(Luận văn thạc sĩ) xác định tỷ lệ đồng vị 87sr 86sr trong mẫu nước lỗ khoan dầu khí bằng phương pháp pha loãng đồng vị khối phổ plasma cao tần cảm ứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - THÁI THỊ THU THỦY XÁC ĐỊNH TỶ LỆ ĐỒNG VỊ 87Sr/ 86Sr TRONG MẪU NƢỚC LỖ KHOAN DẦU KHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHA LỖNG ĐỒNG VỊ - KHỐI PHỔ PLASMA CAO TẦN CẢM ỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN THÁI THỊ THU THỦY XÁC ĐỊNH TỶ LỆ ĐỒNG VỊ 87Sr/ 86Sr TRONG MẪU NƢỚC LỖ KHOAN DẦU KHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHA LỖNG ĐỒNG VỊ - KHỐI PHỔ PLASMA CAO TẦN CẢM ỨNG Chuyên ngành : Hóa phân tích Mã học viên 16007807 : NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ KIM DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2019 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn đến: PGS TS Nguyễn Thị Kim Dung giao đề tài, tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi động viên tinh thần để em hoàn thành luận văn Các chú, anh chị Trung tâm phân tích, Viện Công nghệ xạ tạo điều kiện giúp đỡ, động viên cháu, em suốt trình làm luận văn Các thầy giáo giảng dạy khoa Hóa Học đặc biệt thầy Bộ mơn Hóa phân tích trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội truyền đạt cho em kiến thức quý giá bổ ích Hai đơn vị: Viện Dầu Khí Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp cung cấp mẫu giúp em hoàn thành nghiên cứu Đề tài cấp Bộ mã số ĐTCB.09/18/VCNXH (2018-2019) Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam quản lý hỗ trợ phần kinh phí giúp em triển khai nội dung nghiên cứu Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, anh chị bạn học viên cao học khóa 27 chun ngành Hóa Phân tích ln động viên, giúp đỡ chia sẻ khó khăn em Do kiến thức thân hạn chế, nên luận văn cịn nhiều sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy để luận văn hồn thiện Học viên Thái Thị Thu Thủy MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan dầu khí 1.2 Tổng quan stronti 1.2.1 Trạng thái tồn 1.2.2 Tính chất lý – hóa học ứng dụng stronti .4 1.2.3 Đồng vị stronti ứng dụng 1.3 Các phương pháp phân tích khối phổ 1.3.1 Phương pháp phổ khối ion hóa nhiệt (TIMS) 1.3.2 Phương pháp phổ khối plasma cao tần cảm ứng nhiều đầu thu (MC-ICP MS) 1.3.3 Phương pháp khối phổ plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS) 10 1.4 Các phương pháp tách xử lý mẫu 15 1.4.1 Tách canxi stronti cột trao đổi ion .16 1.4.2 Tách stronti rubidi cột nhựa trao đổi cationit 18 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 24 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 24 2.2 Đối tượng, nội dung phương pháp nghiên cứu 24 2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 24 2.2.2 Nội dung nghiên cứu 24 2.2.3 Phương pháp nghiên cứu .24 2.3 Trang thiết bị hóa chất .25 2.3.1 Hóa chất 25 2.3.2 Dụng cụ 25 2.3.3 Thiết bị 25 2.4 Phương pháp xử lý mẫu 26 2.5 Kỹ thuật pha loãng đồng vị .27 2.6 Các thông số đánh giá độ tin cậy phương pháp phân tích 28 2.6.1 Giới hạn phát (LOD), giới hạn định lượng (LOQ) 28 2.6.2 Đánh giá hiệu suất thu hồi độ lặp lại phương pháp 29 2.6.3 Độ không đảm bảo đo 30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .31 3.1 Điều kiên phân tích ICP-MS .31 3.1.1 Chọn đồng vị phân tích 31 3.1.2 Các thông số vận hành thiết bị ICP-MS 31 3.