Nghiên cứu phương pháp xác định các nguyên tố đất hiếm trong quặng bằng quang phổ phát xạ Plasma cảm ứng (ICP-OES)

Bảng 3.5: Hê ̣ số ảnh hưởng của Al lên các NTĐH ở nồng độ khác nhau Error!. Bảng 3.6: Hê ̣ số ảnh hưởng của Mg lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhau Error!. Bảng 3.7: Hê ̣ số ảnh hư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Xuân Chiến

Hà Nội - Năm 2016

i

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Xuân Chiến đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn.Tôi xin chân thành cảm PGS.TS Nguyễn Văn Ri đã giúp đỡ tôi trong thời gian tôi làm luận văn

Tôi trân tro ̣ng gửi lời cảm ơn tới toàn thể lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Viện Kỹ thuật Hóa học, Sinh học và Tài liệu nghiệp vụđã tạo điều kiện, quan tâm, động viên để tôi hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm luận văn này

Hà Nội, ngàythángnăm 2016

Học viên

Vũ Đình Ly

ii

DANH MỤC VIẾT TẮT

Ký hiệu

AOAC Association of Official Analytical

Chemists

Hiệp hội các nhà hóa phântíchchính thức

ICP-AES Inductively coupled plasma-atomic

ICP-OES Inductively coupled plasma-

optical emission spectrometry

Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng

LOQ Limit of quantification Giới hạn định lượng

iii

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 8

1.1 Đại cương về các nguyên tố đất hiếm 8

1.1.1 Giơ ́ i thiê ̣u chung về nguyên tố đất hiếm 8

1.1.2 Sư ̣ tồn tại và đặc điểm đi ̣a hóa của các nguyên tố đất hiếm trong tự nhiên 9 1.1.3 Đặc điểm quặng đất hiếm Yên Phú 10

1.2 Các phương pháp xác định hàm lượng các nguyên tố đất hiếm

11 1.2.1 Phương pháp khối lượng 11

1.2.2 Phương pháp chuẩn đô ̣ 12

1.2.3 Phương pháp phổ hấp thu ̣ phân tử UV-VIS 12

1.2.4 Phương pháp phổ hấp thu ̣ nguyên tử ASS 12

1.2.5 Phương pháp sắc ký 13

1.2.6 Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) 14

1.2.7 Phương pháp quang phổ phát xa ̣ Plasma cảm ứng ICP-OES 15

1.2.8 Phương pháp khối phổ ICP-MS Error! Bookmark not defined.

1.2.9 Phương pháp phân tích kích hoa ̣t Nơtron Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined.

2.1 Thiết bị và hóa chất Error! Bookmark not defined.

2.1.1.Thiết bị, dụng cụ Error! Bookmark not defined.

2.1.2 Hóa chất Error! Bookmark not defined.

2.2 Đối tượng Error! Bookmark not defined.

2.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined.

2.3.1.Nghiên cứu lựa chọn vạch phổ Error! Bookmark not defined.

2.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng và tối ưu hóa các thông số và điều kiện phân tích các nguyên tố đất

hiếm bằng ICP-OES Error! Bookmark not defined.

2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các axít HCl, HNO3 Error! Bookmark not defined.

2.3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố Al, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ti, Si, PO 43- đến phép xác định các nguyên tố đất hiếm Error! Bookmark not defined.

2.3.5 Xây dựng đường chuẩn của các nguyên tố đất hiếm Error! Bookmark not defined.

2.3.6 Giới hạn phát hiện LOD, giới hạn định lượng LOQ Error! Bookmark not defined.

2.3.7 Đánh giá phương pháp Error! Bookmark not defined.

2.3.8 Phân tích mẫu thực và phân tích đối chứng Error! Bookmark not defined.

iv

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined.

3.1 Nghiên cứu lựa chọn vạch phổ Error! Bookmark not defined.

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất plasma Error! Bookmark not defined.

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ bơm Error! Bookmark not defined.

3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ axi ́t HCl, HNO 3 Error! Bookmark not

defined.

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố khác trong nền mẫu Error! Bookmark not defined.

3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của Al Error! Bookmark not defined.

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của Mg Error! Bookmark not defined.

3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của Ca Error! Bookmark not defined.

