Xác định nhanh dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong rau quả bằng phương pháp chiết dòng ngưng liên tục

hoa Hà Nội, cùng toàn thể các anh chị đang công tác tại Trung tâm EDC đã tạo điều kiện giúp đõ tôi trong quá trình thực hiện bản đồ án này. Mục lục Các kí hiệu dùng trong đồ án. CE : Nồng độ cấu tử phân bố trong dung môi. [mg/ml] C: Nồng độ cấu tử phân bố trong hơi dung môi. [mg/ml] C: Nồng độ cấu tử phân bố trong dung môi sau quá trình chiết. [mg/ml] CE,C : Nồng độ cấu tử phân bố trong dung môi trong quá trình chiết. [mg/ml] CW: Nồng độ cấu tử phân bố trong nước. [mg/ml] C: Nồng độ cấu tử phân bố trong dòng hơi nước. [mg/ml] C: Nồng độ cấu tử phân bố trong pha nước sau quá trình chiết. [mg/ml] CW,C: Nồng độ cấu tử phân bố trong pha nước khi chiết. [mg/ml] CW,O: Nồng độ cấu tử phân bố ban đầu có trong mẫu phân tích. [mg/ml] F: Tỷ lệ dòng. FE: Dòng dung môi chiết. [ml/s] F: Dòng hơi dung môi chiết [ml/s] FW: Dòng nước. [ml/s] F: Dòng hơi nước. [ml/s] K: Hằng số phân bố lỏng – lỏng. KW: Hằng số phân bố khí lỏng. PA: áp suất hơi bão hoà của cấu tử A nguyên chất. [at] PB: áp suất hơi bão hoà của cấu tử B nguyên chất. [at] p: áp suất riêng phần của cấu tử A. [at] p: áp suất riêng phần của cấu tử B. [at] RE: Độ thu hồi. t: Thời gian chiết. [s] V: Tỷ lệ thể tích. [ml] VE: Thể tích dung môi chiết. [ml] VW: Thể tích mẫu nước. [ml] Mở Đầu ở nước ta ngày nay, thuốc trừ sâu bệnh đã trở thanh một nhu cầu cần thiết trong sản xuất nông nghiệp. Công dụng của thuốc bảo vệ thực vật trong việc đẩy lùi và hạn chế tác hại của sâu bệnh, cỏ dại đối với cây trồng và nông sản đã được đông đảo mọi người công nhận. Tuy nhiên bên cạnh những lợi ích do thuốc bảo vệ thực vật đem lại, việc sử dung thuốc bảo vệ thực vật cũng gây ra những tác hại rất lớn đối với môi trường sinh thái, động thực vật và cả con người. Do tính chất bền vững của thuốc bảo vệ thực vật mà sau khi phun một thời gian chúng không bị phân huỷ ngay mà vẫn còn tồn tại một lượng nhỏ (dư lượng) trong môi trường như trong đất, trong nước và đặc biệt là trong rau, quả. Rau là một loại thực phẩm quen dùng trong bữa ăn hàng ngày của người dân Việt Nam. Tuy nhiên nước ta là một nước đang phát triển, trình độ dân trí chưa cao. Việc nói, làm theo pháp luật và các quy trình hướng dẫn khoa học vào đời sống chưa được thực hiện một cách nghiêm túc, người dân còn có thói quen làm theo kinh nghiệm. Với những lý do như vậy làm cho rau ở việt nam đã và đang có dư lượng thuốc bảo vệ thực vật cao, dẫn đến mỗi năm đều có hàng trăm người chết vì ngộ độc thuốc bảo vệ thực vật. Do đó việc nghiên cứu xác định nhanh dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong rau quả là một việc làm cần thiết, nhằm đưa ra những khuyến cáo kịp thời cho người tiêu dùng. Hiện nay cũng có nhiều phương pháp xác định dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong thực phẩm, tuy nhiên những phương pháp này đều đòi hỏi thời gian phân tích dài, tốn kinh phí, trải qua nhiều qui trình phức tạp. Cho nên nó không đáp ứng được yêu cầu cơ bản là phân tích nhanh, trong bản đồ án này chúng tôi tập chung vào việc nghiên cứu một phương pháp mới đó là phương pháp chiết dòng ngưng liên tục, áp dụng phương pháp này vào việc tách chiết dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong rau, quả với hy vọng đây sẽ là một phương pháp mới đáp ứng được yêu cầu phân tích nhanh, đồng thời đạt được độ thu hồi cao. CHƯƠNG I: Tổng Quan. I.1. Giới thiệu chung về thuốc bảo vệ thực vật. Thuốc bảo vệ thực vật dung trong nông nghiệp có rất nhiều loại thuộc nhiều nhóm khác nhau như các nhóm: clo hữu cơ, lân hữu cơ, cacbamát, nhóm thuốc gốc thảo mộc pyrethroid..v..v.. Trong số này, hiện nay trong nghành nông nghiệp nứơc ta chủ yếu dùng các nhóm