PHÂN TÍCH LƯỢNG NHỎ CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG LỚP MẠ HỢP KIM Ni- Zn

PHÂN TÍCH LƯỢNG NHỎ CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG LỚP MẠ HỢP KIM Ni- Zn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ ANH PHÂN TÍCH LƯỢNG NHỎ CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG LỚP MẠ HỢP KIM Ni- Zn LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ ANH PHÂN TÍCH LƯỢNG NHỎ CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG LỚP MẠ HỢP KIM Ni- Zn LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên Ngành: Hóa Phân tích Mã số: 60.44.29 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Nguyễn Văn Ri Hà Nội – 2009 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc nhất em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Ri đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn hóa phân tích đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua. Tôi xin cảm ơn các anh chị, các bạn trong phòng thí nghiệm và các bạn đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp Hóa chất Lâm Thao - Phú Thọ, các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ động viên của gia đình đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Hà nội, ngày 25 tháng 11 năm2009 Học viên Nguyễn Thị Anh Mục lục Nội dung Trang MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3 1.1 Tình hình nghiên cứu lớp mạ hợp kim có nguyên tố đất hiếm bảo vệ bề mặt kim loại 3 1.1.1 Nghiên cứu ở nước ngoài 3 1.1.2 Nghiên cứu trong nước 5 1.2 Giới thiệu về các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) 6 1.2.1 Giới thiệu chung về các NTĐH 6 1.2.2 Các hợp chất của đất hiếm 7 1.3 Các phương pháp xác định NTĐH 11 1.3.1 Các phương pháp hoá học 11 1.3.2 Phương pháp vật lý 13 1.3.3 Các phương pháp phân tích công cụ 13 1.3.4 Các phương pháp phân tích định lượng 15 1.4 Các phương pháp xác định hàm lượng Ni 2+ , Zn 2+ 15 1.4.1 Xác định hàm lượng Ni 2+ bằng phương pháp F-AAS 15 1.4.2 Xác định hàm lượng Zn 2+ bằng phương pháp chuẩn độ 16 1.5 Phương pháp đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp mạ 16 1.5.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ( SEM) 16 1.5.2 Phương pháp nhỏ giọt 16 1.5.3. Phương pháp ngâm trong dung dịch muối ăn 17 1.5.4 Phương pháp điện hóa 17 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 2.1 Đối tượng, nội dung nghiên cứu 19 2.1.1 Đối tượng 19 2.1.2 Nội dung 19 2.2 Phương pháp nghiên cứu 19 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20 3.1 Thiết bị và hóa chất 20 3.1.1 Thiết bị 20 3.1.2 Hóa chất 20 3.2 Khảo sát phổ hấp thụ phân tử của phức Ce 3+ -arsenazo III bằng phương pháp trắc quang UV-VIS 22 3.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo 22 3.3.1 Ảnh hưởng của pH môi trường đêm tới A 22 3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian tới độ bền của phức 23 3.3.3 Ảnh hưởng của thuốc thử dư tới A 24 3.3.4 Ảnh hưởng của các ion kim loại 25 3.3.5 Loại trừ các yếu tố ảnh hưởng 29 3.4 Xây dựng phương trình đường chuẩn xác định Ce 3+ 31 3.4.1 Xây dựng phương trình đường chuẩn 31 3.4.2 Kiểm tra sai số hệ thống của đường chuẩn 32 3.4.3 Giới hạn phát hiện (LOD) 33 3.4.4 Giới hạn định lượng (LOQ) 34 3.5 Chế tạo lớp mạ làm mẫu nghiên cứu 34 3.5.1 Xử lý bề mặt mẫu nghiên cứu 34 3.5.2 Chế tạo lớp mạ 34 3.5.3 Đánh giá khả năng chống ăn mòn của vật liêu sau mạ 39 3.6 Xác định các nguyên tố có trong thành phần lớp mạ 42 3.6.1 Xử lý mẫu 42 3.6.2 Xác định hàm lượng