3.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của Fe Error! Bookmark not defined.

3.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của Mn Error! Bookmark not defined.

3.5.6 Khảo sát ảnh hưởng của Na Error! Bookmark not defined.

3.5.7 Khảo sát ảnh hưởng của K Error! Bookmark not defined.

3.5.8 Khảo sát ảnh hưởng của Ti Error! Bookmark not defined.

3.5.9 Khảo sát ảnh hưởng của Si Error! Bookmark not defined.

3.5.10 Khảo sát ảnh hưởng của anion PO 43- Error! Bookmark not defined.

3.6 Đường chuẩn xác định các nguyên tố đất hiếm, độ tuyến tính Error! Bookmark not defined.

3.7 Giới hạn phát hiện LOD, giới hạn định lượng LOQ Error! Bookmark not

defined.

3.8 Đánh giá sai số tương đối và đô ̣ lê ̣ch chuẩn tương đối của phép đo Error! Bookmark not defined.

3.9 Đánh giá hiệu suất thu hồi Error! Bookmark not defined.

3.10 Phân tích mẫu thực và phân tích mẫu đối chứng Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Danh sách các nguyên tố đất hiếm trong bảng hệ thống tuần hoàn 8

Bảng 1.2: Các phân nhóm nguyên tố đất hiếm 8

Bảng 1.3: Hàm lượng trung bình (%) của các NTĐH trong các loại đá 9

Bảng 1.4: Thống kê hàm lượng các nguyên tố đất hiếm 11

Bảng 2.1: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ các nguyên tố trong nền mẫu Error! Bookmark not defined Bảng 3.1: Các va ̣ch phổ được lựa chọn trên phần mềm MasterError! Bookmark not defined

Bảng 3.2: Thứ tự ưu tiên va ̣ch phổ của các NTĐH Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.3: Hê ̣ số ảnh hưởng của các NTĐH lẫn nhau trên thực tế Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.4: Vạch phổ tối ưu phân tích các NTĐH trong quặng Yên PhúError! Bookmark not defined.

Bảng 3.5: Hê ̣ số ảnh hưởng của Al lên các NTĐH ở nồng độ khác nhau Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.6: Hê ̣ số ảnh hưởng của Mg lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhau Error! Bookmark not defined Bảng 3.7: Hê ̣ số ảnh hưởng của Ca lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhau Error! Bookmark not defined Bảng 3.8: Hê ̣ số ảnh hưởng của Fe lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhau Error! Bookmark not defined Bảng 3.9: Hê ̣ số ảnh hưởng của Mn lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhau Error! Bookmark not defined Bảng 3.10: Hê ̣ số ảnh hưởng của Na lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhau Error! Bookmark not defined Bảng 3.11: Hê ̣ số ảnh hưởng của K lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhauError! Bookmark not defined Bảng 3.12: Hê ̣ số ảnh hưởng của Ti lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhau Error! Bookmark not defined Bảng 3.13: Hê ̣ số ảnh hưởng của Si lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhau Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.14: Hê ̣ số ảnh hưởng của anion PO43- lên các NTĐH ở các nồng độ khác nhauError! Bookmark not defined Bảng 3.15 : Nồng đô ̣ các nguyên tố NTĐH xây dựng đường chuẩnError! Bookmark not defined.

Bảng 3.16: Độ tuyến tính của các NTĐH Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.17: Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của các NTĐH trong nền mẫu

Yên Phú Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.18: thành phần các nguyên tố trong mẫu giả Error! Bookmark not defined.

Bảng 3.19: Kết quả phân tích đánh giá đô ̣ chu ̣m và sai số tương đốiError! Bookmark not defined.

Bảng 3.20: Kết quả độ thu hồi khi phân tích các NTĐHError! Bookmark not defined.

Bảng 3.21: Kết quả phân tích 03 mẫu quặng Yên Phú Error! Bookmark not defined.

