chọn lọc ion amoni NH4

+

theo thời gian (với điện cực so sánh là điện cực kép Ag/AgCl/

KCl/LiAc) ....................................................................................... 61

Bảng 3.7: Các giá trị hệ số chọn lọc ion NH4

+

so với một số ion gây nhiễu .. 63

Bảng 3.8. Điện thế của điện cực và độ lệch chuẩn trong phép đo thế OCP

của ion nitrat NO3

- ở các nồng độ................................................... 64

Bảng 3.9. Giá trị OCP của điện cực màng chọn lọc ion nitrat theo thời

gian ở các lần thí nghiệm (với điện cực so sánh Ag/AgCl/KCl).... 67

Bảng 3.10. Giá trị OCP của điện cực màng chọn lọc ion nitrat theo thời

gian ở các lần thí nghiệm (với điện cực so sánh Ag/AgCl/LiCl)... 68

Bảng 3.11. Các giá trị hệ số chọn lọc ion NO3

-

so với một số ion gây

nhiễu................................................................................................ 69

Bảng 3.12. Thông số môi trường nuôi Cá Chình thương phẩm ..................... 70

Bảng 3.13. Nồng độ ion amoni và nitrat trong mẫu nước nuôi thủy sản........ 70