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng mẫu đến phép phân tích tỷ lệ đồng vị 87 Sr/86Sr 32 3.2.1 Tách Sr, Rb cột nhựa trao đổi cationit Bio-Rad AG50W-X8 33 3.2.2 Tách Ca, Sr cột trao đổi anionit 40 3.2.3 Tách loại canxi, rubidi khỏi stronti sử dụng hai cột trao đổi anion cation .46 3.3 Khảo sát lượng đồng vị 86Sr thêm vào mẫu xác định hiệu suất thu hồi 47 3.3.1 Thiết lập phương trình tính tốn tỷ lệ 87Sr/86Sr phương pháp ID 47 3.3.2 Khảo sát lượng đồng vị 86Sr thêm vào mẫu 48 3.4 Đánh giá phương pháp .49 3.4.1 Xác định giới hạn phát giới hạn định lượng thiết bị 49 3.4.2 Đánh giá hiệu suất thu hồi độ lặp lại phương pháp 49 3.4.3 Xác định độ phương pháp 51 3.5 Quy trình phân tích mẫu thực tế 51 3.6 Kết phân tích mẫu thực tế 52 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Ảnh hưởng nồng độ HNO3 đến khả rửa giải Sr 34 Hình 3.2: Ảnh hưởng nồng độ HNO3 đến khả rửa giải Rb 35 Hình 3.3: Đường cong rửa giải dung dịch 1ppm Rb 1ppm Sr .36 Hình 3.4: Đường cong rửa giải dung dịch 0,1ppm Rb 1ppm Sr 36 Hình 3.5: Đường cong rửa giải dung dịch 20ppb Rb 1ppm Sr 37 Hình 3.6: Đường cong rửa giải dung dịch 1ppm Rb 1ppm Sr , tốc độ 0,5ml/phút 37 Hình 3.7: Đường cong rửa giải dung dịch 1ppm Rb 1ppm Sr, tốc độ 1,0 ml/phút 38 Hình 8: Đường cong rửa giải dung dịch 100ppm Ca; 1ppm Sr 0,25ppm Rb 39 Hình 9: Đường cong rửa giải dung dịch 50 ppm Ca; 1ppm Sr 0,25 ppm Rb 39 Hình 3.10: Đường cong rửa giải dung dịch 1,5ppm Ca; 0,5ppm Sr 0,25 ppm Rb 40 Hình 3.11: Ảnh hưởng thể tích dung dịch HNO3 0,25M 95% methanol đến khả rửa giải Ca, Sr (1:1) 42 Hình 3.12: Ảnh hưởng thể tích dung dịch HNO3 0,25M 95% methanol đến khả rửa giải Sr, Ca (1:10) 43 Hình 3.13: Ảnh hưởng thể tích dung dịch HNO3 0,25M 95% methanol đến khả rửa giải Sr, Ca (1:100) .43 Hình 3.14: Ảnh hưởng thể tích dung dịch HNO3 0,25M 95% methanol đến khả rửa giải Sr, Ca (1:1000) .44 Hình 3.15: Đường cong rửa giải dung dịch chứa 100ppm Ca, 1ppm Sr, 1ppm Rb 45 Hình 3.16: Quy trình tách canxi, rubidi khỏi stronti 47 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Thông số vận hành thiết bị ICP-MS 31 Bảng 3.2: Kết phân tích bán định lượng mẫu nước lỗ khoan dầu khí 32 Bảng 3.3: Ảnh hưởng canxi đến tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr 41 Bảng 3.4: Hằng số phân bố ion cột nhựa trao đổi cationit 41 Bảng 3.5: Kết tách Ca, Rb Sr cột trao đổi anionit Bio-rad AG1- X8 45 Bảng 3.6: Kết tách đồng thời Ca, Rb Sr cột trao đổi 46 Bảng 3.7: Kết khảo sát lượng đồng vị 86Sr thêm mẫu chuẩn 48 Bảng 3.8 Giá trị LOD, LOQ thiết bị 49 Bảng 3.9 Hiệu suất thu hồi tỷ lệ 87Sr/86Sr mẫu chuẩn 50 Bảng 3.10: Kết đánh giá độ lặp phương pháp 50 Bảng 3.11:Phân tích mẫu chuẩn SRM 987 51 Bảng 3.12: Kết phân tích tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr mẫu nước khoan dầu khí 52 BẢNG KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT