Nghiên cứu phương pháp truyền qua trong phân tích huỳnh quang tia x để xác định hàm lượng vài nguyên tố kim loại trong đất trồng rau muống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Lan Anh NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN QUA TRONG PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG VÀI NGUYÊN TỐ KIM LOẠI TRONG ĐẤT TRỒNG RAU MUỐNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Lan Anh NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN QUA TRONG PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG VÀI NGUYÊN TỐ KIM LOẠI TRONG ĐẤT TRỒNG RAU MUỐNG Chuyên ngành : Vật lí nguyên tử hạt nhân Mã số : 8440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HUỲNH TRÚC PHƯƠNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi, hồn thành hướng dẫn thầy PGS.TS Huỳnh Trúc Phương Các kết trình bày luận văn kết chưa cơng bố cơng trình khác Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2019 Nguyễn Thị Lan Anh LỜI CÁM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn luận văn tôi, PGS TS Huỳnh Trúc Phương, suốt trình nghiên cứu thầy kiên nhẫn hướng dẫn, tạo điều kiện, động viên giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Anh Chị cán trẻ Bộ môn, Anh Chị học viên Cao học bạn sinh viên quan tâm, giúp đỡ, đề nghị, thảo luận đưa dẫn cho luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn Quý thầy cô hội đồng dành nhiều thời gian đọc có ý kiến đóng góp quý báu luận văn Xin cảm ơn Quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh, Trường ĐH Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cho làm việc khoa để tiến hành tốt luận văn Tôi xin cảm ơn gia đình bạn bè ln bên tơi, cổ vũ động viên tơi lúc khó khăn để vượt qua hồn thành tốt luận văn Mặc dù phải cố gắng nhiều để hoàn thành tốt luận văn tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp quý báu Quý Thầy Cô bạn Tôi xin chân thành cảm ơn Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2019 Nguyễn Thị Lan Anh MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cám ơn Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH XRF 1.1 Lý thuyết huỳnh quang tia X 1.1.1 Hiệu ứng matrix 1.1.2 Tương tác tia X với vật chất 1.1.3 Hệ số suy giảm 1.1.4 Quá trình tán xạ 1.1.5 Quá trình hấp thụ 1.2 Các phương pháp phân tích huỳnh quang tia X 12 1.2.1 Phương pháp chuẩn ngoại tuyến tính 12 1.2.2 Phương pháp chuẩn nội 13 1.2.3 Phương pháp chuẩn độ nhạy 14 1.2.4 Phương pháp truyền qua 15 1.3 Kết luận 19 Chương THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN QUA 2.1 Hệ phân tích XRF 21 2.1.1 Detector 21 2.1.2 Nguồn kích 21 2.2 Tính hiệu suất ghi detector 22 2.3.1 Chuẩn bị mẫu 26 2.3.2 Chiếu, đo xử lí số liệu 27 2.4 Phân tích kiểm chứng 30 2.4.1 Chuẩn bị mẫu 30 2.4.2 Chiếu, đo xử lí số liệu 31 Chương XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CÁC NGUYÊN