Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12961:2020 về Chất lượng nước xác định pH t nước biển - Phương pháp sử dụng chỉ thị màu M-Crezol tím

• Số hiệu: TCVN12961:2020
• Loại văn bản: Tiêu chuẩn Việt Nam
• Nơi ban hành: ***
• Người ký: ***
• Ngày ban hành: Năm 2020

(1)

Trong đó I đại diện cho chất chỉ thị có ở mức thấp trong mẫu nước biển. Sau đó có thể xác định nồng độ ion hydro tổng của mẫu như đã nêu trong Công thức (2):

(2)

Nguyên tắc của phương pháp tiếp cận này sử dụng thực tế rằng các dạng khác nhau của chất chỉ thị về cơ bản là có phổ hấp thụ khác nhau. Do đó, thông tin có trong phổ phức hợp có thể được sử dụng để tính [l^2-[HI^-].

Tại bước sóng đơn, λ, độ hấp thụ đo được A_λ, trong ngăn đo có độ dài đường quang L theo định luật Beer-Lambert là:

(3)

Trong đó B_λ tương ứng với độ hấp thụ nền của mẫu và e là số hạng sai số do độ nhiễu thiết bị. Miễn là các giá trị của hệ số tắt  và  đã được đo như một hàm của bước sóng, có thể sử dụng các phép đo độ háp thụ đã thực hiện tại hai bước sóng hoặc nhiều hơn để ước tính tỷ số [l^2-]/[HI^-].

Trong trường hợp mà chỉ sử dụng hai bước sóng, và miễn là có thể loại bỏ nền hiệu quả bằng quy trình trừ nền. Công thức (3) có thể sắp xếp lại để đưa ra (giả sử không có sai số thiết bị):

...

...

...

(4)

Trong đó số 1 và số 2 tương ứng với các bước sóng đã chọn. Để có độ nhạy tốt nhất, sử dụng các bước sóng tương ứng với các giá trị hấp thụ cực đại ở dạng bazơ (I^2-) và dạng axit (HI^-), tương ứng. Các số hạng khác nhau e là các hệ số tắt của các loại cụ thể tại bước sóng 1 và bước sóng 2, tương ứng.

4  Thuốc thử

Chỉ sử dụng các thuốc thử đạt cấp phân tích được công nhận.

4.1  m-crezoi tím, không chứa tạp chất phát quang

CHÚ THÍCH 1: Tài liệu tham khảo [14] đã chỉ ra rằng chất chỉ thị có thể được đặc trưng và được tinh chế bằng cách sử dụng hệ thống HPLC. Bước sóng của điểm đẳng nhiệt đối với HI^-/I^2- của m-crezol tím tinh khiết, λ_isos (HI^-/I^2-) phụ thuộc vào công thức sau: λ_isos (HI^-/I^2-) = 490,6 - 0,10 t, trong đó t là nhiệt độ theo độ Celsius. Bước sóng tại điểm đẳng nhiệt đối với (H₂I/HI^-) của m-cresol tím nguyên chất, λ_isos (H₂I/HI^-) = 482,6 - 0,10 t.

CHÚ THÍCH: Tài liệu viện dẫn [14] và [17] đưa ra phương pháp tinh chế m-crezol tím.

4.2  Dung dịch m-crezol tím tinh khiết

Yêu cầu dung dịch chất chỉ thị tinh khiết đậm đặc (tối thiểu 2 mmol/L) có pH được điều chỉnh đến pH = 7,9 ± 0,1, được lựa chọn phù hợp với giá trị từ các phép đo pH_t trong hồ sơ lưu của đại dương: điều này có nghĩa là m-crezol tím A₁/A₂ gần bằng 1,6.

...

...

...

4.3  Nước siêu tinh khiết đã khử ion, có điện trở suất khoảng 18 MΩ cm.

5  Thiết bị, dụng cụ

Thiết bị phòng thử nghiệm thông thường, cụ thể như sau:

5.1  Ống hút mềm

Có chiều dài khoảng 40 cm, đã định cỡ vừa khít với cửa ngăn đo, làm bằng cao su silicon là phù hợp. Ống hút có thể được xử lý sơ bộ bằng cách ngâm trong nước biển sạch ít nhất một ngày. Việc ngâm này giảm thiểu lượng bọt tạo thành trong ống khi hút mẫu.

5.2  Ngăn đo quang

Ngăn này phải được làm bằng thủy tinh quang học có độ dài đường quang 10 cm, hai cửa và nút bằng polytetrafioroetylen. Cần số lượng ngăn vừa đủ để thu thập tất cả các mẫu mà sẽ được phân tích từ một dụng cụ lấy mẫu ngoài hiện trường cụ thể.