chính là nhóm clo hữu cơ, lân hữu cơ, cacbamát, nhóm thuốc gốc thảo mộc pyrethroid. I.1.1. Nhóm clo hữu cơ. Đại diện là: DDT, 666, Andrin, Dieldrin,… Đây là loại hoá chất bền vững trong môi trường tự nhiên giống như các kim loại nặng. Thời gian bán phân huỷ phần lớn các hợp chất của chung trong môi trường tự nhiên là 20 năm. Chúng ít tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ. Trong điều kiện bình thường, chúng ít bị phân giải nhưng trong môi trường kiềm nhất là có thêm các kim loại như: Fe, Hg, Cu… chúng sẽ bị phân giải nhanh. Ngoài ra, ánh sáng mặt trời, nhiệt độ cũng là tác nhân làm thuốc phân giải. Đây là nhóm hoá chất được dùng đầu tiên trên thế giới vào các lĩnh vực y học, nông nghiệp. Nhưng với cơ chế độc là tích luỹ trong các mô mỡ của động vật nên chúng dễ gây nhiễm độc mãn tính, còn gọi là nhiễm độc nghề nghiệp với các triệu chứng về thần kinh là chủ yếu. Đây là nhóm hoá chất đáng lo ngại nhất hiện nay, đã được nhà nước khuyến cáo hạn chế và cấm sử dụng. I.1.2. Nhóm phốt pho hữu cơ. Đại diện là Wonfatox, Metafos, Bi-58, Diazinon, Matathion… Các chất cơ phốt pho đều dễ bay hơi là những chất độc đường hô hấp. Chúng dễ hoà tan trong các dung môi hữu cơ và dầu mỡ, dễ bị phân huỷ nên khó thu hồi được chế phẩm ban đầu. Thuốc được dùng để chống sâu bệnh cho thực vật, diệt cỏ, chống nấm, diệt ruồi muỗi, bọ chét. Nhìn chung về mặt hoạt tính sinh học các hợp chất cơ phốt pho là những chất rất độc, thường gây độc cấp tính đối với người và động vật máu nóng. Cơ chế độc của thuốc là ức chế hệ enzim chlinesteraza, chủ yếu là enzim điều hoà sự phân huỷ AxetylCholin kích thích quá trình chuyển tín hiệu thần kinh cho tế bào. Cơ chế này làm phá huỷ quá trình sống bình thường của động vật, gây ra các triệu chứng nhiễm độc kiểu nhiễm độc Muscarin và nhiễm độc Nicôtin. I.1.3. Nhóm Carbamat. Đại diện là Camerthin, Diamix, Actellic… là các dẫn suất của các axit carbamit, có độc tính cao đối với người và động vật. Nhưng chúng là những hợp chất rất kém bền trong môi trường và khả năng tích luỹ trong cơ thể không cao mặc dù cơ chế độc của chúng giống hợp chất phốt pho hữu cơ nên chúng được dùng để thay thế cho các hợp chất thuộc hai nhóm trên. I.1.4. Nhóm Pyrethroid. Đại diện là Polytrin, Cidi, Sumicidin… là các hợp chất thảo mộc, mặc dù cơ chế độc của chúng giống với hợp chất Carbamat nhưng chúng lại ít bền hơn và không có khả năng tích luỹ trong cơ thể và trong môi trường nên hiện nay có xu thế được dùng để thay thế các hợp chất thuộc các nhóm trên. Ngoài ra còn có các loai thuốc có gốc kim loại nặng Cu, Hg, As… cũng là những hoá chất cực kỳ độc hại đối với môi trường và con người. Rất nhiều loại thuốc thuộc các nhóm hoá chất này có khả năng gây độc theo nhiều con đường như tiếp xúc, đường ruột, xông hơi, nội hấp, thấm sâu nên dễ gây nhiễm độc thuốc và nhiễm độc với hàm lượng lớn. I.2. Tính chất hoá lý của một số loại thuốc điển hình thuộc nhóm cơ-clo. I.2.1. Polyclobiphenyl (PCBs). Polyclobiphenyl là tên gọi hỗn hợp các cấu tử tạo thành do sự thay thế từ 1 đến 10 nguyên tử hydrô trong phân tử biphenyl bằng các nguyên tử clo. Công thức tổng quát của PCBs là: CHCl. Công thức cấu tạo chung: Clx Cly PCBs có cấu tạo gồn hai vòng thơm, có đính một số nguyên tử clo. Các nguyên tử clo thế vào các vị trí khác nhau tạo nên 209 đồng phân. Các cấu tử được đánh số thứ tự từ 1 đén 209 theo danh pháp quốc tế. Tuỳ thuộc vào điều kiện phản ứng mà mức độ clo hoá thay đổi từ 18,8% đến 71,3% (theo khối lượng). Thực tế, trong sản phẩm thương mại chỉ có 130 cấu tử trong tổng số 209 cấu tử, mức độ clo hoá trung bình từ 21% đén 68%. PCBs là chất lỏng không màu hoặc màu vàng nhạt, chúng có tính chất chung là: + Bền nhiệt + Không cháy nổ. + Cách nhiệt tốt. + ổn định về mặt hoá học ở điều