TỐ TRONG ĐẤT TRỒNG RAU MUỐNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN QUA 37 3.1 Chuẩn bị mẫu phân tích 37 3.2 Chiếu, đo xử lí số liệu 38 3.3 Kết luận 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt XRF X-ray Fluorescence Huỳnh quang tia X SDD Silicon Drift Detector Đầu dị silic cơng nghệ Drift DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Số liệu vật liệu detector Si (Li) dùng tính hiệu suất 23 Bảng 2.2 Số liệu vật liệu detector XR-100SDD dùng tính hiệu suất 23 Bảng 2.3 Hiệu suất ghi detector Si(Li) nguồn kích Cd-109 23 Bảng 2.4 Hiệu suất ghi detector XR-100SDD nguồn kích 3H-Zr 24 Bảng 2.5 Khối lượng mẫu dùng để xác định độ nhạy nguyên tố 26 Bảng 2.6 Hệ số Ki nguyên tố i 27 Bảng 2.7 Kết xác định độ nhạy nguyên tố 29 Bảng 2.8 Hàm lượng nguyên tố mẫu so sánh SS1 30 Bảng 2.9 Hàm lượng nguyên tố mẫu so sánh SS2 30 Bảng 2.10 Hàm lượng nguyên tố mẫu bia T 31 Bảng 2.11 Cường độ vạch K nguyên tố mẫu đo 32 Bảng 2.12 Tỉ số cường độ Ri nguyên tố mẫu SS1 SS2 32 Bảng 2.13 Hệ số α, β qua phép lặp hai mẫu SS1 SS2 33 Bảng 2.14 Giá trị hệ số suy giảm µME0, µMEi mẫu SS1 34 Bảng 2.15 Giá trị hệ số suy giảm µME0, µMEi mẫu SS2 34 Bảng 2.16 Hệ số hiệu chỉnh hấp thụ Ai mẫu SS1 35 Bảng 2.17 Hệ số hiệu chỉnh hấp thụ Ai mẫu SS2 35 Bảng 2.18 Hàm lượng nguyên tố mẫu SS1 so sánh với giá trị pha chế 35 Bảng 2.19 Hàm lượng nguyên tố mẫu SS2 so sánh với giá trị pha chế 36 Bảng 3.1 Khối lượng mẫu đất trồng muống 37 Bảng 3.2 Kết cường độ đỉnh nguyên tố chủ yếu có mẫu đất D1, D2, D3, D4 38 Bảng 3.3 Kết cường độ đỉnh nguyên tố chủ yếu có mẫu đất D5, D6, D7, D8 39 Bảng 3.4 Kết cường độ bia + mẫu (T+S) ứng với nguyên tố mẫu đất 39 Bảng 3.6 Kết tính giá trị hệ số suy giảm μME0 mẫu đất qua phép lặp cuối 41 Bảng 3.7: Kết tính giá trị hệ số suy giảm μMEi mẫu đất qua phép lặp cuối 42 Bảng 3.8 Kết xác định hàm lượng nguyên tố mẫu đất D1, D2, D3, D4 43 Bảng 3.9 Kết xác định hàm lượng nguyên tố mẫu đất D5, D6, D7, D8 44 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phụ thuộc hệ số suy giảm theo lượng Cu Hình 1.2 Hiệu ứng quang điện Hình 1.3 Hiệu ứng Auger Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý phương pháp huỳnh quang tia X 10 Hình 2.1 Bố trí hình học nguồn 22 Hình 2.2.Đồ thị thể phụ thuộc hiệu suất εi vào mức lượng Ei 25 Hình 2.3 Mẫu MM 26 Hình 2.4 Vị trí đặt mẫu hệ đo XRF 28 Hình 3.1 Hàm lượng Fe mẫu đất 45 Hình 3.2 Hàm lượng Ca mẫu đất 45 Hình 3.3 Hàm lượng Zn mẫu đất 46 Hình 3.4 Hàm lượng Mn mẫu đất 46 40 D5 2,31±0,44 13,85±2,12 24,84±1,45 D6 2,11±0,23 13,10±0,92 26,18±1,25 D7 2,64±0,19 13,10±1,90 23,21±1,93 D8 2,09±0,68 7,73±2,66 26,80±1,25 Nhận xét: Từ Bảng 3.2, Bảng 3.3, Bảng 3.4, ta nhận thấy mẫu đất có nguyên tố có mặt mẫu chuẩn Ca, Mn Zn Do đó, ta xác định hàm lượng nguyên tố khác có mặt mẫu phương pháp truyền qua hàm lượng Fe, Ti, Ni, Cu Tương tự thực nghiệm kiểm