2.2.1 Chuẩn bị hóa chất – dụng cụ
Hóa chất
Bột kali-nitrat KNO3
Bột sắt Fe có màu xám trắng Nước cất
22 Dụng cụ Cân điện tử Đèn khò Chài, cối Ray 2.2.2 Quy trình thực hiện
a. Cân khối lượng bột KNO3 và bột sắt với tỉ lệ 1:1 (12g KNO3 : 12g Fe). b. Vì nhiệt độ nóng chảy của sắt cao hơn nên cho lớp bột KNO3 vào đĩa đất
trước, sau đó mới cho bột sắt nằm lên trên. Mục đích của việc này là khi có nhiệt từ lửa của máy khò, sắt ở trên sẽ nóng chảy, chắc chắn KNO3 ở dưới cũng đã hóa lỏng và hai chất sẽ phản ứng với nhau. Tránh trường hợp, KNO3 nằm trên đã nóng chảy rồi mà sắt lớp dưới chưa nhận đủ nhiệt để nóng chảy.
c. Bật máy khò nhiệt lên và làm nóng chảy Fe và KNO3 trong đĩa để phản ứng xảy ra, bước này cần cẩn thận vì lửa từ máy khò ở nhiệt độ rất cao. Sau một thời gian, hỗn hợp nguội đi, ta thu được chất rắn màu đen như
hình 2.8.
23
d. Dùng chày và cối để giả nhuyễn hợp chất rắn thành dạng bột. Dùng ray có kích thước khác nhau để ray lại cho bột chất mịn như hình 2.9. Bước này nhằm đảm bảo kích thước hạt bột như nhau và khi cho bột vào nước, phản ứng xảy ra dễ dàng hơn.
Hình 2.9. K2FeO4 thu được sau khi ray.
24
e. Để xác minh lại chất tạo thành có phải K2FeO4 mong muốn hay không, tiến hành cho thử một ít bột vào nước, màu tím hồng xuất hiện như hình 2.10, chính là màu của K2FeO4.
2.3 QUY TRÌNH LOẠI BỎ CHẤT PHÓNG XẠ KHỎI DUNG DỊCH 2.3.1 Phản ứng hóa học 2.3.1 Phản ứng hóa học
Chất phóng xạ nói chung, urani nói riêng bị loại bỏ khỏi dung dịch thông qua kết tủa tạo ra trong phản ứng hóa học với chất lọc K2FeO4. Trong khóa luận này, K2FeO4 rắn được cho vào dung dịch chuẩn urani nitrate (UO2(NO3)2) có nồng độ pH = 4,55. Phương trình (1.3) cho thấy, khi kali ferrat gặp nước của dung dịch chuẩn dễ bị phân hủy thành oxit sắt (Fe2O3) kết tủa và kali-hydroxit (KOH) tan trong dung dịch. KOH tạo thành sẽ phản ứng với urani nitrate, thu được uranyl-dihydroxit (UO2(OH)2) mà nguyên tử urani trong chất này mang hóa trị +4 nên khó tan trong nước. Vì vậy, UO2(OH)2 sẽ kết tủa và lắng xuống cùng Fe2O3. Điều này tạo cơ sở cho việc xuất hiện kết tủa hợp chất của urani để đi đến kết luận cuối cùng là chất phóng xạ urani bị loại bỏ khỏi dung dịch. Kết quả thu được, trong dung dịch sẽ không còn hoặc còn lại rất ít urani do chưa phản ứng hết, phương trình (2.1) thể hiện phản ứng hóa học giữa UO2(NO3)2 và KOH tạo kết tủa UO2(OH)2 .
UO2(NO3)2 + 2KOH UO2(OH)2 + 2KNO3 (2.1)
2.3.2 Quy trình thực hiện
Các kết quả thực nghiệm của quá trình điều chế K2FeO4 cho thấy rằng, lượng chất thu được từ phương pháp khô chiếm lợi thế hơn phương pháp điện phân cả về chất lượng và số lượng. Đồng thời, thời gian thực hiện ngắn và lưu trữ, bảo quản sản phẩm dễ dàng hơn. Do đó, sản phẩm K2FeO4 thu được từ phương pháp khô được nghiên cứu loại bỏ urani trong dung dịch. Sau đó, dùng ống đếm Geiger-Muller ghi nhận số đếm của chất phóng xạ còn lại trong dung dịch. Dụng cụ cần thiết cho quy trình này gồm:
Cốc, đũa thủy tinh
Ống ly tâm sạch, đánh số thứ tự Planchets
25 Các loại pipet
Bếp điện Ống đếm G-M.