kiện thường: trơ với axit, bazơ và các tác nhân hóa học khác. + Dễ tan trong các hợp chất hyđrôcacbon, mỡ và các hợp chất hữu cơ, ít tan trong nước. Trên thực tế PCBs còn có nhiều tên gọi khác nhau, một số tên gọi phổ biến là: Aroclo, Areclo, Asbestol, Biclor, Chlorindted Biphenyl… I.2.2 Diclo Diphenyl Triclotan (DDT). Tên thông thường: Diclo Diphenyl Triclotan. DDT có công thức phân tử là , khối lượng phân tử là M=345,5. Công thức cấu tạo: DDT là tinh thể trắng, có nhiệt độ nóng chảy 108,5-109C, nhiết độ sôi là 185-187C. Tan ít trong nước (khoảng 0.0001mg/l), tan tốt trong các dung môi hữu cơ và trong dầu (ở 27C độ tan của DDT trong cyclohexan 1000g/l, trong dioxane 1000g/l, trongclorofom là 310g/l…). Tan kém trong các dung môi là các hyđrôcácbon mạch thẳng và vòng no. DDT bền dưới tác dụng của nhiệt độ, ở 100C thì DDT vẫn không bị phân huỷ. DDT tác dụng được với các chất có tính ôxy hoá mạnh và các chất kiềm. DDT được sản xuất trong công nghiệp theo phản ứng sau: I.2.3. Aldrin. Aldrin còn có tên gọi khác: 1,2,3,4,10,10–1,4,4a,8,8a–Hexhyđroendo-1,4 exo- 5,8–Dimetanopaphthalen. Aldrin có công thức phân tử là C HCl. Khối lượng phân tử là M = 364,93. Công thức cấu tạo: Aldrin là tinh thể không màu đến màu đen xẫm, có mùi nhẹ, nóng chảy ở nhiệt độ 104C, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ, tan rất ít trong nước (0,003%). Adrin là chất rắn không cháy, khi sôi bị phân huỷ và có áp suất hơi là 0,00008 mmHg. Aldrin phản ứng với các axit vô cơ đậm đặc, các kim loại hoạt động mạnh, các chất ôxy hoá, phênol… I.2.4. Dieldrin. Dieldrin còn có tên khác là: 1,2,3,4,10,10–Hexaclo–6,7–epoxy– 1,4,4a,5.6.7.8,8a–octahydro–1,4–endo 5,8 dimêtanonaphthalen. Dieldrin có công thức phân tử là: CHOCl. Khối lượng phân tử M =380,93. Công thức cấu tạo: Dieldrin là tinh thể không màu đến màu sáng, mùi nhẹ, không cháy, ít tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ. Dieldrin nóng chảy ở nhiệt độ 175–176 C. Có áp suất hơi 0,4 mPa. Phản ứng với các chât oxy hoá mạnh, các kim loại kiềm và phenol, Dieldrin bền trong các dung dịch axit, dung dịch kiềm. I.2.5. Hexanclobenzen (HCB). Hexaclobenzen còn có tên gọi khác là: Hexaclo–1,3–Cyclopentadien . Công thức phân tử: CCl Khối lượng phân tử: M = 284,8. Công thức cấu tạo: HCB ít tan trong nước, tan tốt trong các dung môi hữu cơ, CCl4 và ete. HCB là chất lỏng không cháy, có tác dụng với ánh sáng, phản ứng chậm với nước tạo thành HCl. Do đó HCB có khả năng ăn mòn kim loại trong điều kiện ẩm. HCB còn có khả năng tạo ra khí nổ trong điều kiện kín và ẩm. I.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp chiết. I.3.1. Khái niệm. I.3.1.1. Chiết lỏng-lỏng Chiết lỏng-lỏng là một quá trình tách một chất hoặc một vài chất từ pha lỏng này sang pha lỏng khác không trộn lẫn với pha lỏng ban đầu. quá trình này bao gồm việc thêm vào pha lỏng ban đầu một pha lỏng khác không trộn lẫn, sau đó trong hệ xảy ra sự chuyển hoá giữa hai pha cho đến khi hệ đạt đến trạng thái cân bằng. Qúa trình chuyển chất từ pha này sang pha kia được gọi là quá trình phân bố. Cân bằng đạt được gọi là cân bằng phân bố hay cân bằng chiết. Người ta thường tiến hành chiết các chất từ pha nước lên pha hữu cơ hoặc từ pha hữu cơ này sang pha hữu cơ khác. Cơ sở vật lý của phương pháp chiết lỏng-lỏng là định luật phân bố Nenxơ: “ở mỗi áp suất và nhiệt độ nhất định, tỷ lệ nồng độ của một chất hoà tan trong chất lỏng A và B không tan vào nhau là một giá trị không đổi khi đạt được trạng thái cân bằng. Giá trị đó được gọi là hằng số phân bố K’’ Định luật Nenxơ chỉ đúng cho trường hợp nồng độ nhỏ và chất hoà tan có trạng thái như nhau trong cả hai chất lỏng Avà B. Theo định luật trên, để chiết một chất có hiệu quả thì chất đó phải hoà tan trong dung môi chiết tốt hơn