CHÚ THÍCH: Cuvet dòng chảy có độ dài đường quang 10 cm cũng có sẵn. Cần sử dụng cuvet cho các chai mẫu có nắp kín khí với dung tích ít nhất 200 mL.

5.3  Micropipet

...

...

...

5.4  Máy đo quang phổ chất lượng cao

Để làm việc ở độ nhạy và độ chụm cao nhất, cần có một máy đo quang phổ hai chùm tia. Tuy nhiên, thiết bị một chùm tia chất lượng cao cũng có thể thu được các kết quả tốt.

5.5  Hệ thống kiểm soát nhiệt độ cho ngăn đo của máy đo quanh phổ

Các khoang ổn nhiệt của máy đo quang phổ có thể chứa được các ngăn đo 10 cm, được sản xuất để bán ngoài thị trường, rất hiếm khi có sẵn và khi đó có thể phải đặt hàng. Nhiệt độ cần điều chỉnh tới 0,1 °C.

5.6  Hệ thống làm ấm mẫu tới nhiệt độ đo

Mặc dù, có thể làm ấm các ngăn đo chứa mẫu trong các túi kín trong bể ổn nhiệt, nhưng điều này là không thuận tiện. Tốt hơn hết là thiết kế một khoang ổn nhiệt đặt hàng có thể giữ khoảng 12 ngăn đo cùng một lúc mà không làm ướt chúng.

5.7  Bể ổn nhiệt

Nhiệt độ ± 0,05 °C, điều chỉnh nhiệt độ của khoang ổn nhiệt và nhiệt độ của hệ thống.

6  Lấy mẫu

...

...

...

Súc rửa chai mẫu - Nếu chai chưa sạch, súc rửa chai hai lần với khoảng từ 30 cm đến 50 cm mẫu để loại bỏ bất cứ lượng vết nào của mẫu trước.

Làm đầy chai lấy mẫu - Làm đầy chai một cách nhẹ nhàng từ đáy sử dụng ống hút nối dài từ chai lấy mẫu dẫn từ đáy của chai mẫu. Quan trọng là loại bỏ bọt từ ống hút trước khi làm đầy. Làm tràn nước ít nhất toàn bộ thể tích của chai. Giữ khoảng trống không khí với chai mẫu ở mức nhỏ nhất. ^[9], [10] Cho phép hút mẫu trực tiếp từ chai lấy mẫu vào trong ngăn đo quang học có hai cửa.

Khuyến nghị rằng việc phân tích pH phải được thực hiện ngay sau khi lấy mẫu, mặc dù các kinh nghiệm bảo quản đã cho thấy rằng pH của nước biển ổn định trong khoảng 24 h kể cả trong trường hợp nước biển ven bờ (xem Phụ lục B). Tuy nhiên, trong khi đợi phân tích, bảo quản các mẫu trong tủ lạnh hoặc hộp đá (không đóng băng).

7  Cách tiến hành

Trong trường hợp ngăn đo quang học có hai cửa, làm ấm ngăn đo mẫu tới (25,0 ± 0,1) °C bằng cách đặt một số các ngăn đo trong khoang ổn nhiệt (xem 5.6) khoảng vài giờ. Đặt ngăn đo vào trong khoang mẫu ổn nhiệt của máy đo quang phổ bằng cách làm sạch và làm khô bên ngoài ngăn đo.

Đo và ghi lại độ hấp thụ tại ba bước sóng: tại các bước sóng tương ứng với các giá trị độ hấp thụ lớn nhất ở dạng bazơ (I^2-) và dạng axít (HI^-) của m-crezol tím, bước sóng 578 nm và 434 nm, tương ứng, và bước sóng không hấp thụ (730 nm).

Mở một trong các nắp của ngăn đo để bơm m-crezol tím. Thêm khoảng 0,05 cm3 đến 0,1 cm3 m-crezol tím vào mẫu, đậy nắp lại và lắc ngăn đo để trộn nước biển và m-crezol tím. Lượng m-crezol tím đã yêu cầu là lượng m-crezol tím sẽ tạo ra các giá trị hấp thụ từ 0,4 đến 1,0 tại mỗi píc trong hai píc hấp thụ.

Đưa ngăn đo vào lại máy đo quang phổ, đo và ghi lại lần nữa độ hấp thụ tại ba bước sóng của nước biển sau khi thêm m-crezol tím.

Các ngăn đo cần được định vị trí để duy trì sự thẳng hàng nhất quán giữa hai phép đo độ hấp thụ.