Các bước thực hiện như sau:
a. Chuẩn bị dung dịch chuẩn urani nitrate UO2(NO3)2 có pH = 4,55.
b. Pha chế dung dịch K2FeO4 có nồng độ mol lần lượt là 0,1M; 0,01M và 0,001M như hình 2.11 bằng cách cho K2FeO4 có khối lượng tương ứng 1,98g; 0,198g; 0,0198g vào 99,93ml nước cất.
c. Dùng ống ly tâm để chứa hỗn hợp chất khi cho K2FeO4 vào dung dịch chuẩn với tỉ lệ 1:20 và 1:10. Như vậy tỉ lệ 1:20 tương ứng với 0,250ml Fe(VI) và 5ml dung dịch chuẩn urani. Tương tự, tỉ lệ 1:10 sẽ là 0,5ml Fe(VI) và 5ml dung dịch chuẩn. Cứ mỗi nồng độ của K2FeO4 ta lấy hai mẫu cho hòa tan vào dung dịch chuẩn theo tỉ lệ đã chọn. Cụ thể nồng độ 0,1M hai mẫu tương ứng được đánh số là 1.1 và 1.2. Tiếp đó, nồng độ 0,01M sẽ đánh số là 2.1 và 2.2, cuối cùng nồng độ 0,001M đánh số là 3.1 và 3.2.
d. Sốc hỗn hợp trong 6 ống ly tâm 15 phút nhằm làm tăng khả năng phản ứng của các chất. Chờ khoảng 2h để kết tủa xuất hiện.
e. Cho 6 hỗn hợp vào máy ly tâm với tốc độ 2500 vòng trong 40 phút để kết tủa lắng xuống đáy ống hoàn toàn.
Hình 2.11 Dung dịch K2FeO4 có nồng độ theo thứ tự lần lượt 0,1M; 0,01M và 0,001M.
26
f. Cứ mỗi ống ly tâm chứa hỗn hợp, lấy 1ml dung dịch cho vào planchets đánh số trùng với số của ống. Đối với dung dịch chuẩn, cũng lấy 1ml dung dịch cho vào planchets và đánh số 0. Bật bếp điện và mang tất cả planchets để lên bếp hong khô ở nhiệt độ thấp (phương pháp bay hơi mẫu). Bước này cần thận trọng, do nhiệt độ cao, hóa chất dạng lỏng có thể bắn ra ngoài, gây nguy hiểm.
g. Khi dung dịch trong planchets đã khô, cài đặt ống đếm G-M như hình 2.12
đo số đếm trong 100 giây ở điện áp 500V. Cho planchets không chứa dung dịch vào detector để đo phông. Tương tự, lần lượt đo lấy số liệu của dung dịch chuẩn và dung dịch hỗn hợp trong 6 ống ly tâm.
h. Ghi nhận kết quả số đếm của ống đếm G-M hiển thị. Tính các giá trị trung bình, sai số và phần trăm hoạt độ của chất phóng xạ bị giảm khi cho K2FeO4 vào dung dịch chuẩn.
Hình 2.12. Ống đếm G-M trong PTN hạt nhân của trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG TpHCM.
27
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT LOẠI CHẤT PHÓNG XẠ RA KHỎI DUNG DỊCH
3.1 KẾT QUẢ
Kết quả số đếm/giây của phông, dung dịch chuẩn và các mẫu, thu được trong hai ngày đo 4/4/2017 và 11/4/2017 thể hiện ở bảng 3.1 và bảng 3.2 tương ứng với tỉ lệ 1:20 và 1:10.