rất nhiều so với môi trường mà nó đang tồn tại. Nghĩa là hằng số phân bố đối với dung môi chiết phải lớn. I.3.1.2. Chiết rắn-lỏng. Chiết rắn-lỏng là một quá trình hoà tan chọn lọc một hoặc một số các cấu tử của chất rắn bằng một dung môi lỏng. Các quá trình chiết rắn-lỏng thường kèm theo các quá trình lọc bốc hơi, kết tinh . Bất kỳ một quá trình chiết rắn-lỏng nào cũng bao gồm các giai đoạn sau: 1. Giai đoạn dung môi xâm nhập vào trong pha rắn. 2. Giai đoạn hoà tan cấu tử phân bố vào dung môi diễn ra ở trong pha rắn. 3. Giai đoạn dung dịch chuyển từ trong pha rắn ra bề mặt phân chia pha. 4. Giai đoạn dung dịch khuếch tán vào khối chất lỏng. Tốc độ của quá trình chiết rắn-lỏng phụ thuộc rất lớn vào hình dạng kích thước thành phần hoá học của chất rắn, vào cấu trúc bên trong của chất rắn cũng như hình dạng kích thước của lỗ mao quản. Trong một số trường hợp quá trình hoà tan là do phản ứng dị thể xảy ra trên bề mặt phân chia pha, không chỉ đối với chất rắn hoà tan mà với cả chất rắn không hoà tan. Các phản ứng này có thể tạo ra các bọt khí làm giảm bề mặt tiếp xúc pha giữa pha rắn và pha lỏng làm giảm tốc độ của quá trình chiết. I.3.2. Một số khái niệm khác trong quá trình chiết. I.3.2.1. Chất chiết (dung môi chiết). Chất chiết là dung môi hữu cơ có chứa hoặc không chứa các cấu tử khác dùng để chiết các cấu tử cần chiết ra khỏi pha ban đầu. I.3.2.2. Chất pha loãng. Là dung môi hữu cơ trơ được thêm vào dung môi chiết để làm tốt những tính chất vật lý (như tỷ khối, độ nhớt…) của dung môi chiết. Như vậy pha hữu cơ dùng để chiết có thể chỉ là một chất lỏng nguyên chất nhưng cũng có thể là một dung dịch chứa vài cấu tử khác đóng vai trò thuốc thử hoặc chất pha loãng. I.3.2.3. Hằng số phân bố (K). Hệ số phân bố của quá trình chiết một chất (hoặc một tiểu phân) có giá trị bằng tỷ số giữa nồng độ của các chất (hoặc tiểu phân đó) ở tất cả các dạng hoá học trong phần chiết trên nồng độ tổng cộng của nó ở tất cả các dạng hoá học có trong pha nước (hoặc pha hữu cơ ban đầu). K= Trong đó: C: Tổng nồng độ của cấu tử phân bố trong chất lỏng A. C: Tổng nồng độ của cấu tử phân bố trong chất lỏng B. Hằng số phân bố là một đại lượng quan trong nhất, đặc trưng cho khả năng chiết của dung môi đối với một chất phân tán đã cho ở nhiệt độ xác định. Hăng số phân bố càng lớn thì ở điều kiện cân bằng, các chất chuyển vào dung môi chiết cơ càng nhiều. Bằng phương pháp phân tích hoá học người ta có thể xác định được nồng độ tổng cộng của tiểu phân cần chiết trong các pha và do đó có thể xác định được hệ số phân bố. Một chất có hệ số phân bố càng lớn thì chất đó càng được chiết dễ lên pha hữu cơ. I.3.2.4. Độ thu hồi (phần trăm chiết). Để đánh giá được hiệu quả của quá trình chiết một chất (hoặc một tiểu phân), người ta còn hay sử dụng đại lượng: độ thu hồi (R), R có giá trị bằng tỷ số giữa lượng tổng cộng của các chất (hoặc tiểu phân) ở phần chiết được so với lượng tổng cộng của chất đó ở cả hai pha. Giá trị của R không chỉ phụ thuộc vào hệ số phân bố K mà còn phụ thuộc cả vào thể tích pha nước và pha hữu cơ . I.4. Một số phương pháp chiết. I.4.1. Phương pháp chiết gián đoạn. Đây là phương pháp chiết đơn giản nhất, theo phương pháp này thì mẫu và dung môi chiêt được cho đồng thời vào phễu chiết, sau đó tiến hành lắc đều. Quá trình lắc trộn nhằm mục đích làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha, Điều đó không chỉ làm tăng tốc độ chiết mà còn làm cho trạng thái cân bằng nhanh được thiết lập. C V Dịch chiết C V Hình 1: Mô hình của phương pháp chiết gián đoạn. Hằng số phân bố được xác định theo công thức: K= (2) Phương trình bảo toàn khối lượng trước và sau khi chiết: Tổng lượng cấu tử phân bố trong mẫu ban đầu băng tổng lượng cấu tử phân bố trong pha nước và pha dung môi sau quá