Ce 3+ trong lớp mạ bằng phương pháp trắc quang 42 3.6.3 Xác định Ni 2+ trong lớp mạ bằng phương pháp F-AAS 45 3.6.4 Xác định Zn 2+ trong lớp mạ bằng phương pháp chuẩn độ complecxon 47 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT NTĐH: Nguyên tố đất hiếm TEA: Triethanolamine EPA: Là tác nhân làm bóng chính, được lựa chọn từ các sản phẩm phản ứng của các amin hoặc các dẫn xuất thế nhóm metyl của chúng với epinhalohydrin. SEM: Scanning electron microcope DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ A- Bảng biểu Bảng 1.1 Các nhóm NTĐH. Bảng 1.2: Logarit hằng số bền của NTĐH với EDTA phức 1:1. Bảng 3.1 : Ảnh hưởng của pH đến độ hấp thụ quang A. Bảng 3.2 : Ảnh hưởng của thuốc thử dư. Bảng 3.3 : Ảnh hưởng của Fe 2+ tới A. Bảng 3.4 : Ảnh hưởng của Fe 3+ tới A. Bảng 3.5 : Ảnh hưởng của Ni 2+ tới A. Bảng 3.6 : Ảnh hưởng của Zn 2+ tới A. Bảng 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ H + tới khả năng tách Fe 3+ ra khỏi Ce 3+ . Bảng 3.8: Hiệu suất thu hồi Ce 3+ . Bảng 3.9: Xác định giá trị A của đường chuẩn Ce 3+ . Bảng 3.10 : Thành phần dung dịch mạ và chế độ mạ. Bảng 3.11: Kết quả so sánh đặc tính của hai loại lớp mạ khi đánh giá bằng phương pháp nhỏ giọt. Bảng 3.12: Kết qủa so sánh đặc tính lớp mạ khi ngâm trong dung dịch muối ăn. Bảng 3.13: Kết quả đo đường cong phân cực. Bảng 3.14: Độ hấp thụ quang của Ce 3+ trong các mẫu theo phương pháp thêm chuẩn. Bảng 3.15: Kết quả xác định hàm lượng Ce 3+ trong các mẫu được mạ. Bảng 3.16: Kết qủa đo phổ dãy chuẩn Ni 2+ . Bảng 3.17: Kết quả đo phổ AAS của Ni 2+ trong lớp mạ. Bảng 3.18: Xác định hàm lượng Zn 2+ trong lớp mạ bằng phương pháp chuẩn độ complecxon. B- Hình vẽ Hình 1.1: Hình miêu tả phương pháp ngoại suy Tafel. Hình 3.1: Phổ UV- VIS của phức Ce- Asenazo III. Hình 3.2 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của A vào pH. Hình 3.3: Độ bền của phức theo thời gian. Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thuốc thử dư đến A của Ce 3+ . Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của Fe 3+ tới A của Ce 3+ . Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của Zn 2+ tới A của Ce 3+ . Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ H + tới khả năng tách Fe 3+ ra khỏi Ce 3+ . Hình 3.8: Đường chuẩn xác định Ce 3+ . Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân tạo phức kết hợp với axit citric trong dung dịch mạ lên tỉ lệ Ni lên lớp mạ. Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn đường cong dòng - thế của dung dịch mạ hợp kim có phụ gia (1-1 ’ ) và dung dịch chưa có phụ gia (2-2 ’ ). Hình 3.11: Cấu trúc lớp mạ có Ce-Zn-Ni. Hình 3.12: Cấu trúc lớp mạ có Zn-Ni. Hình 3.13: Đường cong phân cực lg i = f(E) Hình 3.14: Đồ thị thêm chuẩn của mẫu 1. Hình 3.15: Đồ thị thêm chuẩn của mẫu 2. Hình 3.16: Đồ thị thêm chuẩn của mẫu 3. Hình 3.17: Đường chuẩn của Ni 2+ . MỞ ĐẦU Ngày nay, vật liệu kim loại vẫn đang chiếm một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như trong nền kinh tế quốc dân. Do có hoạt tính cao nên chúng luôn bị môi trường tác động làm phá hủy dần từ ngoài vào trong. Theo ước tính thì ăn mòn kim loại hàng năm trên thế giới làm thiệt hại khoảng 5% nền kinh tế. Ở nước ta, môi trường khí hậu nhiệt đới nóng ẩm là điều kiện lý tưởng cho ăn mòn kim loại, tỷ lệ vật liệu kim loại được sử dụng còn cao vì vậy thiệt hại do ăn mòn chắc chắn sẽ lớn hơn. Như chúng ta đã biết, sắt và hợp kim của nó là vật liệu rất quan trọng đối với các lĩnh vực công