Bảng 3.1: Số đếm/giây ghi nhận được của tỉ lệ 1:20
Số lần đo Phông
Dung dịch chuẩn
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3
1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2 Ngày 4/4/2017 Lần 1 0,32 0,96 0,58 0,42 0,42 0,55 0,47 0,56 Lần 2 0,40 1,01 0,55 0,42 0,43 0,48 0,54 0,45 Lần 3 0,45 1,15 0,47 0,42 0,43 0,55 0,50 0,60 TB mẫu 0,39 0,05 1,04 0,07 0,48 0,06 0,48 0,05 0,52 0,02 Ngày 11/4/2017 Lần 4 0,42 1,31 0,56 0,62 0,60 0,55 0,56 0,65 Lần 5 0,37 1,28 0,58 0,54 0,58 0,72 0,61 0,58 Lần 6 0,40 1,12 0,57 0,55 0,56 0,61 0,62 0,55 Lần 7 0,35 1,35 0,62 0,61 0,58 0,59 0,69 0,70 Lần 8 0,39 1,13 0,59 0,58 0,60 0,52 0,63 0,57 TB mẫu 0,39 0,02 1,24 0,09 0,58 0,01 0,59 0,01 0,62 0,01
28
Bảng 3.2: Số đếm/giây ghi nhận được của tỉ lệ 1:10
Số lần đo Phông Dung dịch chuẩn Mẫu 1 Mẫu 2 1.1 1.2 2.1 2.2 Ngày 4/4/2017 Lần 1 0,32 0,96 0,42 0,39 0,39 0,47 Lần 2 0,40 1,01 0,43 0,42 0,47 0,48 Lần 3 0,45 1,15 0,49 0,37 0,43 0,42 TB mẫu 0,39 0,05 1,04 0,07 0,42 0,03 0,44 0,01 Ngày 11/4/2017 Lần 4 0,42 1,31 0,49 0,48 0,60 0,60 Lần 5 0,37 1,28 0,50 0,58 0,49 0,55 Lần 6 0,40 1,12 0,48 0,49 0,52 0,56 Lần 7 0,35 1,35 0,50 0,42 0,57 0,60 Lần 8 0,39 1,13 0,46 0,63 0,48 0,60 TB mẫu 0,39 0,02 1,24 0,09 0,50 0,02 0,56 0,03
Dựa vào số đếm/giây trung bình, ta có thể tính được phần trăm hoạt độ chất phóng xạ đã giảm khi cho K2FeO4 vào dung dịch chuẩn. Hay nói cách khác, hiệu suất lọc urani của K2FeO4 được thể hiện qua công thức (3.1):
.100% d s d S S H S (3.1)
Với H là hiệu suất lọc chất phóng xạ (%)
Sd là trung bình số đếm/giây của dung dịch chuẩn urani đã trừ phông.
29
Phần trăm hoạt độ chất phóng xạ giảm đi khi cho dung dịch Fe(VI) vào dung dịch chuẩn thể hiện qua bảng 3.3.
Bảng 3.3: Phần trăm hoạt độ chất phóng xạ giảm đi
4/4/2017 11/4/2017
Mẫu
Tỉ lệ Fe(VI) và dung dịch chuẩn
1:20 1:10 1:20 1:10
1 86,87 95,39 77,00 86,27
2 86,87 91,80 75,94 79,93
3 80,00 -- 73,00 --
3.2 ĐÁNH GIÁ
Từ bảng 3.3 cho thấy rằng, kali ferrat có thể lọc được trung bình hơn 80% chất phóng xạ ra khỏi dung dịch chuẩn. Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Vladimir và cộng sự [19] thực hiện vào năm 2016. Khác ở chỗ, Vladimir điều chế K2FeO4 bằng phương pháp điện phân và chỉ lấy dung dịch K2FeO4 có nồng độ mol 10-4 M. Thêm nữa, bảng 3.3 cho ta kết luận rằng khi nồng độ dung dịch K2FeO4 càng lớn hoặc nếu tỉ lệ giữa lượng Fe(VI) và mẫu dung dịch chuẩn tăng (từ 1:20 lên 1:10) thì khả năng loại bỏ chất phóng xạ càng cao.
So sánh kết quả của hai ngày đo thể hiện ở bảng 3.1 và bảng 3.2, nhận thấy rằng phông không đổi, còn lại số đếm của dung dịch chuẩn và mẫu hỗn hợp đều tăng lên. Điều này có thể giải thích do thể tích hình học đo giữa hai ngày khác nhau về khoảng cách nguồn và detector nên số đếm mà detector ghi nhận được sẽ khác nhau. Ngoài ra, lấy số liệu thống kê cho số đếm nhiều hơn, dẫn đến tính chính xác được tăng cao. Tuy nhiên, nhìn chung, kết luận về sự giảm đi của urani trong mẫu hỗn hợp so với dung dịch chuẩn là không thay đổi.