trình chiết. m = m + m (3) Phương trình tính độ thu hồi đạt được sau quá trình chiết: Độ thu hồi được đo bằng tỷ số giữa lượng cấu tử phân bố có trong dung môi sau quá trình chiết và lượng cấu tử phân bố ban đầu có trong thể tích của mẫu. R = (4) Mà ta có: m = C.V (5) m = C.V (6) Thay (5) và (6) vào (4) ta được: R = (7) Chia cả tử và mẫu cho C. V ta được: R = (8) Đặt V = tỷ lệ thể tích. R = = (9) Đây chính là công thức biểu diễn mối quan hệ giữa độ thu hồi R và hằng số phân bố K. Khi thể tích của pha nước và của dung môi bằng nhau (V=1) thì ta có: R = (10) Hay : K = (11) Thông thường thì phương pháp chiết được xem như là định lượng khi độ thu hồi đạt được từ 99–99,9%; nghĩa là chỉ còn một lượng nhỏ chất cần chiết trong pha nước. Tuy nhiên trong thực tế thường không hiếm những trường hợp độ thu hồi R chỉ đạt được 90% thậm chí còn nhỏ hơn rất nhiều sau một lần chiết. Vì vậy người ta thường không sử dụng phương pháp chiết gián đoạn, với một lần chiết trong phân tích định lượng. Để giải quyết được vấn đề này người ta thường tiến hành chiết nhiều lần. Khi thực hiện chiết nhiều lần ta sẽ nhận được giá trị độ thu hồi cao hơn nhiều so với một lần chiết. Khi đó độ thu hồi sau n lần chiết được xác định theo công thức: (12) Ta nhận thấy rằng tỷ số < 1, do đó nếu số lần chiết n càng lớn thì độ thu hồi R càng lớn. I.4.2. Phương pháp chiết lỏng–lỏng liên tục. I.4.2.1. Mô hình của phương pháp chiết lỏng–lỏng liên tục. V,C VW,0 CW FW CW K1 F C FW C FE C Hình 2: Mô hình phương pháp chiết lỏng–lỏng liên tục. Theo phương pháp này dung môi được đun bay hơi đi vào ống ngưng hơi K1. Tại đây hơi dung môi được ngưng tụ lại và hoà trộn với một dòng nước từ ngăn chứa mẫu đi vào, tạo thành một dòng chất lỏng chảy xuống ngăn phân tách pha. Đồng thời với quá trình này là sự di chuyển cấu tử phân bố từ pha nước vào dung môi chiết. Sau khi đã có sự phân tách hai pha, dung môi chiết lại được hồi lưu trở lại bình chứa dung môi. Tại đây nó lại tiếp túc được bay hơi lên ống ngưng hơi K1. Quá trình diễn ra liên tục như vậy cho đến khi lượng mẫu trong bình chứa đã được định mức hoàn toàn vào ống ngưng hơi K1. I.4.2.2. Phương trình cân bằng vật liệu. 1.Phương trình cân bằng vật liệu cho ống ngưng hơi (bộ phận chiết). Tổng lượng cấu tử phân bố đi vào ống ngưng hơi K là: Tổng lượng cấu tử phân bố đi ra khỏi ống ngưng hơi K là: Thực chất của quá trình chiết xảy ra trong ống ngưng hơi K chỉ là sự di chuyển của cấu tử phân bố từ pha nước vào dung môi chiết, không có sự mất mát ra ngoài, do đó tổng lượng cấu tử phân bố đi vào và đi ra khỏi ngăn chiết là không đổi. Vậy ta có: = (13) Đây chính là phương trình cân bằng vật liệu cho ống ngưng hơi K. Trong trường hợp nhiệt độ sôi của cấu tử phân bố cao hơn nhiều so với nhịêt độ sôi của dung môi, khi đó ta có thể coi nồng độ cấu tử phân bố trong hơi dung môi chiết là không đáng kể (C). Khi đó phương trình cân bằng vật liệu trở thành: = (14) 2. Phương trình cân bằng vật liệu của bình chứa dung dịch chiết. FE C F C Ta nhận thấy rằng nồng độ C trong bình chứa mẫu biến đổi theo thời gian. Nguyên nhân của sự thay đổi này là do lượng cấu tử phân bố đi vào và đi ra khỏi bình chứa là khác nhau. Giả sử sau một khoảng thời gian vô cùng nhỏ dt nồng độ của cấu tử phân bố trong bình chứa tăng lên một lượng là dC. Trong khoảng thời gian dt đó lượng cấu tử phân bố đi vào bình chứa là: F.C.dt. Lượng cấu tử phân bố đi ra khỏi bình chứa là: F.C.dt. Như vậy ta có: V.dC = F.C.dt + F.C.dt Hay: (15). Trường hợp nồng độ cấu tử phân bố trong dòng hơi dung môi là không kể, phương trình sẽ trở thành: (16) Đây chính là phương trình cân bằng vật liệu cho bình chứa dung dịch chiết. Trong quá trình chiết lỏng–lỏng liên tục hằng số phân bố được xác định theo công thức: K = (17) 3. Độ thu