ICP-MS ID-ICP-MS Phương pháp khối phổ plasma cao tần cảm ứng (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) Phương pháp pha loãng đồng vị - khối phổ plasma cao tần cảm ứng (Isotope Dilution-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) LOD Giới hạn phát (Limit of Detection) LOQ Giới hạn định lượng (Limit of Quantitation) Phương pháp khối phổ plasma cao tần cảm ứng đa đầu thu MC-ICP-MS RSD TIMS (Multicollector-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer) Độ lệch chuẩn tương đối (Relative Standard Deviation) Phương pháp khối phổ ion hóa nhiệt (thermal ionization mass spectrometry) MỞ ĐẦU Dầu mỏ với loại khí đốt coi “Vàng đen” nhân loại, đóng vai trị quan trọng đời sống kinh tế toàn cầu Dầu mỏ nguyên liệu quan trọng xã hội đại dùng để sản xuất điện nhiên liệu yếu tất phương tiện giao thông vận tải Hơn dầu mỏ sử dụng công nghiệp hoá dầu để sản xuất chất dẻo nhiều sản phẩm khác Trong mỏ dầu, chế sản xuất tự nhiên sản xuất góp phần vào việc khai thác khoảng 25% lượng dầu gốc từ hồ chứa Điều có nghĩa 75% dầu ban đầu vết nứt đá chứa dầu [47] Mặt khác, trình khai thác dầu nay, công nghệ bơm ép nước biển xuống giếng dầu tạo áp để thu hồi dầu phổ biến [2] Vì vậy, việc đánh giá nguồn gốc nước, từ xác định tuổi giếng dầu, trầm tích, trữ lượng dầu… khai thác dầu cần thiết Trong tự nhiên, stronti có đồng vị bền 84Sr, 86Sr, 87Sr 88Sr với tỷ lệ 0,55-0,58%; 9,75-9,99%; 6,94-7,14% 82,29-82,75% [45] Trong đồng vị 87Sr sản phẩm phân rã phóng xạ β 87Rb (t1/2= 4,88.1010 năm) [43] Trong đá kiến tạo nước tiếp xúc trực tiếp với đá kết cấu khoáng thời gian dài, thành phần 87 Rb phóng xạ (tạo xạ vũ trụ) cao khiến hàm lượng đồng vị 87Sr có thay đổi đáng kể, tỷ số 87Sr/86Sr nước cổ (nước nguyên sinh) tầng dầu khí cao so với nước bơm ép từ nước biển bề mặt [6] Dựa vào mối tương quan tổng hàm lượng strontium hòa tan nước tỷ số đồng vị 87Sr/86Sr dùng để nhận biết nguồn gốc nước có mặt giếng dầu [21,23,35,40,44,53] bên cạnh phương pháp phân tích đồng vị bền 143 18 O 2H hay tỷ lệ đồng vị Pb, Nd/144Nd [4,17,53] Thơng thường, tỷ số đồng vị phân tích phép đo phổ khối ion hóa nhiệt (TIMS) [15,35,40] đáp ứng yêu cầu độ xác cao, nhiên phương pháp cần thiết bị tinh xảo cần kỹ xử lý mẫu điêu luyện Ưu điểm lớn ICP-MS so với TIMS ICP-MS có thời gian phân tích nhanh, phân tích nhiều mẫu thời điểm, sử dụng tương đối đơn giản giá thành không cao dễ dàng kết hợp với kỹ ... THÁI THỊ THU THỦY XÁC ĐỊNH TỶ LỆ ĐỒNG VỊ 87Sr/ 86Sr TRONG MẪU NƢỚC LỖ KHOAN DẦU KHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHA LỖNG ĐỒNG VỊ - KHỐI PHỔ PLASMA CAO TẦN CẢM ỨNG Chuyên ngành : Hóa phân tích... tài: ? ?Xác định tỷ lệ đồng vị 87Sr/ 86Sr mẫu nước khoan dầu khí sử dụng phương pháp pha lỗng đồng vị - khối phổ plasma cao tần cảm ứng (ID–ICP MS)”, góp phần nhỏ vào cơng đánh giá nguồn gốc nước. .. nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng phương pháp pha loãng đồng vị kết hợp với khối phổ plasma cao tần cảm ứng để phân tích tỷ lệ đồng vị 87Sr/ 86Sr mẫu nước lỗ khoan dầu khí 24 2.3 Trang thiết bị hóa