2.2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là tổng hợp vật liệu gốm synroc có cấu trúc zirconolite, perovskit, hollandite trên hệ hóa BaO - ZrO2- TiO2 – Al2O3 - CaO. Khả năng nạp nhân phóng xạ của synroc đƣợc khảo sát khi dùng strontri bền.
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
Xác định một hệ pha trung tâm tồn tại các trạng thái cân bằng bậc ba đƣợc nghiên cứu CaO - ZrO2 - TiO2 với sự hình thành hai thành phần của synroc là zirconlonite và perovskit. Sự chuyển hóa và hình thành các pha đƣợc nghiên cứu dựa trên các tỉ lệ về phần mol của các cấu tử trong hệ và sự ảnh hƣởng của nhiệt độ tại các nhiệt độ khác nhau
Nghiên cứu sự hình thành pha thứ ba hollandite dựa trên sự tƣơng tác của hai cấu tử còn lại Al2O3 – BaO với hệ pha trung tâm CaO - ZrO2- TiO2 mà ở đó chỉ xảy ra sự tƣơng tác của Al2O3 – BaO đối với TiO2 trong hệ để tạo thành hợp chất bậc ba hollandite BaAl2Ti6O16
Sự nạp Sr đƣợc tính toán theo CaO trong thành phần của synroc với các tỉ lệ khác nhau và khả năng cố định nhân phóng xạ đƣợc đánh giá dựa trên thí nghiệm về hòa tách Sr khỏi mạng synroc.
Kỹ thuật thực nghiệm: Các mẫu bột đƣợc chuẩn bị theo các thành phần
nghiên cứu tƣơng ứng, sau đó đƣợc nghiền trộn và sàng qua lƣới 1mmx1mm để tạo sự đồng đều của mẫu. Lƣợng PVA 3% khối lƣợng đƣợc thêm vào bột với vai trò là chất kết dính, sau đó bột đƣợc đƣa vào khuôn ép có độ cứng cao (có sử dụng chất đệm khuôn là kẽm stearat) và ép dƣới áp lực của máy ép một chiều với áp lực hiệu dụng 2,5-3t/cm2 và giữ trong 6-7s, viên ép tƣơi có kích thƣớc 13x11mm đƣợc đƣa vào lò nung nhiệt độ cao để tiến hành nung thiêu kết.
34
Hình 2.1. Khuôn ép viên.
2.2.3. Phương pháp và kỹ thuật phân tích đánh giá
2.2.3.1. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X [1]
Nguyên lý
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là một trong những phƣơng pháp hiện đại dùng để xác định thành phần pha tinh thể của vật liệu. Phƣơng pháp này cho phép xác định thông số mạng, kiểu mạng lƣới, kích thƣớc hạt...
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X dựa trên nguyên tắc sau:
Khi chiếu một chùm tia X song song, đơn sắc vào vật liệu có cấu trúc tinh thể thì xảy ra hiện tƣợng khuếch tán tia X. Điện trƣờng của chùm tia tới làm điện tử của nguyên tử trong mạng tinh thể dao động, sự dao động này là nguồn phát tia thứ cấp phát ra bức xạ cùng tần số với tia X. Do đó chúng giao thoa với nhau. Trong mạng lƣới tinh thể chúng tạo thành những mặt phẳng nút. Sự khuếch tán tia X có thể xem nhƣ sự phản xạ từ các mặt phẳng nút đó. Khi chiếu một chùm tia X đơn sắc có bƣớc sóng xác định đi qua một hệ tinh thể, trong tinh thể ta chọn hai mặt phẳng nút song song với nhau có khoảng cách là dhkl, góc hợp bởi tia tới với mặt phẳng nút là . Nếu hiệu lộ trình của tia tới và tia phản xạ bằng một số nguyên lần bƣớc sóng thì xảy ra hiện tƣợng nhiễu xạ tia X.
M1 N1
M2 P N2
S T dhkl
35
Các tia X phản xạ từ hai mặt mạng cạnh nhau có hiệu quang trình ∆ = M2QN2 – M1PN1 = 2dsinθ
Khi các tia này giao thoa với nhau ta sẽ thu đƣợc cực đại nhiễu xạ thỏa mãn phƣơng trình Vulf-Bragg:
M2QN2 – M1PN1 = nλ = 2dsinθ Trong đó:
d: Khoảng cách giữa hai mặt mạng song song. θ: Góc giữa tia X và mặt phẳng pháp tuyến. n: Số bậc phản xạ (n=1,2,3,4…).
λ: Độ dài bƣớc sóng.