hồi của phương pháp chiết lỏng-lỏng liên tục. Để xác định được độ thu hồi của phương pháp ta cần giải phương trình vi phân (16). Kết hợp với các phương trình (14) và (17). Chia cả hai vế của phương trình (14) cho F.C ta được: (18) Hay: (19) Thế phương trình (17) vào ta được: (20) Suy ra: (21) Với F = : tỷ lệ dòng. Mặt khác từ phương trình (17) ta có: (22). Thế vào phương trình vi phân (16) ta được: (23) Thế phương trình (21) vào phương trình (23) ta được: (24) Lấy tích phân hai vế phương trình (24). Vậy: (25) Đây chính là phương trình biểu diễn sự thay đổi nồng độ của cấu tử phân bố trong dung dịch chiết theo thời gian. Quá trình chiết lỏng–lỏng liên tục kết thúc khi lương mẫu trong bộ phận chứa mẫu được định mức hoàn toàn vào bình chiết. Do đó thời gian cần thiết cho quá trình chiết lỏng–lỏng liên tục là: (26) Như vậy ta có thể xác định được nồng độ của cấu tử phân bố trong dung dịch chiết khi kết thúc quá trình chiết. (27) Vậy ta có lượng cấu tử phân bố đã được chiết là: (28) Lượng cấu tử phân bố trong mẫu ban đầu là: (29) Từ đây ta có thể xác định được độ thu hồi của phương pháp. (30) Phương trình (30) cho chúng ta biết, hằng số phân bố phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ dòng và vào hằng số phân bố. I.4.3. Phương pháp chiết lỏng ngưng hơi. I.4.3.1. Mô hình của phương pháp chiết lỏng ngưng hơi. K1 V C V C F C F C F C F C Hình 3: Mô hình phương pháp chiết lỏng–lỏng ngưng hơi. Đây là một phương pháp cho hiệu quả về độ thu hồi cao, nhưng về lý thuyết thì hết sức phức tạp. Trong phương pháp này thì cả nước và dung môi đều được đun bay hơi, đi vào ống ngưng hơi K1. Tại đây chúng được ngưng tụ lại tạo thành một dòng chất lỏng chảy từ trên xuống ngăn phân tách pha. Đồng thời xảy ra quá trình chiết, cấu tử phân bố di chuyển từ pha nước vào pha hữu cơ (dung môi chiết). Tại ngăn phân tách pha hỗn hợp lỏng được tách ra thành hai lớp, lớp nước và lớp dung dịch chiết. Sau đó cả hai lớp đều được hồi lưu chở lại bình chứa mẫu và bình chứa dung môi chiết, tại đây chúng tiếp tục được bốc hơi đi vào ống ngưng hơi K1. Quá trình diễn ra liên tục như vậy cho đến khi đạt được yêu cầu chiết. I.4.4.2. Phương trình cân bằng vật liệu. Để thiết lập được phương trình cân bẵng vật liệu cho phương pháp chiết lỏng ngưng hơi ta cần đưa ra một số giả thiết sau: + Toàn bộ lưu lượng các dòng chất lỏng và dòng hơi không thay đổi trong suốt quá trình chiết. + Có sự tồn tại cân bằng nhiệt động giữa các pha. + Quá trình chiết lỏng–lỏng xảy ra tại bộ phận làm lạnh, không có sự chuyển hoá chất tan trong ngăn phân cách C. + Không có sự bay hơi chất tan theo dòng hơi dung môi. 1. Phương trình cân bằng vật liệu cho ống ngưng hơi. K F C F C F C F C Lượng cấu tử phân bố đi vào ngăn chiết K là: F. C + F. C Lượng cấu tử phân bố đi ra khỏi ngăn chiết K là: F.C + F.C Mặt khác ta có: lượng vào bằng lượng ra nên. F. C + F. C = F.C + F.C (31) Đây chính là phương trình cân bằng vật liệu cho ngăn chiết K1. Trong trường hợp cấu tử phân bố, có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nhiều thì ta có thể coi nồng độ của cấu tử phân bố trong hơi dung môi là rất nhỏ coi như bằng 0 (C = 0). Khi đó phương trình cân bằng vật liệu sẽ là: F. C = F.C + F.C (32) Hay: F. = F.C + F.C. (33) Trong đó: K = : hằng số cân bằng lỏng–hơi. 2.Phương trình cân bằng vật liệu cho bộ phận chứa mẫu. C V F C Ta xét trong một khoảng thời gian rất nhỏ dt: Lượng cấu tử phân bố đi vào bình chứa mẫu là: Lượng cấu tử phân bố đi ra khỏi bình chứa mẫu là: Lượng cấu tử phân bố trong bình chứa giảm đi là: Như vậy ta có phương trình cân bằng vật liệu: = - (34) Hay: (35) 3. Phương trình cân bằng vật liệu cho bình chứa dung dịch chiết. Xét trong một khoảng thời gian vô cùng nhỏ dt, sự biến thiên nồng độ của cấu tử phân