nghiệp, kinh tế cũng như đời sống thường nhật. Trong đó thép cacbon được xem như vật liệu quan trọng và thông dụng nhất. Do có tính chất cơ lý, hóa ưu việt nên thép cacbon được dùng ở khắp nơi là vật liệu kim loại có sản lượng lớn nhất thế giới hiện nay. Tuy nhiên, vật liệu này kém bền, dễ bị ăn mòn trong các môi trường nên khi sử dụng phải có biện pháp bảo vệ chống ăn mòn thích hợp. Trong trường hợp này chúng ta thường có hai cách bảo vệ sắt: Tạo ra hợp kim của sắt có đặc tính chống ăn mòn cao hoặc tạo ra lớp phủ, mạ bảo vệ ngăn cách sự tiếp xúc giữa vật liệu với môi trường, sự ngăn cách có thể là lớp sơn bề mặt hay dùng lớp phủ photphat hóa bề mặt và một kỹ thuật đang được sử dụng phổ biến trên thế giới đó là phương pháp mạ hợp kim. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về lớp mạ hợp kim nhằm tạo ra một lớp mạ bền vững nâng cao khả năng chống ăn mòn và các nghiên cứu này đều tập trung vào các chất phụ gia có trong thành phần lớp mạ. Một trong số các chất phụ gia được nghiên cứu là hợp chất của đất hiếm. Chúng có khả năng bảo vệ vật liệu, chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau hoặc ở nhiệt độ cao (môi trường oxi hóa hay sunfit hóa hoặc các muối nóng chảy) hoặc ở nhiệt độ thấp (các dung dịch có chứa clorua hay nước biển). Ngoài ra người ta còn sử dụng các nguyên tố đất hiếm làm chất ức chế gỉ, không độc như các chất ức chế cromat nói chung. Như vậy việc nghiên cứu sử dụng các nguyên tố đất hiếm trong công nghiệp đã rất phong phú, ở nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực công nghệ mạ điện. Việc xác định thành phần hóa học các lớp mạ, tìm ra các tỷ lệ phụ gia đất hiếm hợp lí để nâng cao chất lượng bề mặt cũng như khả năng chống ăn mòn của lớp mạ là một trong những đòi hỏi của quá trình nghiên cứu thực nghiệm chế tạo lớp mạ, phục vụ sản xuất trong tương lai. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài : “Phân tích lượng nhỏ các nguyên tố đất hiếm trong lớp mạ hợp kim Ni – Zn” cho cuốn luận văn này. Với các nhiệm vụ chủ yếu sau: 1. Tìm các điều kiện tối ưu để xác định thành phần nguyên tố đất hiếm (Ce 3+ ) có trong lớp mạ hợp kim Ni- Zn bằng phương pháp UV-VIS. 1 2. Ngoài việc xác định nguyên tố Ce 3+ là chất phụ gia có trong lớp mạ, chúng tôi cũng xác định thêm cả Ni 2+ (bằng phương pháp F-AAS) và Zn 2+ (bằng phương pháp chuẩn độ complecxon) là những thành phần chính của lớp mạ. 3. Trong luận văn chúng tôi cũng trình bày tóm tắt quá trình chế tạo lớp mạ và khả năng chống ăn mòn của lớp mạ khi có chất phụ gia Ce 3+ . 2 [...]... phương pháp trắc quang UV-VIS - Tiến hành phân tích lớp mạ hợp kim Ni -Zn có chứa phụ gia Ce3+ + Chế tạo lớp mạ để làm mẫu nghiên cứu + Đánh giá chất lượng lớp mạ (chất lượng bề mặt và khả năng chống ăn mòn của lớp mạ hợp kim Ni -Zn có phụ gia Ce3+) + Phân tích thành phần lớp mạ hợp kim Ni -Zn có phụ gia Ce3+ 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành bản luận văn này, các phương pháp nghiên cứu được lựa chọn... tượng Các NTĐH đưa vào lớp mạ hợp kim Ni -Zn rất phong phú nhưng trong đó Xeri là chất phụ gia phổ biến được đưa vào lớp mạ để tăng khả năng chống ăn mòn cho kim loại Vì vậy trong phạm vi luận văn này chúng tôi tập trung chủ yếu vào việc phân tích xác định hàm lượng của Ce 3+ trong lớp mạ hợp kim Ni -Zn bằng phương pháp quang phổ thụ phân tử UV-VIS 2.1.2 Nội dung - Khảo sát chọn các điều kiện tối ưu... có dạng khác là: CeO2, Tb4O7, Pr6O11 Các oxít đất hiếm là các bazơ oxit