...

...

...

Đối với các mẫu lấy hàng ngày, đo một lần là đủ. Phép đo nhiều lần của vật liệu chuẩn được khuyến nghị cho việc kiểm tra độ chụm và độ chính xác của phương pháp.

8  Tính toán và biểu thị kết quả

8.1  Hiệu chính độ hấp thụ đo được

Tại mỗi bước sóng trong ba bước sóng, trừ độ hấp thụ đo được đối với phép đo nền (không dùng chất chỉ thị) từ các độ hấp thụ tương ứng đo được có chất chỉ thị.

Ngoài ra, sử dụng độ hấp thụ đo được tại bước sóng không hấp thụ để theo dõi và hiệu chính cho mọi độ trôi đường nền do sai số trong việc định lại vị trí ngăn đo, độ trôi của thiết bị, v.v.. Điều này giả định rằng độ lớn của mọi độ trôi đường nền đã quan sát được là giống nhau trên phổ nhìn thấy. Trừ độ trôi đo được từ độ hấp thụ đã hiệu chính nền tại các bước sóng 1 và bước sóng 2 để thu được giá trị hấp thụ đã hiệu chính cuối cùng tại mỗi bước sóng. Các giá trị hấp thụ cuối cùng này, được hiệu chính cho các độ hấp thụ nền và mọi độ trôi đường nền quan sát được, được sử dụng để tính A₁/A₂, tỷ số hấp thụ mà mô tả mức độ proton của chất chỉ thị.

Chênh lệch giữa độ hấp thụ đường nền (chỉ dùng nước biển) và độ hấp thụ của mẫu và chất chỉ thị tại bước sóng 730 nm phải không lớn hơn ±0,001. Nếu vượt quá giá trị này, thì cần loại bỏ ngăn đo và làm sạch các cửa sổ quang học trước khi đo lại các độ hấp thụ.

8.2  Tính độ pH_t của nước biển và chất chỉ thị

pH_t của nước biển và chất chỉ thị trong ngăn đo được tính theo:

...

...

...

Công thức (5) có thể được viết theo dạng có ít thông số hơn:

(6)

Trong đó K₂ là hằng số cân bằng giữa loại HI^- và I^2- (được biểu thị theo thang nồng độ ion hydro tổng tính theo mol/kg), và A₁ và A₂ là các độ hấp thụ hiệu chính đo được tại các bước sóng tương ứng với độ hấp thụ ở 578 nm và 434 nm, tương ứng.

Số hạng đầu tiên của Công thức (6), , là một hàm của độ muối và nhiệt độ và được xác định bởi các phép đo phòng thử nghiệm một cách cẩn thận.

Trong đó các thông số a, b, c và d nằm trong khoảng 278,15 ≤ T ≤ 308,15 K và 20 ≤ S ≤ 40

a = -246,64209 + 0,315971 S + 2,8855 x 10^-4 S^2

b = 7229,23864 - 7,098137 S - 0,057034 S^2

...

...

...

d = 0,0781344

Các số hạng hệ số chặn khác nhau Ɛ tương ứng với các giá trị đo được đối với các loại cụ thể bước sóng 578 nm và 434 nm và được xác định như sau:

CHÚ THÍCH:  được nêu ở đây và các thuật ngữ hệ số chặn khác nhau Ɛ là các số hạng từ Tài liệu tham khảo [14].

8.3  Hiệu chính sự thay đổi pH_t do bổ sung chất chỉ thị

Việc thêm chất chỉ thị vào mẫu nước biển sẽ làm xáo trộn pH_t (bổ sung axit-bazơ khác vào hệ thống). Mặc dù tiến hành cẩn trọng để giảm thiểu sự xáo trộn này (bằng cách điều chỉnh pH của dung dịch chỉ thị), nhưng cần hiệu chính việc thêm chất chỉ thị để thu được các phép đo pH tốt nhất.

Theo nguyên tắc, cách đơn giản để đánh giá mức độ hiệu chính là theo kinh nghiệm, mặc dù có thể tính sự xáo trộn pH_t từ kiến thức về cân bằng hóa học của mẫu và chất chỉ thị. Thực hiện hai lần bổ sung chất chỉ thị cho mỗi dãy mẫu nước biển với các giá trị pH_t khác nhau và xác định sự thay đổi trong tỷ số đo (A₁/A₂) với lần bổ sung dung dịch chỉ thị thứ hai như một hàm của giá trị đo (A₁/A₂) xác định được sau lần bổ sung chất chỉ thị thứ nhất sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu:

...