bố trong bình là dC. Lượng cấu tử phân bố đi vào bình chứa dung dịch chiết là: Lượng cấu tử phân bố đi ra khỏi bình chứa dung dịch chiết là: Sự biến thiên lượng cấu tử phân bố trong bình chứa là: Ta nhận thấy rằng nguyên nhân của sự biến thiên lượng cấu tử phân bố trong bình chứa dung dịch chiết chính là chênh lệch giữa lượng cấu tử ra và vào bình chiết. Vậy ta có: = - (36) Hay: (37) Mặt khác theo giả thuyết ta coi không có sự bay hơi của cấu tử phân bố theo dòng hơi dung môi chiết do đó phương trình trở thành: (38) Hệ số phân bố được xác định theo công thức: K = (39) 4. Biểu diễn sự biến thiên nồng độ cấu tử phân bố theo thời gian trong quá trình chiết. Để xác định được sự biến thiên nồng độ của cấu tử phân bố theo thời gian trong suốt quá trình chiết ta cần giải hệ hai phương trình vi phân (35) và (37). Kết hợp với phương trình cân bằng vật liệu (31) Chia cả hai vế của phương trình (31) cho ta được: (40) Ta có: Từ đây ta có: (41) Suy ra: (42) Chia cả hai vế của phương trình vi phân (36) cho ta được: (43) Thay phương trình (42) vào phương trình (43) ta được: (44) Suy ra: (45) Lấy tích phân hai vế phương trình (45) Suy ra: ln Hay: ) (46) Từ hai phương trình (39) và (42) suy ra: (47) Thay phương trình (46) vào phương trình (47) ta được. (48) Thế phương trình (48) vào phương trình (38) ta được. (49) Suy ra: (50) Lấy tích phân hai vế phương trình (50). Ta được: (51) Đây chính là phương trình biểu diễn sự biến thiên của nồng độ cấu tử phân bố theo thời gian trong suốt quá trình chiết. CHƯƠNG II: Phương pháp nghiên cứu. II.1. Phương pháp chiết dòng ngưng liên tục. II.1.1.Cấu tạo của thiết bị chiết dòng ngưng liên tục. Hình 4: Cấu tạo thiết bị chiết dòng ngưng liên tục. II.2.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị chiết dòng ngưng liên tục. Phương pháp chiết dòng ngưng liên tục là một trong những phương pháp phân lớp và tinh chế các chất hữu cơ đạt hiệu quả cao. Phương pháp này được được áp dụng để làm giàu và tinh chế những chất bay hơi không phân cực, không tan hoặc rất ít tan trong nước. Mẫu cần chiết được đưa và trong bình chưng cất 4 (nếu là mẫu rắn thì phải được nghiền nhỏ), tại đây mẫu sẽ được hoà tan ở trong nước cất. khi mẫu và nước cất trong bình 4 được đun sôi thì các chất cần phân tích có trong mẫu sẽ bị cuốn theo dòng hơi nước đi lên sinh hàn làm lạnh K, tại đây dòng hơi nước có chứa chất cần phân tích sẽ bị ngưng tụ lại tạo thành một dòng chất lỏng đi vào lớp dung môi ở phía dưới ống sinh hàn. Quá trình cân bằng lỏng-hơi xảy ra ở trên bề mặt lớp dung môi. Sau khi dòng lỏng vừa ngưng tụ đi vào lớp dung môi sẽ xảy ra quá trình cân bằng lỏng-lỏng, đồng thời diễn ra quá trình di chuyển cấu tử phân bố từ trong pha nước vào pha dung môi. Quá trình này diễn ra nhiều lần trong một thời gian chiết nhất định. Thời gian chiết mẫu phụ thuộc rất nhiều yếu tố, nhưng yếu tố cơ bản đầu tiên là dung môi chiết và chất cần chiết. II.2.3. Giải thích quá trình tách chiết. Như ta đã biết dung dịch phân ra làm hai loại như sau: 1. Dung dịch lý tưởng: là dung dịch mà trong đó lực liên kết giũa các phân tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau, khi đó các cấu tử hòa tan hoàn toàn vao nhau theo bất kỳ một tỷ lệ nào. Cân bằng giũa lỏng và hơi hoàn toàn tuân theo định luật Raun. 2. Dung dịch thực: là những dung dịch không hoàn toàn tuân theo định luật Raun, sự sai lệch so với định luật Raun là dương, nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại nhỏ hơn lực liên kết giữa các phân tử dùng loại, sai lệch âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại. Trong trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại rất bé so với lực liên kết giữa các phân tử cùng loại thì dung dịch sẽ phân lớp, nghĩa là các cấu tử không hoà tan