Bảng 4.1: Danh sách các vạch phổ phát xạ khi phân tích các NTĐH trong quặng Yên

Phú bằng ICP-OES Error! Bookmark not defined

DANH MỤC HÌNH

vi

Hình 1.1: Các quá trình xảy ra trong ICP-OES 16

Hình 1.2: Sơ đồ khối các bộ phận trong hệ ICP-OES 17

Hình 1.3: Đèn nguyên tử hóa mẫu trong hệ thống ICP-OES 18

Hình 3.1: Hình ảnh phổ của Ce trong phần mềm Master và ghi đo thực tế Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2: Ảnh hưởng của công suất plasma lên cường độ vạch phổ các NTĐHError! Bookmark not defined Hình 3 3: Ảnh hưởng của tốc độ bơm lên cường độ vạch phổ các NTĐHError! Bookmark not defined.

Hình 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ axít HCl lên cường độ vạch phổ các NTĐHError! Bookmark not defined Hình 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ axít HNO3 lên cường độ vạch phổ các NTĐHError! Bookmark not defined Hình 3.6: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xa ̣ của các NTĐH vào nồng độ Al Error! Bookmark not defined Hình 3.7: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của các NTĐH vào nồng độ Mg Error! Bookmark not defined Hình 3.8: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của các NTĐH vào nồng độ Ca Error! Bookmark not defined Hình 3.9: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của các NTĐH vào nồng độ FeError! Bookmark not defined Hình 3.10: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của các NTĐH vào nồng độ Mn Error! Bookmark not defined Hình 3.11: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của các NTĐH vào nồng độ Na Error! Bookmark not defined Hình 3.12: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của các NTĐH vào nồng độ K Error! Bookmark not defined Hình 3.13: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của các NTĐH vào nồng độ Ti Error! Bookmark not defined Hình 3.14: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của các NTĐH vào nồng độ SiError! Bookmark not defined.

Hình 3.15: Sự phụ thuộc cường độ phổ phát xạ của các NTĐH vào nồng độ anion PO4

3-Error! Bookmark not defined.

Hình 3.16: Đường chuẩn của các nguyên tố Ce Error! Bookmark not defined.

Hình 4.1: Đồ thị biểu diễn hàm lượng các NTĐH trong quặng yên Phú Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, với sự phát triển khoa học và công nghệ, các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác nhau như: Công nghiê ̣p luyê ̣n kim để chế ta ̣o các loa ̣i gang, thép đặc biệt; công nghiê ̣p hàng không vũ trụ và quốc phòng để chế tạo các con tầu vũ trụ, máy bay, tên lửa, vũ khí đạn dược; công nghê ̣ hóa học để chế tạo các loạithuốc nhuộm hoặc làm chất xúc tác cho nhiều quá trình tổng hợp; công nghê ̣ gốm - sứ để chế tạo các sản phẩm tiêu dùng và các sản phẩm kỹ thuật cao; công nghê ̣ quang điê ̣n tử để chế ta ̣o các loa ̣i vâ ̣t liê ̣u quang ho ̣c có tính chất đă ̣c biê ̣t, các loại vật liệu từ, vâ ̣t liê ̣u siêu dẫn, vâ ̣t liê ̣u nano…

Trên thế giớ i, quă ̣ng đất hiếm và các sản phẩm tinh chế từ quă ̣ng đất hiếm trở thành hàng hóa có giá trị chiến lược đối với nhiều quốc gia, vì thế nhu cầu đất hiếm ngày càng tăng cao Nước ta là một trong số các nước có nguồn tài nguyên khoáng sản đất hiếm phong phú với trữ lượng khoảng trên 10 triệu tấn oxit tập trung chủ yếu ở vùng Tây Bắc như Đông Pao, Nậm

Xe, Mường Hum… (chủ yếu đất hiếm nhóm nhẹ), Yên Phú (chủ yếu đất hiếm nhóm nặng) và các vùng sa khoáng ven biển miền trung (chủ yếu là monazit) Các mỏ đất hiếm ở Việt Nam có quy mô từ trung bình đến lớn, chủ yếu là đất hiếm nhóm nhẹ và tập trung ở vùng Tây Bắc Bộ Viê ̣c tìm kiếm, thăm dò và khai thác để đưa ra sử du ̣ng các khoáng sản đất hiếm từ nhiều năm nay đã được Nhà nước và Ngành Đi ̣a chất hết sức quan tâm