Từ các kết quả thu nhận được, cho thấy kali ferrat có khả năng loại bỏ urani ra khỏi dung dịch chuẩn urani. Đặc biệt, sản phẩm phụ sau phản ứng lại vô cùng thân
30
thiện môi trường, không lo vấn đề xử lý ô nhiễm. Như vậy, K2FeO4 còn cần được nghiên cứu nhiều hơn trong việc sử dụng vào đời sống con người, cho thấy tiềm năng phát triển trong tương lai rất lớn. Những ứng dụng đầu tiên nổi bật đó là sử dụng K2FeO4 để loại bỏ chất phóng xạ trong nước sinh hoạt hoặc tái chế nước thải.
31
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Khóa luận dựa trên cơ sở lý thuyết hóa học của các chất, tính chất phóng xạ của urani cùng sự hỗ trợ của ống đếm Geiger-Muller đã hoàn thành và đạt được kết quả sau:
1. Khóa luận đã tổng hợp được kali ferrat (K2FeO4) - một chất hóa học “xanh” bằng phương pháp điện phân và phương phương pháp khô. Đồng thời, nhận thấy rằng, phương pháp khô có lợi thế hơn về chất lượng và số lượng sản phẩm, hơn nữa, thời gian thực hiện ngắn hơn so với phương pháp điện phân. Tuy nhiên, nhược điểm về độ an toàn khi nung chảy và khí thoát ra trong quá trình phản ứng làm cho phương pháp ít được lựa chọn tiến hành.
2. Thực hiện phép đo lấy số đếm phóng xạ thông qua đầu dò Geiger-Muller với ưu điểm máy gọn nhẹ, thời gian đo ngắn và dễ sử dụng. Tuy nhiên, cần lưu ý lấy số phải đủ thống kê, tránh sai sót trong quá trình tính toán. 3. Tính được phần trăm nồng độ chất phóng xạ giảm so với ban đầu là hơn
80%, khi cho K2FeO4 vào dung dịch chuẩn.
Với các kết quả thực nghiệm đạt được, khóa luận đã khẳng định lần nữa việc sử dụng kali ferrat (K2FeO4) để loại bỏ chất phóng xạ urani trong nước là vô cùng khả quan. Đặc biệt, sản phẩm phụ tạo ra kèm theo trong quá trình phản ứng không gây hại môi trường. Đây hứa hẹn sẽ là hướng nghiên cứu triển vọng trong tương lai.
Khóa luận thực hiện xung quanh chủ đề chất hóa học “xanh” K2FeO4, chất phóng xạ và ống đếm G-M. Do vậy, trong tương lai khóa luận này sẽ mở rộng thêm nhiều hướng phát triển mới, cụ thể:
1. Áp dụng kết quả đạt được khi dùng ống đếm G-M để thay thế bằng một hệ đo mới, có tính ưu việt hơn. Đơn cử, hệ đo alpha, kết quả sẽ có thể biết được thêm đồng vị phóng xạ nào bị loại bỏ.
2. Từ kết quả của khóa luận, có thể thay đổi tỉ lệ giữa Fe(VI) và dung dịch chuẩn để xem mức độ hoạt động tối đa của chất lọc.
32
3. Bên cạnh đó, từ phương trình (2.1), kết tủa của quá trình lọc là UO2(OH)2 có chứa urani, do đó, vấn đề đặt ra là cần tìm phương pháp giải quyết chất thải này.
4. Khóa luận chỉ dừng lại ở việc loại bỏ chất phóng xạ trong dung dịch chuẩn. Do đó, tiến hành sử dụng K2FeO4 vào thực nghiệm mẫu lỏng môi trường sẽ là đề tài lớn, hấp dẫn.
33
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
[1]. Châu Văn Tạo (2013), “Vật lý Hạt nhân đại cương”, NXB Đại học Quốc gia
Hà Nội, 648 – 650.
[2]. Đồng Thị Minh Nguyệt (2016), “Nghiên cứu tẩy xạ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt sử dụng Hydrogen peroxide và hệ thống Ultrasonic”, Luận văn Thạc sĩ
Vật lý, Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí
Minh.
[3]. Lê Công Hảo (2013), “Nghiên cứu xác định hàm lượng phóng xạ một số nguyên tố nặng trong mẫu môi trường bằng phương pháp phổ alpha”, Luận
án Tiến sĩ Vật lý, Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố
Hồ Chí Minh.