vào nhau hoặc hoà tan không đáng kể. Mặt khác đối với các loại thuốc trừ sâu thuộc nhóm cơ-clo là những chất không hoặc tan rất ít trong nước. Do đó việc tách chiết dư lượng thuốc trừ sâu cơ-clo bằng phương pháp chiết dòng ngưng liên tục tuân theo nguyên tắc của phương pháp chưng lôi cuốn hơi nước. Khi trộn lẫn hai chất lỏng không hoà tan vào nhau thì mỗi chất lỏng trong hỗn hợp giữ nguyên tính chất của mình. Diều này có nghĩa là áp suất riêng phần của mỗi cấu tử không phụ thuộc vào nồng độ của nó trong hỗn hợp và bằng áp suất hơi bão hoà của cấu tử nguyên chất ở cùng nhiệt độ. (52) Và áp suất chung của hỗn hợp bằng tổng áp suất riêng phần nghĩa là bằng tổng áp suất hơi bão hoà của các cấu tử. (53) Và cả hai chất có cùng một nhiệt độ sôi, nhiệt độ sôi của hỗn hợp nhỏ hơn nhiệt độ sôi của chất có nhiệt độ sôi thấp nhất. Nếu gọi là số mol của cấu tử Avà B trong pha hơi ta có: (54) Trong đó: (55) Với: GA, GB: Lượng cấu tử A và B trong pha hơi. MA, MB: Khối lượng phân tử của cấu tử A và B. Thay phương trình (55) vào (54) ta được: (56) Nếu cho toàn bộ lượng hơi ngưng tụ thành lỏng thì tỷ số trọng lượng của các cấu tử trong chất lỏng thu được tỷ lệ thuận với tích áp suất riêng phần và khối lượng phân tử của chúng và không chịu ảnh hưởng bởi trọng lượng của chúng trong pha lỏng lúc chưa cất. Từ đây ta tính được phần trăm theo trọng lượng của cấu tử chưng cất thu được. (57) Trong thực tế không có chất lỏng không hoà tan hoàn toàn vào nhau. Nhưng khi độ hoà tan của các chất lỏng vào nhau là rất bé ta có thể coi chung không hoà tan vào nhau. Tính toán với các hệ này cho phép ta áp dụng các công thức của hệ chất lỏng không hoà tan vào nhau. II.2.4.Phương trình cân bằng vật liệu cho thiết bị chiết dòng ngưng liên tục. Dựa trên nguyên lý hoạt động của thiết bị chiết dòng ngưng liên tục ta có thể đưa ra mô hình của nó như sau: K1 VE,C , C*E VW,C , C*W VW CW Cw.c,Fw FE,CE,C F,C FW C*W F C F Hình 5: Mô hình chiết dòng ngưng liên tục Để thiết lập được phương trình cân bằng vật liệu cho thiết bị chiết dòng ngưng liên tục ta đưa ra một số giả thiết sau: + Tồn tại trạng thái cân bằng nhiết động giữa các pha (tại bề mặt tiếp xúc giữa hai pha). + Quá trình thực hiện chiết lỏng-lỏng chỉ xảy ra ở ống ngưng hơi K. + Không có sự chuyển hoá chất tan trong quá trình tách chiết ngăn C. + Sự thất thoát chất tan ra khỏi ống ngưng hơi K là rất nhỏ có thể bỏ qua. + Lượng nước hồi lưu trở lại ngăn chứa mẫu và lượng nước bốc lên là bằng nhau. 1. Phương trình cân bằng vật liệu cho ngăn chứa mẫu. Ta nhận thấy rằng nồng độ CW biến đổi theo thời gian. Giả sử sau một thời gian vô cùng nhỏ dt thì nồng độ cấu tử phân bố trong ngăn chứa mẫu CW biến đổi một lượng là dCW. Nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi nồng độ này là do lượng cấ tử phân bố đi vào và lượng cấu tử phân bố đi ra là khác nhau. Sau một thời gian vô cùng nhỏ dt lượng cấu tử phân bố đi vào ngăn chứa mẫu là: FW.C. dt. Lượng cấu tử phân bố đi ra khỏi ngăn chứa mẫu là: FC.dt = F..dt. Lượng cấu tử phân bố trong ngăn chứa mẫu giảm đi một lượng là: V.dC. Như vậy ta có: V.dC=F.C.dt - F..dt. (58) Hay: .- .. (59) 2. Phương trình cân bằng vật liệu cho ống ngưng hơi K. Tổng lượng của cấu tử phân bố đi vào K trong một đơn vị thời gian là: F.C+ F.C. Tổng lượng của cấu tử phân bố đi ra khỏi K là: F.C+F.C. Như vậy ta có: F.C+ F.C = F.C+F.C. (60) Trường hợp nhiệt độ sôi của cấu tử phân bố lớn hơn rất nhiều so với nhiệt độ sôi của dung môi chiết, khi đó ta có thể coi nồng độ của cấu tử phân bố trong hơi dung môi là không đáng kể. Lúc này phương trình (60) trở thành. F.C= F.C+ F.C (61) Hay. F.= F.C+ F.C (62) 3. Phương trình cân bằng vật liệu cho ngăn C. Trong ngăn C chỉ xảy ra quá trình phân tách hai pha, pha nước và pha hữu cơ. không ._.