chứng, từ công thức (1.33) ta tính tỉ số cường độ Ri, đó, sai số tương đối σ′(R i ) sau: σ′(R i ) = σ(R i ) Ri (3.1) Áp dụng công thức (1.35) để xác định hệ số hấp thụ khối i, sai số tuyệt đối σ′(χi )⁡được thể công thức (3.3) đây: σ(R i ) R ρD σ′(χi ) = i χi (3.2) Kết tính tỉ số cường độ Ri cho Bảng 3.5 Bảng 3.5 Kết tỉ số cường độ Ri nguyên tố Ca, Mn, Zn mẫu đất Tỉ số cường độ Ri Mẫu Ca Mn Zn D1 0,82 0,85 0,92 D2 0,59 0,49 0,87 D3 0,59 0,81 0,87 41 D4 0,59 0,76 0,77 D5 0,53 0,80 0,82 D6 0,55 0,80 0,82 D7 0,69 0,83 0,87 D8 0,59 0,49 0,86 Tương tự thực nghiệm kiểm chứng chương 2, sử dụng công thức (1.29), (1.36) ta có kết tính giá trị hệ số suy giảm μM (E0 ), μM (Ei ) mẫu đất qua phép lặp cuối cho Bảng 3.6, Bảng 3.7 Bảng 3.6 Kết tính giá trị hệ số suy giảm 𝛍𝐌 (𝐄𝟎 ) mẫu đất qua phép lặp cuối Mẫu đất 𝛍𝐌 (𝐄𝟎 ) (cm2/g) D1 0,286 D2 1,215 D3 0,827 D4 1,009 D5 0,763 D6 1,021 D7 0,523 D8 1,452 42 Bảng 3.7 Kết tính giá trị hệ số suy giảm 𝛍𝐌 (𝐄𝐢 ) mẫu đất qua phép lặp cuối Tên mẫu 𝛍𝐌 (𝐄𝐢 ) (cm2/g) Ca Ti Mn Fe Ni Cu Zn D1 1,27 - 0,79 0,72 - - 0,53 D2 4,34 - 1,79 1,54 - 1,01 0,88 D3 3,13 - 1,47 1,29 1,29 0,89 0,79 D4 3,03 2,53 2,00 1,86 1,86 1,52 1,43 D5 3,41 2,53 1,69 1,50 - 1,06 0,95 D6 3,21 - 1,67 1,49 1,49 1,09 0,98 D7 2,95 2,12 1,35 1,18 1,18 0,81 0,72 D8 4,29 - 1,85 1,60 - 1,06 0,93 Từ kết tính cường độ Ri nguyên tố, hệ số hiệu chỉnh suy giảm Ai tính từ cơng thức (1.28), tương tự sai số tương đối xác định công thức (3.3): σ(Ai ) = σ(χi ) [exp(−χi ρD) (χi ρD + 1)] − χ2i ρD (3.3) Sai số tuyệt đối σ′(Ai ): σ′(Ai ) = σ(Ai ) Ai (3.4) Sau xác định hệ số suy giảm Ai nguyên tố mẫu đất độ nhạy Si tương ứng với nguyên tố cho Bảng 2.7, ta sử dụng công thức (1.27) để xác định hàm lượng nguyên tố có mẫu Khi đó, hàm lượng tính công thức (3.5) đây: 43 wi = Ii Si ρDAi (3.5) Sai số tương ứng σ(wi ): Ii2 2 √(σ (Ii ) + σ (Ai ) ) σ(wi ) = Ai ρDS𝑖 Ai (3.6) Sai số tuyệt đối: σ′(wi ) = σ(wi ) wi (3.7) Kết xác định hàm lượng nguyên tố mẫu đất thể Bảng 3.8, Bảng 3.9 Bảng 3.8 Kết xác định hàm lượng nguyên tố mẫu đất D1, D2, D3, D4 Hàm lượng, wi (%) Nguyên tố Ca Ti D1 D2 D3 D4 4,46±0,05 6,09±0,03 7,81±0,07 3,48±0,02 - - - 0,68±0,04 Mn 2,71±0,02 2,15±0,03 4,93±0,05 1,30±0,09 Fe 15,65±0,15 9,36±0,08 8,97±0,09 5,96±0,04 0,27±0,01 0,28±0,02 1,05±0,08 1,09±0,09 1,11±0,01 9,1±0,07 5,29±0,05 3,70±0,02 Ni - Cu - Zn 4,97±0,03 - 44 Bảng 3.9 Kết xác định hàm lượng nguyên tố mẫu đất D5, D6, D7, D8 Hàm lượng, wi (%) Nguyên tố D5 D6 D7 D8 Ca 6,87±0,05 3,64±0,02 4,21±0,01 2,34±0,02 Ti 2,01±0,03 - 0,88±0,01 - Mn 5,92±0,04 5,66±0,05 3,61±0,02 2,19±0,01 Fe 16,91±0,15 10,35±0,19 13,27±0,13 13,57±0,15 Ni - 0,27±0,001 0,26±0,002 - Cu 0,83±0,07 1,39±0,09 1,27±0,02 1,43±0,01 Zn 5,92±0,05 9,34±0,08 5,15±0,06 9,43±0,09 Hình 3.1, Hình 3.2, Hình 3.3, Hình 3.4 đồ thị thể hàm lượng nguyên tố Fe, Ca, Zn, Mn mẫu đất 45 18 Hàm lượng Fe (%) 16 