NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG CÁC MẪU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐẤT HIẾM TINH KHIẾT BẰNG QUANG PHỔ PHÁT XẠ PLASMA CẢM ỨNG (ICP-OES)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Phương Thoa NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG CÁC MẪU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐẤT HIẾM TINH KHIẾT BẰNG QUANG PHỔ PHÁT XẠ PLASMA CẢM ỨNG (ICP-OES) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Phương Thoa NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG CÁC MẪU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐẤT HIẾM TINH KHIẾT BẰNG QUANG PHỔ PHÁT XẠ PLASMA CẢM ỨNG (ICP-OES) Chun ngành: Hóa phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Xuân Chiến Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Xuân Chiến giao đề tài, tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Lê Bá Thuận tạo điều kiện cho làm luận văn nơi làm việc Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đồng nghiệp Trung tâm Nghiên cứu Chuyển giao Công nghệ đất hỗ trợ, tạo điều kiên, quan tâm, động viên, ủng hộ để tơi hồn thành luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình giúp đỡ tơi nhiều suốt trình làm luận văn Hà Nội, ngày 29 tháng 12, năm 2015 Học viên Nguyễn Phương Thoa DANH MỤC VIẾT TẮT ST T Ký hiệu viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt NTĐH Nguyên tố đất Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng Phổ khối lượng plasma cảm ứng Huỳnh quang tia X ICP-OES ICP-MS XRF HPIC Ln Rare earth element Inductively coupled plasma- optical emission spectrometry Inductively coupled plasma- mass spectrometry X-ray fluorescent High performance ion chromatography Lanthanoit PET Positron emission tomography 10 HF MHZ 11 ICP-AES 12 ETV-ICP-MS High frequency Megahertz Inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry Electrothermal vaporisation ICPmass spectrometry 13 14 15 16 HPGe CRM REE ND 17 INAA 18 19 LOD LOQ High purity germanium Certificate reference material Rare earth element Non-detection Instrumental Neutron Activation Analysis Limit of detection Limit of quantitation MỤC LỤC Sắc ký ion hiệu cao Các nguyên tố đất Chụp cắt lớp phát xạ positron Cao tần megahec Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng Phổ khối lượng plasma cảm ứng hóa nhiệt điện Ge siêu tinh khiết Mẫu chuẩn đối chứng Nguyên tố đất Khơng phát Kích hoạt nơtron Giới hạn phát Giới hạn định lượng DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU Các nguyên tố đất (NTĐH) hay họ lantanit bao gồm nguyên tố Lantan (La), Ceri (Ce), Prometi (Pm), Neodim (Nd), Prazeodim (Pr), Samari (Sm), Europi (Eu), Gadolini (Gd), Tecbi (Tb), Dyspozi (Dy), Honmi (Ho), Erbi (Er), Tuli (Tu), Ytecbi (Yb) Lutecxi (Lu) có số thứ tự từ 57 đến 71 Trong Pm ngun tố phóng xạ, khơng tồn trạng thái tự nhiên Nguyên tố Sc, Y có số thứ tự 21 39, chúng có tính chất hóa học chung có bán kính ngun tử, bán kính ion giống nguyên tố họ lantanit nên Sc Y hợp họ họ NTĐH Chúng sử dụng nghành công nghiệp mũi nhọn giới, đặc biệt công nghiệp điện tử, xe hơi, lượng nguyên tử chế tạo máy Có nhiều nghiên cứu ứng dụng nguyên tố đất hiếm: nhóm Y, La, Ce, Eu, Gd, Tb dùng cho kỹ nghệ huỳnh quang, đặc biệt hình tinh thể lỏng; nhóm Nd, Sm, Gd, Dy, Pr dùng cho kỹ thuật nam châm vĩnh cửu thiết bị điện tử, phương tiện nghe nhìn; Er dùng sản xuất cáp quang; nhóm Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm dùng cho phát triển kỹ thuật làm lạnh từ tính thay phương pháp làm lạnh truyền thống khí nén Do nguyên tố đất có giá trị lớn, nên có nhiều kỹ thuật phát triển để khai thác, làm giàu, tách phân chia, nhằm mục đích thu đất có độ tinh khiết cao Việt Nam nước có nguồn đất phong phú Mỏ đất Yên Phú (Yên Bái) giàu nguyên tố đất phân nhóm trung đất phân nhóm nặng Mỏ đất Đơng Pao (Lai Châu) giàu nguyên tố đất nhóm nhẹ Hiện nay, nước ta Viện Công nghệ xạ với Viện Khoa học Địa chất Tài nguyên khoáng sản Hàn Quốc hợp tác, tiến hành nghiên cứu xử lý, chế biến quặng đất Việt Nam; điều chế ứng dụng hợp chất Ceri từ bastnaesite Đông Pao Việt Nam; tách phân chia nguyên tố đất nhóm nhẹ nhóm trung