Tổng quan phép đo Vôn-Ampe, điện cực giọt Bismuth và ứng dụng phân tích kim loại nặng hàm lượng vết

Một số kỹ thuật đã được phát triển để phân tích kim loại nặng trong quá khứ (phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), plasma ghép cảm ứng (ICP) hoặc phép đo phổ huỳnh quang). Tuy nhiên, những kỹ thuật này đòi hỏi thiết bị đắt tiền cùng với chi phí bảo trì cao và nhân viên được đào tạo. Vì vậy, phân tích Vôn-Ampe hòa tan (Stripping voltammetry) được ra đời nhằm đáp ứng phù hợp cho những thách thức này, cung cấp một giải pháp thay thế đơn giản, nhanh chóng và hiệu quả về chi phí và phù hợp với những nhân viên chưa qua đào tạo.

Ngoài ra, giới hạn phát hiện của kỹ thuật trong phạm vi ng/L và khả năng xác định kim loại nặng hàm lượng vết tại hiện trường làm cho nó trở nên thú vị và có giá trị. Trong bài viết này, bạn sẽ có cái nhìn tổng quan về nguyên tắc phép đo Vôn-Ampe hòa tan, cảm biến mới trong Vôn-Ampe và ứng dụng của kỹ thuật này trong phân tích kim loại nặng hàm lượng vết.

1. Tác hại của kim loại nặng
2. Nguyên tắc phép đo Vôn-Ampe hòa tan
3. Cảm biến mới trong Vôn-Ampe: Điện cực giọt Bismuth (Bi)
4. Ứng dụng trong phân tích kim loại nặng hàm lượng vết

Bên cạnh phép đo Vôn-Ampe hòa tan a-nốt, phép đo Vôn-Ampe hòa tan ca-tốt  hoặc phép đo Vôn-Ampe hòa tan hấp phụ cũng có thể sử dụng và hoạt động theo cách tương tự. Tất cả các phương pháp này đều có điểm chung: mọi phép xác định Vôn-Ampe phụ thuộc vào cảm biến được sử dụng để đo. Do đó, trong loạt bài đăng này, chúng tôi muốn giới thiệu các cảm biến mạnh mẽ của mình và chứng minh hiệu suất vượt trội với một vài ứng dụng điển hình.

3. Cảm biến mới trong VA: điện cực giọt Bismuth (Bi)

3.1. Nhu cầu cho các cảm biến mới

Nhu cầu xác định ion kim loại nặng tại hiện trường, chi phí cảm biến và các vấn đề môi trường là những nguyên nhân chính thúc đẩy nghiên cứu các cảm biến mới trong phép đo Vôn-Ampe. Các vật liệu không độc hại và rẻ tiền được ưu tiên sử dụng cho các cảm biến mới. Tuy nhiên, các thuộc tính của những vật liệu này có thể dẫn đến một số hạn chế. Đầu tiên là số lượng hạn chế các nguyên tố có thể được phát hiện trên một vật liệu điện cực cụ thể (ví dụ: vàng, cacbon hoặc bismuth). Ngoài ra, rất khó để xác định một số nguyên tố đồng thời trên cùng một cảm biến không chứa thủy ngân. Việc lựa chọn vật liệu điện cực phù hợp nhất kết hợp với thiết kế cảm biến tối ưu giúp khắc phục những vấn đề này.

Sau báo cáo mang tính cách mạng ban đầu này, các điện cực dựa trên bismuth được điều chế dưới dạng màng in-situ và ex-situ trên các điện cực trạng thái rắn như carbon, ngày càng trở nên phổ biến. Khoảng điện hóa rộng và độc tính thấp của bismuth là những yếu tố chính. Ngoài ra, bismuth có thể tạo hợp kim với một số lượng lớn các kim loại nặng và có quá thế hydro cao, tương tự như thủy ngân. Những đặc tính này đặc biệt thú vị đối với phép đo Vôn-Ampe hòa tan. Quá trình sinh ra hydro bị triệt tiêu rất hiệu quả với kết quả là các phép đo không nhiễu ở điện thế âm có thể được thực hiện. Điện cực bismuth dựa trên màng bismuth là một lựa chọn tốt. Tuy nhiên, việc phủ màng là một bước bổ sung tốn nhiều thời gian.

3.3. Cảm biến mới trong VA: điện cực giọt Bismuth (Bi)

Với điện cực giọt Bi, một điện cực trạng thái rắn mới hiện có sẵn để xác định các ion kim loại nặng trong nước uống. Một giọt bismuth có đường kính khoảng 2 mm dùng làm điện cực làm việc trong phép đo Vôn-Ampe.

Điện cực này hoạt động mà không cần đánh bóng hoặc phủ màng — chỉ cần hoạt hóa điện hóa. Điều này rút ngắn đáng kể toàn bộ thời gian phân tích. Sau khi được hoạt hóa, có thể thực hiện hàng loạt phép xác định kim loại nặng với độ lặp lại cao trong phạm vi μg/L và thậm chí ng/L.

Điện cực giọt Bi cho phép theo dõi không có thủy ngân các giá trị giới hạn của kim loại nặng cadmium, chì, niken, coban và sắt trong nước uống. Vì điện cực không yêu cầu xử lý cơ học nên nó đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng trực tuyến. Một ưu điểm khác của điện cực giọt Bi là cadmium và chì cũng như niken và coban có thể được xác định đồng thời.

4. Ứng dụng trong phân tích kim loại nặng hàm lượng vết

4.1. Vôn-Ampe hòa tan a-nốt xác định cadmium và chì

Ghi chú ứng dụng: Cd và Pb trong nước uống dùng điện cực giọt Bi.

Cadmium and lead in drinking water – Simultaneous determination by voltammetry using a Bi drop electrode

4.2. Xác định trực tiếp sắt

Sự hiện diện của sắt trong nước uống có thể dẫn đến mùi vị kim loại khó chịu, chát, hoặc các vết màu nâu đỏ. Ngoài ra, «vi khuẩn sắt» có thể phát triển trong nước có chứa sắt với nồng độ thấp cỡ 100 µg/L, tạo ra chất nhờn màu nâu đỏ có thể làm tắc nghẽn đường ống dẫn nước và gây ra mùi khó chịu. Trong một thời gian dài, sự hình thành các cặn sắt không hòa tan là vấn đề trong nhiều ứng dụng công nghiệp và nông nghiệp, chẳng hạn như cấp nước, làm mát hệ thống hoặc tưới tiêu đồng ruộng. Để tránh những vấn đề này, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) xác định Mức độ ô nhiễm tối đa thứ cấp (SMCL) cho các nhà máy xử lý và chế biến nước là 300 µg/L sắt trong nước uống.

4.3. Xác định Vôn-Ampe hòa tan hấp phụ của niken và coban

Các nguồn ô nhiễm niken chính là từ quá trình mạ điện, hoạt động luyện kim, hoặc rửa trôi từ đường ống và phụ kiện. Chất xúc tác được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu khí và hóa chất là những lĩnh vực ứng dụng chính của coban. Trong cả hai trường hợp, kim loại được thải trực tiếp hoặc qua đường nước thải - sông vào hệ thống nước uống. Do đó, ở các nước châu Âu, luật quy định 20 µg/L là giá trị giới hạn cho nồng độ niken trong nước uống.