[4]. Lý Duy Nhất (2009), “Tìm hiểu về các hệ ghi đo trong phòng thí nghiệm hạt nhân”, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh. [5]. Nguyễn Văn Phú (2016), “Nghiên cứu điều kiện tách và thu hồi urani trong nước thải của quá trình thủy luyện quặng đất hiếm Việt Nam bằng phương pháp trao đổi anion”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học tự nhiên và
Công nghệ, Tập 32 (4), pp.161 – 166.
Tài liệu tiếng Anh
[6]. Amirreza Talaiekhozani, Marzieh Bagheri, Mohammad Reza Talaei and Nematollah Jaafarzadeh (2016), “An Overview on Production and Applications of Ferrat(VI)”, Ahvaz Jundishapur University of Medical Sciences.
[7]. Bajwa B.S., Kumar S., Singh S., Sahoo S.K., Tripathi R.M. (2017), “Urani and other heavy toxic elements distribution in the drinking water samples of SW-Punjab, India”, Journal of radiation research and applied sciences, Vol 10, 13 - 19.
34
[8]. Bielski B.H.J., Thomas M.J. (1987), “Studies of hypervalent iron in aqueous solutions. 1. Radiation induced reduction of iron (VI) to iron (V) by CO2- ”,
J. Am. Chem. Soc., 109, 7761 – 7764.
[9]. Boorman G.A., Vicki Dellarco, Dunnick J.K., Chapin R.E., Sid Hunter, Fred Hauchman, Hank Gardner, Mike Cox and Robert C. Sills (1999), “Drinking water disinfection byproducts: review and approach to toxicity evaluation”,
Environmental Health Perspectives, Vol 107, 207 - 217.
[10]. Delaude L. and Laszlo P. (1996), “A novel oxidizing reagent based on kali ferrat(VI)”, J. Org. Chem. 61, 6360 – 6370.
[11]. Li C., Li X.Z., Graham N. (2005), “A study of the preparation and reactivity of kali ferrat”, Chemosphere 61, 537 – 543.
[12]. Lopez J.P., Penuelas D.C., Mendez P.F., Perez S., Calderon I. and Ortiz J.R. (2008), “Kali ferrat and/or Sodium ferrat generation using a prototype of electrochemical reactor without membrane”, ECS Transactions, 403 – 410. [13]. Masashi K., Mohammad D.A., Said H.F., Muhammad D.F., Md. Zahirul H.,
Nobuyuki H., Shoko O., Tomomi O., Masao M., Masafumi Y. (2016), “Uaranium in well drinking water of Kabul, Afghanistan and its effective, low – cost depuration using Mg – Fe based hydrotalcite – likes compiounds”,
Chemosphere, Vol 165, 27-32.
[14]. Thompson G.W. , Ockerman L.T. and Schreyer J.M. (1951), “Preparation and purification of kali ferrat VI”, J. Am. Chem. Soc, 73, 1379 - 1381. [15]. Sani R.K. , Payton B.M. , Amonette J.E. and Geesey G.G. (2004), “Reduction
of urani (VI) under sulfate – reducing conditions in the presence of Fe(III)- (hydr)oxides”, Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol 68, No. 12, 2639 – 2648.
[16]. Sharma V.K. (2004), “Use of iron (VI) and iron (V) in water and wastewater treatment”, Water Science and Technology, Vol 49 No 4, 69 – 74.
35
[17]. Sharma V.K. , Futaba Kazama, Hu Jiangyong and Ajay K.Ray (2005), “Ferrats (iron (VI) and iron (V)): Environmentally friendly oxidants and disinfectants”, Journal of Water and Health, 45 – 58.
[18]. Sibel B., Feride U., Heikki S., Anatholy D. amd Mika S. (2014), “Electrosynthesis of ferrat (VI) ion using high purity iron electrodes: Optimization of influencing parameters on the process and investigating its stability”, Int. J. Electrochem. Sci., 3099 – 3117.
[19]. Vladimir G. Petrov, Yury D. Perfiliev, Sergey K. Dedushenko, Tatiana S. Kuchinskaya, Stepan N. Kalmykov (2016), “Radionuclde removal from aqueous solutions using kali ferrat (VI)”, J. Radioanal Nucl. Chem. (2016),
347 – 352.
Trang web
36
PHỤ LỤC
Hoạt độ chất phóng xạ được tính theo công thức (1)
. .
S A
t V