...

...

Trong đó V là thể tích của chất chỉ thị thêm vào tại mỗi lần bổ sung. Tỷ số hấp thụ cuối cùng, đã hiệu chuẩn, được tính theo Công thức (8):

(8)

CHÚ THÍCH: Độ hấp thụ tại bước sóng của điểm đẳng nhiệt đối với HI^-/I^2- phụ thuộc vào nồng độ của chất chỉ thị. Sau đó, (A₁/A₂)_corr có thể được xác định bằng hồi quy tuyến tính (A₁/A₂) và độ hấp thụ ở bước sóng tại điểm đẳng nhiệt.

Phụ lục A

(Tham khảo)

Dữ liệu tính năng

Xử lý liên phòng được tổ chức bởi tiến sỹ Shuichi Watanabe và được giám sát bởi tiến sỹ Koh Harada, ban tổ chức ISO/TC/SC2/WG 67 với sự hỗ trợ của tiến sỹ Yoshiyuki Nakano và ông Koichi Goto và thực hiện vào mùa xuân năm 2014. Tổng số 11 phòng thử nghiệm từ 8 nước tham gia (Japan: 3, Pháp: 2, Canada: 1, Hàn Quốc: 1, Na Uy: 1, Thổ Nhĩ Kỳ: 1, Thụy Điển: 1, Anh: 1). Hai phòng thử nghiệm không tham gia mô tả phương pháp. Các kết quả của họ bị loại từ sự đánh giá thống kê của xử lý liên phòng.

Năm chai mẫu nước biển 500 mL được chia từ một thiết bị chứa lớn đã được chuyển tới mỗi phòng thử nghiệm. Nước biển được thu thập ở phía Tây Thái Bình Dương và độ muối là 34,399.

...

...

...

Bảng A1 - Dữ liệu tính năng pH nước biển

Mẫu

Nền mẫu

l

n

o

%

X

...

...

...

S_R

C_V,R

%

S_r

C_v,r

%

1

Nước biển

8

...

...

...

11,1

7,992

-

-

0,003

0,040

0,002

0,030

l số phòng thử nghiệm sau khi loại bỏ các giá trị ngoại lai

...

...

...

o phần trăm các giá trị ngoại lai

 giá trị trung bình tổng của các giá trị (ngoại trừ các giá trị ngoại lai)

X giá trị được chỉ định

 tỷ lệ thu hồi

S_R  độ lệch chuẩn tái lập

C_V,R hệ số biến thiên của độ tái lập

S_r độ lệch chuẩn lặp lại

C_v,r hệ số biến đổi của độ lặp lại

Phụ lục B

...

...

...

Tính ổn định của mẫu bảo quản

Tính ổn định của bảo quản mẫu nước biển đối với pH_t đã được khẳng định bằng thử nghiệm liên tiếp qua 2 h. Các mẫu nước biển đã được thu thập ở nước biển ven bờ của quận Aomori, Nhật Bản bằng xô nhựa. Độ muối của nước biển là 33,532. Các mẫu nước biển 1 được lấy bằng xô vào các chai thủy tinh 250 mL. Các mẫu 2 được lọc qua phin lọc Whatman GF/F đường kính 25 mm trong phòng thử nghiệm và lấy vào trong các chai thủy tinh 250 mL. Các mẫu 3 được lấy bằng xô vào các chai thủy tinh 250 mL và bị nhiễm với 100 µL dung dịch thủy ngân clorua đã bão hòa. Những mẫu này được bảo quản trong tủ lạnh và lấy ra một giờ rưỡi trước khi phân tích.

Các kết quả được nêu trong Bảng B.1.

Bảng B.1 - Ổn định bảo quản của pH_t nước biển

Mẫu

Nền mẫu

Thời gian sử dụng ngày giờ: phút

pH_t tại 25 °C

1

...

...

...

16 13:29

7,953

1

Nước biển

16 13:48

7,955

1

Nước biển

16 16:07

...

...

...

1

Nước biển

16 18:14

7,952

1

Nước biển

17 09:55

7,950

1

...

...

...

17 12:40

7,952

1

Nước biển

17 15:03

7,953

Trung bình

7,952

Độ lệch chuẩn

...

...

...

2

Nước biển đã lọc

16 16:24

7,941

2

Nước biển đã lọc

16 16:32

7,942

2

...

...

...

16 18:32

7,941

2

Nước biển đã lọc

17 10:12

7,939

2

Nước biển đã lọc

17 12:58

...

...

...