điển hình không tan trong nước nhưng tan tốt trong các dung môi Chúng được điều chế bằng cách nung các hydroxit đất hiếm hoặc các muối đất hiếm như nitrat, oxalat, cacbonat đất hiếm ở nhiệt độ cao 1.2.2.2 Các hydrôxit đất hiếm [Ln(OH)3] Các hydroxit đất hiếm là những kết tủa ít tan trong nước, tích số tan giảm từ Ce(OH) 3 khoảng... chuẩn 1.4 Các phương pháp xác định hàm lượng Ni 2+ , Zn2 + 1.4.1 Xác định hàm lượng Ni 2+ bằng phương pháp F-AAS [ 9,12] Với hàm lượng Ni trong mẫu nhỏ thì các phương pháp phân tích hoá học được thay thế bằng phương pháp phân tích công cụ Có rất nhiều phương pháp phân tích công cụ có thể xác định lượng nhỏ các nguyên tố có trong mẫu như các phương pháp điện hóa hoặc phương pháp trắc quang, các phương... lâu .Trong phép xác định đó người ta chuẩn độ kẽm trong dung dịch đệm amoni có pH = 10 khi có mặt ET-OO làm chất chỉ thị, điểm tương đương rất rõ rệt Trong thực tế người ta ứng dụng phép xác định complecxon kẽm trong phân tích những vật liệu khác nhau như: xác định kẽm của sản phẩm công nghiệp luyện kim, đặc biệt là các hợp kim nhôm, trong các hợp kim Zn- Ni, trong đồng thau, đồng đỏ, trong các hợp kim. .. ẩm * Các muối đất hiếm nitrat (Ln(NO3)3) Các muối này dễ tan trong nước, độ tan giảm từ La(NO3)3 đến Ln(NO3)3 Các đất hiếm nitrat đều không bền nhiệt, ở nhiệt độ cao bị phân huỷ thành đất hiếm oxit Ln(NO3)3 có thể tạo nên muối kép với muối nitrat amoni kim loại kiềm hay kim loại kiềm thổ theo kiểu Ln(NO 3)3.2MNO3 (M là ion amoni hay kim loại) * Các muối đất hiếm sunfat (Ln2(SO4)3) Các muối đất hiếm. .. ứng được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụng cụ máy móc và đồ trang sức Những năm gần đây tại các nước có nền công nghiệp phát triển, ngoài Zn, Fe, Mn người ta còn đưa vào lớp mạ một lượng nhỏ các nguyên tố như Co, Ni và các nguyên tố đất hiếm nhằm nâng cao các tính... nhau Căn cứ vào yêu cầu cụ thể trong nghiên cứu các nguyên tố đất hiếm ta lựa chọn các phương pháp xác định phù hợp 1.3.1 Các phương pháp hoá học [2] 1.3.1.1 Phương pháp phân tích khối lượng Phương pháp phân tích khối lượng là phương pháp cổ điển, độ chính xác có thể đạt tới 0,1% Cơ sở của phương pháp là sự kết tủa định lượng của chất phân tích với một thuốc thử thích hợp Phương pháp này không đòi... định kẽm trong quặng và tinh quặng, trong nước, trong hơi nước ngưng tụ, trong các muối kẽm, trong dầu, trong tro xương động vật và trong tế bào thực vật, trong các bể mạ và trong công nghiệp sơn Ưu điểm của phương pháp này là phân tích nhanh, thao tác phân tích đơn giản, độ chính xác cao và đang được sử dụng rộng rãi 1.5 Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt và khả năng chống ăn mòn của lớp mạ 1.5.1... quá trình phân tích lâu, nhiều giai đoạn phức tạp, đặc biệt khi phân tích lượng vết các chất Vì vậy, phương pháp này không được dùng phổ biến trong thực tế để xác định lượng vết các chất mà chỉ dùng trong phân 11 hàm lượng lớn tích Phương pháp phân tích khối lượng xác định các NTĐH dựa trên cơ sở kết tủa chúng ở dạng hydroxit hoặc oxalat Sau khi nung kết tủa thu được dưới dạng cân oxit tổng các NTĐH . NGUYỄN THỊ ANH PHÂN TÍCH LƯỢNG NHỎ CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG LỚP MẠ HỢP KIM Ni- Zn LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên Ngành: Hóa Phân tích Mã số: 60.44.29. tài : Phân tích lượng nhỏ các nguyên tố đất hiếm trong lớp mạ hợp kim Ni – Zn cho cuốn luận văn này. Với các nhiệm vụ chủ yếu sau: 1. Tìm các điều