Phân tích và đánh giá hàm lượng các NTĐH trong các mẫu quă ̣ng là hết sức cần thiết đối với nước ta hiê ̣n nay Vì vậy yêu cầu đă ̣t ra đối với các nhà phân tích phải xây dựng phương pháp xác định các NTĐH trong quặng chính xác và tin cậy, tiết kiê ̣m chi phí và thời gian

Phương pháp ICP-OES là phương pháp phân tích có độ tin cậy, chính xác cao, giới ha ̣n phát hiê ̣n các nguyên tố ở mức ppb và có thể xác đi ̣nh được nhiều nguyên tố trong thời gian ngắn Phương pháp này có thể áp du ̣ng ta ̣i nhiều phòng thí nghiê ̣m ta ̣i Viê ̣t Nam Do đó, tôi lựa cho ̣n và tiến hành nghiên cứu phương pháp xác đi ̣nh các NTĐH trong quă ̣ng bằng quang phổ phát xa ̣ Plasma cảm ứng (ICP-OES)

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN

1.1 Đại cương về các nguyên tố đất hiếm

1.1.1 Giới thiệu chung về nguyên tố đất hiếm

Các NTĐH còn gọi là các Lantanoit hay họ lantan gồm 15 nguyên tố giống nhau về mă ̣t hóa học Từ nguyên tố La có số thứ tự nguyên tố 57 đến nguyên tố Lu có số thứ tự nguyên tố 71 thuô ̣c nhóm III trong Bảng hệ thống tuần hoàn được xếp vào cùng một ô với nguyên tố La (57) Trong tự nhiên,nguyên tố Y có số thứ tự 39 thường đi chung với các NTĐH nên nó được xếp chung vào nhóm các NTĐH và được go ̣i chung là nhóm nguyên tố ho ̣ đất hiếm(bảng 1.1)

Bảng 1.1: Danh sách các nguyên tố đất hiếm trong bảng hệ thống tuần hoàn

Tên

nguyên tố

Ký hiê ̣u

Số thứ tự

trong BHTTH

Khối lươ ̣ng nguyên tử

Tên nguyên tố

Ký hiê ̣u

Số thứ tự

trong BHTTH

Khối lươ ̣ng nguyên tử

Cấu hình electron chung của các lantanoit là 4f

2-145s25p65d0-16s2 Lớ p 4f có sự bổ sung điê ̣n tử theo thứ tự tăng bắt đầu từ nguyên tố Ce đươ ̣c lấp đầy 1 (mô ̣t) điê ̣n tử vào mức 4f cho đến 14 (mười bốn) điê ̣n tử ở nguyên tố Lu Trong khi các mức năng lượng ngoài cùng vẫn được giữ nguyên và không bi ̣ ảnh hưởng bởi lực hút của hạt nhân do có sự che chắn của lớp 4f thì mức năng lượng 5d gần mức năng lượng 4f bi ̣ ảnh hưởng rất nhiều nên ở mô ̣t vài nguyên tố có thế ion hóa thấp, điê ̣n tử dễ dàng chuyển từ mức năng lượng 4f lên mức 5d Điều này giải thích ta ̣i sao mức oxy hóa phổ biến của các NTĐH

là +3 nhưng ngoài ra người ta còn gă ̣p mức oxy hóa +4 ở các nguyên tố Ce, Pr, Tb và mức oxy hóa +2 ở các nguyên tố Sm, Eu và Yb [11]

Trong lĩnh vực hóa học , các NTĐH thường được chia thành 2 nhóm như trong Bảng 1.2:

Bảng 1.2: Các phân nhóm nguyên tố đất hiếm [11]

57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tu Yb Lu 4f1 4f2 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f75d1 4f7+2 4f7+3 4f7+4 4f7+5 4f7+6 4f7+7 4f145s1

NTĐH nhẹ (phân nhóm Ce) NTĐH nặng (phân nhóm Y)

1.1.2 Sƣ ̣ tồn ta ̣i và đă ̣c điểm đi ̣a hóa của các nguyên tố đất hiếm trong tƣ̣ nhiên

Các NTĐH (trừ prometri) khá phổ biến trong tự nhiên, do sự giống nhau về cấu hình điê ̣n tử và tính đồng hình của các muối nên chúng luôn luôn cùng có mă ̣t trong các hợp chất tự nhiên Hàm lượng trung bình của tổng số NTĐH trong vỏ trái đất là 10-2