với độ tinh khiết cao Có nhiều kỹ thuật phân tích nguyên tố đất hiếm: quang phổ hấp thụ nguyên tử không lửa, quang phổ hấp thụ nguyên tử lửa, phổ huỳnh quang tia X, kích hoạt nơtron, ICP-OES, ICP-MS Do nguyên tố đất có tính chất tương tự nhau, khiến cho việc xác định chúng khó khăn, phức tạp Đặc biệt, cần phải xác định nguyên tố đất hỗn hợp có chứa nguyên tố đất khác Vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển phương pháp phân tích đáp ứng yêu cầu kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm công nghệ sản xuất ngun tố đất đóng vai trị quan trọng cần thiết Trước yêu cầu thực tế đặt ra, ‘‘Nghiên cứu xác định nguyên tố đất mẫu công nghệ sản xuất đất tinh khiết quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES)’’được tiến hành CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tính chất vật lý, hóa học nhóm nguyên tố đất Các nguyên tố đất (NTĐH) chia thành hai nhóm có khác tính chất vật lý hóa học Nhóm nguyên tố nhóm nhẹ cịn gọi “ nhóm Ce” gồm nguyên tố từ La đến Eu Nhóm nguyên tố nhóm nặng hay cịn gọi “ nhóm ytri” gồm Y nguyên tố từ Gd đến Lu [8] Các kim loại đất kim loại màu trắng bạc, riêng Pr Nd có màu vàng nhạt Ở trạng thái bột, chúng có màu từ xám tới đen Đa số kim loại kết tinh trạng thái tinh thể lập phương Tất chúng khó nóng chảy khó sơi Các NTĐH có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi, nhiệt độ thăng hoa tỉ khối biến đổi tuần hồn theo điện tích hạt nhân Các oxit đất dạng vơ định hình tinh thể, chúng bền với nhiệt khó nóng chảy Hidroxit dạng kết tủa vơ định hình, khơng tan nước, độ bền nhiệt giảm xuống từ Ce tới Lu Ion đất Ln 3+ có màu sắc biến đổi tùy thuộc vào cấu hình 4f Những electron có cấu hình 4f 0, 4f7, 4f14 khơng có màu cịn cấu hình electron 4f khác có màu khác Các muối clorua, bromua, iodua, nitrat, sunfat NTĐH tan nước, muối florua, cacbonat, photphat oxalate không tan [3] Các NTĐH có cấu hình electron hóa trị dạng tổng quát 4f 2-145d0-16s2 Với cấu hình này, nguyên tử NTĐH có xu hướng 2, 3, electron hóa trị để tạo thành ion có số oxi hóa (II), (III), (IV) Trong đó, ion có số oxi hóa (III) đặc trưng Oxit nguyên tố đất Ln 2O3 dạng kết tủa vơ định hình, dễ tan axit, không tan dung dịch kiềm tan kiềm nóng chảy Hidroxit chúng có tính bazơ mạnh, dễ dàng tan axit tạo thành muối NTĐH Muối NTĐH LnX3, Ln2(SO4)3, Ln(NO3)3 điều chế cách hòa tan oxit, hidroxit, cacbonat NTĐH với axit tương ứng Trong muối Ln2(CO3)3, Ln2(C2O4)4 nhiệt phân tạo thành oxit Ln2O3 Người ta sử dụng tính chất để điều chế oxit đất Ngồi trạng thái oxi hóa đặc trưng +3, NTĐH cịn có trạng thái oxi hóa khác, đặc trưng Ce số oxi hóa +4 Muối Ce(IV) bị thủy phân mạnh tan nước [3] 1.2.Ứng dụng nguyên tố đất Các sản phẩm đất sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp, nông nghiệp, y học Những NTĐH độ tinh khiết cao có giá trị lớn mặt kinh tế Chúng sử dụng chế tạo nam châm, hợp kim pin, hợp kim kim loại, xúc tác tự động, phụ gia sản xuất thủy tinh, gốm sứ…[30] Các NTĐH ứng dụng nhiều lĩnh vực hạt nhân Sự phát lân quang lantan sử dụng phim chụp tia X laze để giúp giảm tới 75% liều phóng xạ vào bệnh nhân Promethy sử dụng nguồn phát beta cho thiết bị đo chiều dày Nó cịn sử dụng pin lượng hạt nhân nhờ việc bắt chùm sáng tế bào quang điện chuyển đổi thành dịng điện Những pin loại sử dụng 147Pm có tuổi thọ khoảng năm Ngoài ra, Pm hứa hẹn nguồn tạo tia X thiết bị cầm tay Samari sử dụng làm tác nhân hấp thụ nơtron lò phản ứng hạt nhân Er nguyên tố hoạt động NTĐH, nghiên cứu để sử dụng lò phản ứng hạt nhân Gd nguyên tố hiệu để phát rị rỉ phóng xạ nhà máy điện hạt nhân Cùng với số kim loại khác Fe, Cr để chống lại nhiệt độ cao oxi hóa hợp kim Các hạt nhân Lu ổn định, phát xa xạ beta sau kích hoạt nơtron nhiệt Do sử dụng làm xúc tác cracking, alkyl hóa, hydrogen hóa, polymer hóa Lu có lẫn Ce oxyorthosilicate sử dụng làm detector chụp xạ hình cắt lớp positron (PET) [13] 1.3 Các phương pháp xác định hàm lượng NTĐH 1.3.1 Phương pháp xác định Ce NTĐH phương pháp khối lượng Phương pháp dùng để xác định hàm lượng nguyên tố đất thông qua việc cân khối lượng oxit chúng Các nguyên tố đất kết tủa oxalat nhiệt độ khoảng 80 