Đây là phƣơng trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Căn cứ vào cấu trúc cực đại nhiễu xạ trên giản đồ, tìm đƣợc giá trị 2θ. Từ đó suy ra d theo phƣơng trình Vufl-Bragg. So sánh giá trị d tìm đƣợc với d chuẩn sẽ xác định đƣợc thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu. Đây là phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật chất. Trong luận văn này, phân tích XRD đƣợc sử dụng để nhận dạng các pha và thực hiện tại khoa công nghệ lọc hóa dầu và vật liệu xúc tác – ĐH BKHN
2.2.3.2. Hiển vi điện tử quét (SEM)
Hiển vi điện tử quét đƣợc sử dụng để nghiên cứu bề mặt, xác định kích thƣớc và hình dạng vật liệu nhờ khả năng phóng đại và tạo ảnh rõ nét và chi tiết. SEM đƣợc thực hiện bằng cách quét một chùm tia điện tử hẹp bƣớc sòng khoảng vài Ao lên bề mặt mẫu. Khi chùm điện tử đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra các điện tử thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu sẽ biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, chúng đƣợc khuếch đại đƣa vào mạng lƣới điều khiển tọa độ ánh sáng trên màn hình. Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tƣơng ứng trên màn ảnh. Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lƣợng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu và phụ thuộc vào bề mặt mẫu nghiên cứu. Các mẫu chụp ảnh SEM đƣợc thực hiện tại khoa Vật lý – ĐH KHTN – ĐH QGHN.
36
2.2.3.3. Phương pháp phân tích phổ khối cảm ứng (ICP-MS)
ICP – MS là phƣơng pháp phân tích các chất vô cơ dựa trên sự ghi đo phổ theo tỷ số m/z của nguyên tử các nguyên tố cần phân tích. ICP (Inductively Coupled Plasma) là ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) đƣợc cung cấp bằng một máy phát cao tần (RF). Ngọn lửa plasma có nhiệt độ cao có tác dụng chuyển các nguyên tố có trong mẫu cần phân tích ra dạng ion. MS (Mass spectrometry) là phép ghi phổ theo tỷ số m/z. Phƣơng pháp phân tích ICP-MS dựa trên nguyên tắc của sự hóa hơi, nguyên tử hóa, ion hóa của các nguyên tố hóa học khi chúng đƣợc đƣa vào môi trƣờng plasma sau đó các ion này đƣợc tách ra khỏi nhau theo tỷ số m/z của chúng bằng thiết bị phân tách khối rồi đƣợc phát hiện, khuyếch đại và đếm bằng thiết bị điện tử kỹ thuật số
ICP-MS đƣợc phát triển vào đầu những năm 80 của thế kỷ trƣớc, là sự kết hợp thành công và hoàn hảo của hai thiết bị phân tích là ICP và MS. Đây là một trong những phƣơng pháp phân tích hiện đại nhất hiện nay và ngày càng chứng tỏ có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với các phƣơng pháp phân tích khác trong nghiên cứu xác định lƣợng vết các nguyên tố cũng nhƣ xác định thành phần đồng vị của chúng. Trên thị trƣờng hiện nay có nhiều hãng sản xuất máy nhƣ Agilent, Thermo...
Các cation hòa tách khỏi mạng synroc trong thí nghiệm hòa tách đƣợc xác định bằng phân tích ICP-MS. Các mẫu phân tích ICP-MS đƣợc thực hiện tại Trung tâm phân tích – Viện Công nghệ xạ hiếm
2.2.3.4. Xác định độ co ngót khi nung
Mẫu đƣợc ép viên (hình trụ) sấy khô trƣớc khi nung đƣợc đo chiều cao, đƣờng kính tƣơng ứng là H0, D0 (mm). H, D (mm) tƣơng ứng là chiều cao và đƣờng kính của mẫu sau khi nung thiêu kết đã làm nguội về nhiệt độ phòng.
Ta có công thức sau:
Độ co ngót =
2.2.3.5. Xác định độ hút nước
Độ hút nƣớc của vật liệu là khả năng hút và giữ nƣớc của nó ở điều kiện bình thƣờng.Độ hút nƣớc theo khối lƣợng là tỉ số phần trăm giữa khối lƣợng nƣớc mà vật
37
liệu hút đƣợc với khối lƣợng của vật liệu ở trạng thái khô. Để xác định độ hút nƣớc các bƣớc tiến hành nhƣ sau:
- Sấy mẫu ở nhiệt độ 1050C-1100C đến khối lƣợng không đổi. - Để nguội, cân mẫu khô (m0).
- Ngâm mẫu đã cân đến bão hòa nƣớc.