%.Hàm lượng của từng nguyên tố đất hiếm riêng biê ̣t không đồng nhất, các nguyên tố có số thứ tự chẵn trong Bảng hệ thống tuần hoàn chiếm ưu thế.Phổ biến hơn cả là nguyên tố Xeri, Neodim và Ytri Trong tự nhiên có rất nhiều khoáng vật (trên 200) chứa đất hiếm, trong đó có khoảng 30-40 khoáng vật riêng của đất hiếm Chúng thường được gặp trong thể granit hoặc pecmatit, trong các sienit, ijiolit, hoặc trong các lớp cát có nguồn gốc từ các dạng nói trên Hàm lượng trung bình của các NTĐH thay đổi trong các loa ̣i đá khác nhau được tham chiếu ta ̣i Bảng 1.3 [15]

Bảng 1.3: Hàm lượng trung bình (%) của các NTĐH trong các loại đá

TT Nguyên tố

Loại đá

Thiên thạch (Chondrit)

Đá siêu baZic (Dunit, )

Đá Bazic (basalt, gabro,…)

Đá axít (Granodiorit)

Đá trầm tích(sét, đá phiến)

2 phần đá Axít + 1 phần đá Bazic

Mô ̣t số khoáng vâ ̣t riêng của đất hiếm và khoáng vâ ̣t chƣ́a đất hiếm

* Các khoáng Photphat đất hiếm

1 Monaxít- CePO4, trong đó Ce+La chiếm 50-68%, Y2O3 5%, Th 5-10%;

2 Xenotim - YPO4 Trong đó Y2O3 chiếm 63,1% và chứa Er, Ce;

3 Apatit -Ca5[PO4]3(OH,F), trong đó có chứa các nguyên tố đ ất hiếm với lươ ̣ng khá lớn, đôi khi tới 1%

* Các khoáng cacbonat đất hiếm

1 Batnezit CeCO3.F, trong đó có Ce, La, Pr và đôi khi cả Y, Er tới 65-77%;

2 Parizit Ce2(CaCO3).F2, trong đó Ce + La chiếm 41-61%

* Các khoáng Silicat chứa đất hiếm

1 Gadolinit (Y,Ce)FeBe2(Si2O10);

2 Octit (Ce,Y,Ca)(Mg,Al)2.[(Si2O7)(SiO4)(O,OH)];

3 Ytroalit (Y,Th)2(Si2O7);

4 Eudiolit (Ce, Y,Ca)4FeZr(Si6O18)(Cl,OH)

* Các khoáng Florua đất hiếm

1 Ytrofluorit (Ca,Y)F2

* Các khoáng Oxit đất hiếm

Có khá nhiều khoáng vật trong đó các nguyên tố đất hiếm ở dạng oxit như:

1 Conorit (Ca,Ce)(Ti,Fe)O3;

2 Loparit (Na2,Ce,Ca,…)(Nb,Ti)O3;

3 Piroclo (Na, Ca, Ce…)2(Nb,Ti,…)2O6(F,OH)7;

4 Fecguxonit (Y,Er, Ce…)(Nb,Ta,Ti)O4;

5 Xamakit (Y,Er, Ce)4(Nb,Ta)6O21;

6 Euxenit (Y,Ce,Ca…)(Nb,Ta,Ti)2O6;

7 Priorit (Y, Er,Ca,Th)(Ti,Nb)2O6;

8 Branerit (U,Ca,Fe,Y,Th)3Ti5O6;

1.1.3 Đặc điểm quặng đất hiếm Yên Phú

Mỏ đất hiếm Yên Phú thuộc địa phận xã Yên Phú, huyện Văn Yên, tỉnh Yên Bái được Đoàn Địa chất 35 phát hiện năm 1961 Mỏ đất hiếm Yên Phú là mỏ duy nhất của Việt Nam có nhóm nặng chiếm 30 - 40% tổng đất hiếm, trong khi các mỏ khác chỉ có nhóm nhẹ và

trung

Kết quả thăm dò đã khoanh định được 2 thân quặng đất hiếm Hầu hết khối lượng của các thân quặng đất hiếm là đá thạch anh -