oC môi trường pH < Kết tủa để qua đêm, đem lọc nung 800 o C Để nguội cân khối lượng oxit thu [7] 1.3.2 Phương pháp chuẩn độ Dung dịch nguyên tố đất chuẩn độ EDTA môi trường đệm acetat pH=6 với thị asenazo (III) Tại điểm tương đương, dung dịch chuyển từ màu xanh sang màu tím hồng [1] 1.3.3 Phương pháp quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES) 1.3.3.1 Nguyên lý phương pháp Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES) kỹ thuật phân tích hàm lượng nguyên tố dạng vết với đặc điểm: nhiệt độ kích thích lớn (70008000 K), mật độ điện tích lớn, có khả xác định nhiều ngun tố lúc, phát xạ thấp, ảnh hưởng mặt hóa học tương đối thấp, độ ổn định tốt dẫn tới kết phân tích xác Kỹ thuật có giới hạn phát thấp (0,1ng/ml100ng/ml) hầu hết ngun tố, phạm vi tuyến tính rộng, có hiệu kinh tế [21] Nguyên tắc kỹ thuật ICP-OES: mẫu bị hóa sau bị nguyên tử hóa, ion hóa, bị kích thích lên mức lượng cao hơn, sau trở mức lượng thấp Năng lượng giải phóng dạng chùm sáng bước sóng λ hay photon với tần số ν mang lượng h.ν Số lượng photon phát tỉ lệ với số nguyên tử nguyên tố có mặt mẫu [36] Các q trình ngun tử hóa ICP-OES hình 1.1 10 • • q • • Phụ lục 3: Hình 3.23: Phổ NTĐH • • • • e • g 101 • • • • h • i • • k • l 102 • • • • m • • o • n • p 103 • • • q • Phụ Lục 4: Hình 3.24: Đường chuẩn NTĐH Gd 5,0 g/l • • • e • g 104 • • • • h • • k • i • l 105 • • • m • • n • • o • p • Phụ lục 5: Báo cáo hội nghị khoa học công nghệ hạt nhân tồn quốc • 106 • 107 • 108 • Phụ luc Thư xác nhận đăng tạp chí Nuclear Science and Technology (NST) báo toàn văn • • • • • • 109 • DETERMINATION OF RARE EARTH ELEMENTS IMPURITIES IN PURE LANTHANUM USING INDUCTIVELY COUPLED PLASMA OPTICAL EMISSION SPECTROMETRY (ICP-OES) • Le Ba Thuan, Nguyen Xuan Chien, Doan Thi Mo, Tran Hoang Mai, Nguyen Phuong Thoa • Institute for Technology of Radioactive and rare elements,48 Lang Ha Dong Da Ha Noi • E-mail: le_ba_thuan@yahoo.com • • Abstract • Inductively coupled plasma optic emission spectrometry (ICP-OES) is suitable for the determination of the rare earth elements (REEs) due to its high sensibility However, REEs have many spectral emission lines hence most of them were influenced by spectral interferences due to other REEs, especially which are high content In this work REEs spectral lines interferences were investigated in lanthanum matrix Detection limits, quantity limits and method validity were presented Validation of the method was carried out mainly with recovery studied in spiked pure lanthanum samples • Keywords: Rare earth, lanthanum, ICP-OES INTRODUCTION • Recently, the trace rare earth elements (REEs) in different kind of samples, in general and in pure rare earth products, in particular were often determined by using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and ICP-OES REEs in seawater was determined by inductively coupled plasma sector field mass spectrometry (ICPSFMS) combined with pre-concentration using co-precipitation onto magnesium hydroxides[1] ICP-SFMS and ICP-OES with high performance liquid chromatography were applied to determine the trace REEs in high purity neodymium and lanthanum oxide [2,3] The REEs impurities in high purity gadolinium were determined by ICP-OES without separation [4] • ICP-OES technique has a lot of advantages such as: wide linear dynamic range allowing simultaneously the determination of trace and major constituents, high stability and multielemental analysis capacity However, the REEs present line-rich emission spectra and their analytical wavelengths suffer a large number of interferences of other REEs and the matrix constituents of lanthanum Therefore, the studying to correct the interferences of lanthanum matrix, optimize the analytical parameters, choose the better lines for each analyte are necessary • The aim of this work is to study the parameters and conditions for optimization of the determination of REEs impurities in pure lanthanum without separation and preconcentration APPARATUS AND REAGENTS - Inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES), Horiba, Ultima2 (France), resolution < pm (160-390 nm) and