14 12 10 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 Tên mẫu Hình 3.1 Hàm lượng Fe mẫu đất Hàm lượng Ca (%) D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Tên mẫu Hình 3.2 Hàm lượng Ca mẫu đất D8 46 10 Hàm lượng Zn (%) D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D7 D8 Tên mẫu Hình 3.3 Hàm lượng Zn mẫu đất Hàm lượng Mn (%) D1 D2 D3 D4 D5 D6 Tên mẫu Hình 3.4 Hàm lượng Mn mẫu đất 47 Nhận xét: - Từ bảng số liệu xác định hàm lượng ta nhận thấy thành phần chủ yếu có mẫu đất Ca, Fe, Mn Zn, Fe có hàm lượng lớn khoảng 16,91% - Trong mẫu đất, nguyên tố Fe có hàm lượng cao mẫu D5 16,91% D1 15,65%, tiếp đến Zn có hàm lượng cao mẫu D6 cỡ 9,43% nhỏ mẫu D4 cỡ xấp xỉ 3,61%, Ca có hàm lượng cao mẫu D3 khoảng 7,81%, Mn mẫu D3, D5, D6 có hàm lượng xấp xỉ khoảng 5% Ở mẫu D4 có hàm lượng Ca, Mn, Fe, Zn nhỏ mẫu - Nguyên tố Ti, Ni Cu có hàm lượng nhỏ các mẫu đất, đa số nhỏ khoảng 3% 3.3 Kết luận Trong chương 3, luận văn thực bước thực nghiệm xác định hàm lượng nguyên tố mẫu đất trồng rau muống quanh khu vực huyện Hóc Mơn Từ đó, so sánh, đánh giá kết phân tích rút số nhận xét kết phân tích 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Bằng phương pháp truyền qua phân tích huỳnh quang tia X sử dụng phân tích hàm lượng mẫu đất trồng rau muống quanh khu vực huyện Hóc Mơn, thành phố Hồ Chí Minh, luận văn đạt được: - Bước đầu thực nghiệm kiểm chứng phương pháp truyền qua, xác định hiệu suất ghi detector, xác định độ nhạy nguyên tố quan tâm hệ XRF kiểm chứng hàm lượng nguyên tố mẫu so sánh - Qua q trình thực nghiệm xử lí số liệu, hàm lượng nguyên tố Ca, Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn xác định phương pháp truyền qua - Nguyên tố Fe có hàm lượng cao mẫu đất dao động từ 8,97% đến 16,91%, nguyên tố Zn có hàm lượng dao động từ 3.71% đến 9,43%, nguyên tố Ca từ 2,34% đến 7,81%, nguyên tố Cu từ 0,83% đến 1,43%, nguyên tố Ni từ 0,26% đến 0,72% thấp nguyên tố Ti có hàm lượng khoảng 0,15% Kiến nghị - Do khả ghi nhận đầu dò nên số nguyên tố Al, K… ghi nhận gây khó khăn q trình định lượng - Hệ số suy giảm khối mẫu phân tích phương pháp XRF tra cứu theo tài liệu nên cần tìm hiểu nghiên cứu giá trị quy trình thực nghiệm cụ thể - Cần nghiên cứu thêm yếu tố ảnh hưởng làm tăng sai số phép đo phương pháp truyền qua - Cần thiết trang bị dụng cụ xử lí mẫu chuyên dụng để hạn chế sai số nhiễm bẩn mẫu trình xử lý mẫu 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Phong Dũng, Huỳnh Trúc Phương, Thái Mỹ Phê, Các phương pháp phân tích huỳnh quang tia X Hồ Chí Minh, VN: NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2003 [2] Mai Văn Nhơn, Huỳnh Trúc Phương, “Phân tích vài nguyên tố phương pháp huỳnh quang tia X nhờ nguồn 3H- Zr”, Phịng Thí nghiệm Vật lý Kỹ thuật, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam, 2003 [3] Lưu Đặng Hồng Oanh, “Nghiên cứu phép phân