2

Nước biển đã lọc

17 15:22

7,938

2

Nước biển đã lọc

17 17:34

7.940

Trung bình

...

...

...

Độ lệch chuẩn

0,003

3

Nước biển + HgCl₂

16 13:40

7,953

3

Nước biển + HgCl₂

16 13:56

...

...

...

3

Nước biển + HgCl₂

16 16:15

7,956

3

Nước biển + HgCl₂

16 18:24

7,956

3

...

...

...

17 10:04

7,955

3

Nước biển + HgCl₂

17 12:48

7,956

3

Nước biển + HgCl₂

17 15:14

...

...

...

Trung bình

7,955

Độ lệch chuẩn

0,002

Thư mục tài liệu tham khảo

[1] TCVN 6663-1 (ISO 5667-1), Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 1: Hướng dẫn lập chương trình lấy mẫu và kỹ thuật lấy mẫu.

[2] TCVN 6492 (ISO 10523), Chất lượng nước - Xác định pH

[3] ISO 22719, Water quality - Determination of total alkalinity in sea water using high precision potentiometric titration

...

...

...

[6] Byrne R.H., Robert-Baldo G., Thompson S.W., Chen C.T.A., Seawater pH measurements: an at- sea comparison of spectrophotometric and potentiometric methods. Deep-Sea Res. 1988, 35 pp.1405-1410

[7] Byrne R.H., Breland J.A., High precision multiwavelength pH determinations in seawater using cresol red. Deep-Sea Res. 1989, 36 pp. 803-810

[8] Byrne R.H., Liu X., Kaltenbacher E., Sell K., Spectrophotometric measurement of total inorganic carbon in aqueous solutions using a liquid core waveguide. Anal. Chim. Acta. 2002, 451 (2) pp. 221-229

[9] Clayton T.D., Byrne R.H., Spectrophotometric seawater pH measurements: total hydrogen ion concentration scale calibration ofm-cresol purple and at-sea results. Deep-Sea Res. 1993. 40 pp. 2115-2129

[10] Dickson A.G., The measurement of sea water pH. Mar. Chem. 1993, 44 pp. 131-142

[11] Dickson A.G., pH buffers for sea water media based on the total hydrogen ion concentration scale. Deep-Sea Res. 1993, 40 pp. 107-118

[12] Dickson A.G., Sabine C.L., Christian J.R., eds. (2007) Guide to best practices for ocean CO₂ measurements. PICES Special Publication 3, 191 pp

[13] Karl M.D., Winn D.C., Hebei V.W.D., Letelier R., 1990) Hawaii ocean time-series program field and laboratory protocols, http://hahana.soesthawaii.edu/hot/protocols/chapi.html

[14] Liu X., Patsavas M.C., Byrne R.H., Purification and characterization of meta-cresol purple for spectrophoto-metric seawater pH measurements. Environ. Sci. Technol. 2011, 45 pp. 4862-4868

...

...

...

16] Nakano Y., Kimoto H., Watanabe S., Harada K., Watanabe Y.W., Simultaneous measurements of in situ pH and CO₂ in the sea using spectrophotometric profilers. J. Oceanogr. 2006, 62 pp. 71-81

[17] Patsavas M.C., Byrne R.H., Liu X., Purification of meta-cresol purple and cresol red by flash chromatography: Procedures for ensuring accurate spectrophotometric seawater pH measurements. Mer. Chem. 2013, 150 pp. 19-24

[18] Regina A.E., Byrne R.H., Spectrophotometric calibration of pH electrodes in seawater using purified m-cresol purple. Environ. Sci. Technol. 2012, 46 pp. 5018-5024

[19] Tapp M., Hunter K., Currie K., Mackaskill B., Apparatus for continuous-flow underway spectrophotometric measurement of surface water pH. Mar. Chem. 2000, 72 (2-4) pp. 193-202

[20] Seidel M.P., Degrandpre M.D., Dickson A.G., A sensor for in situ indicator-based measurements of seawater pH. Mar. Chem. 2008, 109 pp. 18-28

[21] Wang Z.A. et al., Simultaneous spectrophotometric flow-through measurements of pH, carbon dioxide fugacity, and total inorganic carbon in seawater. Anal. Chim. Acta. 2007, 596 (1) pp. 23- 36

[22] Yao W., Lui X., Byrne R.H., Impurities in indicators used for spectrophotometric seawater pH measurements: Assessment and remedies. Mer. Chem. 2007, 107 pp. 167-172

[23] Byrne R.H., Breland J.A., High precision multiwavelength pH determinations in seawater using cresol red. Deep-Sea Res. 1989, 36 pp. 803-810