tích kích hoạt neutron nhanh huỳnh quang tia X để phân tích hàm lượng số nguyên tố mẫu địa chất”, Luận văn Thạc sỹ, Khoa Vật lý, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên (Đại Học Quốc Gia TP.HCM), Hồ Chí Minh, Việt Nam, 2013 [4] J Leroux, M Mahmud, “X-ray quantiative analysis by an emission-transmission method”, Analytical Chemistry, vol.38, no.1, pp.76-82, 1966 [5] S M Simabuco and V F Nascimento Filho, “Quantitative analisis by energy dispersive X-ray fluorescence by the transmission method applied to geological samples”, Sci.agric, vol 51, no 2, pp 197-206, 1994 [6] Trương Thị Hồng Loan, Châu Văn Tạo, Lê Bảo Trân, Phân tích thống kê số liệu thực nghiệm ghi đo xạ, VN: NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2014 [7] C T Yap, P Kump, S M Tang, “Calibriation of the radioisotop-excited X-ray spectrometer with thick standards”, Applied Spectroscopy, vol 41, no 1, pp 80-84, 1987 [8] A B Hallak, N S Saleh, “A new method for matrix corrections by radioisotop excited X-ray fluorescence”, Nuclear Instruments and Method, vol.12, no.4, pp.148-149, 1983 50 [9] P Espen, F Adams, “Calibration of tube excited energy-dispersive X-ray spectrometers with thin film standars and with fundamennal constants”, Spectrometry, vol 10, no 2, pp 64-68, 1981 [10] R Sitko and B Zawisza, “Quantification in X-Ray fluorescence spectrometry”, University of Silesia, pp 147-148, 2012 [11] P B Bertin, “Principles and practice of X-ray spectrometric analysis”, Plennum Press, pp 624-625, 1975 [12] IAEA, “Quantitative X ray analysis system”, computer manual series no 21, pp 81-83, 1985 [13] B Beckhoff, B Kanngieber, N Langhoff, R Wedell and H Wolff , “Handbook of Practical X-ray fluorescence analysis”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2006 [14] R Keith Kirby and Howard M Kanare, “Standard Reference Materials: Portland Cement Chemical Composition Standards”, U S D C - National Bureau of Standard, p 74, 1988 PHỤ LỤC Hình ảnh mẫu đất đặt miếng mica trước chiếu Mẫu đất D1 Mẫu đất D3 Mẫu đất D2 Mẫu đất D4 Mẫu đất D5 Mẫu đất D7 Mẫu đất D6 Mẫu đất D8 Hình ảnh hai mẫu so sánh SS1 SS2 trước chiếu Mẫu SS1 Mẫu SS2 Hình ảnh Bia T ... , x? ?c định hàm lượng Ca, F, P phân bón Có nhiều phương pháp để phân tích huỳnh quang tia X: phương pháp phân tích định tính, phương pháp phân tích định lượng Trong phương pháp phân tích định. .. dụng phương pháp truyền qua phân tích huỳnh quang tia X để x? ?c định hàm lượng vài nguyên tố kim loại đất trồng rau muống? ?? Nội dung nghiên cứu chủ yếu nghiên cứu độ nhạy nguyên tố hệ XRF, thực nghiệm... Nguyễn Thị Lan Anh NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN QUA TRONG PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X ĐỂ X? ?C ĐỊNH HÀM LƯỢNG VÀI NGUYÊN TỐ KIM LOẠI TRONG ĐẤT TRỒNG RAU MUỐNG Chuyên ngành : Vật lí nguyên tử hạt nhân