- Vớt mẫu ra, lau nƣớc đọng trên mặt mẫu bằng vải ẩm rồi cân mẫu bão hòa nƣớc (m). Thời gian từ khi vớt mẫu ra đến khi cân không vƣợt quá 3 phút. Độ hút nƣớc của mẫu đƣợc xác định theo công thức:
Độ hút nƣớc =
2.2.3.6. Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet
Thể tích tự nhiên của viên gốm V0 đƣợc xác định bằng cách: sau khi ngâm bão hòa viên gốm trong nƣớc ta đem xách định thể tích thông qua phƣơng pháp đẩy nƣớc. Thể tích dâng lên chính là thể tích tự nhiên của viên gốm. Xác định thể tích toàn đặc của khối gốm bằng cách xác định thể tích gốm dạng bột bằng phƣơng pháp đẩy nƣớc ta đƣợc thể tích gốm là Va. Khi đó độ xốp của gốm đƣợc tính nhƣ sau :
0 0 .100 a V V r V
Cân khối lƣợng của viên gốm đƣợc m (g). Khi đó tỉ khối D đƣợc tính theo công thức:
D = m/ Vo (g/cm3)
2.2.3.7. Phương pháp kiểm tra độ hòa tách (ANSI/ANS 16.1 – 1986)
Mẫu thí nghiệm phải đƣợc ngâm vào nƣớc đã tách khoáng trong 30 giây. Thể tích nƣớc ngâm này phải bằng chính xác thể tích dung môi sẽ đƣợc sử dụng trong suốt thí nghiệm.
Hộp chứa mẫu đã sử dụng trƣớc khi tiến hành thí nghiệm cũng phải đƣợc ngâm vào trong nƣớc với cùng thể tích để thu hồi toàn bộ các nhân phóng xạ có trong nƣớc đọng hay trên thành hộp. Phần nƣớc ngâm hộp và “nƣớc rửa” mẫu này sẽ đƣợc kết hợp với nhau để phân tích lƣợng nhân phóng xạ chứa trong chúng. Kết quả phân tích sẽ đƣợc sử dụng cho công thức (ar/A0)i, đại diện cho tỉ lệ giữa lƣợng nhân phóng xạ tồn tại trong cả hai phần nƣớc rửa (ar)i đối với lƣợng nhân phóng xạ
38
có trong mẫu (Ao)i tại thời điểm bắt đầu tiến hành thí nghiệm kiểm tra rò rỉ. Công thức này đƣợc sử dụng để tính lƣợng nhân phóng xạ với từng nhân khác nhau. Tất cả các thí nghiệm đo về tính phóng xạ của mẫu này đƣợc tính toán và báo cáo theo thời gian, ví dụ: thông số bắt đầu của quá trình kiểm tra rò rỉ.
Mẫu sẽ đƣợc đặt trên giá đỡ làm bằng các vật liệu trơ sao cho các giá đỡ này không làm ảnh hƣởng đến quá trình thay dung môi, ảnh hƣởng đến quá trình rò rỉ hay làm hƣ hại bề mặt của mẫu. Thêm nữa, giá đỡ cũng phải đảm bảo sao cho không quá 2 % bề mặt mẫu bị che, không tiếp xúc với dung môi. Một ví dụ cho giá đỡ thích hợp nhất cho mẫu là dây treo, giá cứng hay lƣới làm bằng dây nhỏ. Mẫu phải đƣợc đặt sao cho đối với mọi chiều, lớp chất lỏng tiếp xúc với mẫu phải có độ dày ít nhất 10 cm.
Mô hình bố trí thí nghiệm kiểm tra độ hòa tách đƣợc mô tả trong hình 2.3:
Hình 2.3. Mô hình bố trí thực nghiệm kiểm tra độ hòa tách
Tổng thể tích dung môi đƣợc sử dụng VL và diện tích bề mặt dung môi tiếp xúc với mẫu S phải đảm bảo theo công thức:
= 10 ± 0,2 (cm)
Ví dụ, với mẫu hình trụ có đƣờng kính 1 cm và dài 1 cm với diện tích bề mặt 4,71 cm2 sẽ cần 47,1 mL dung môi. Tỉ lệ giữa thể tích dung môi và diện tích bề mặt mẫu đảm bảo ở 10 cm sẽ đủ cho việc không làm ảnh hƣởng đến cấu tạo dung môi trong thời gian thí nghiệm ngắn, đảm bảo tính chính xác của nồng độ các nhân phóng xạ khi phân tích. Trong trƣờng hợp lớp chất lỏng không đạt đƣợc đủ độ dày hay tỉ lệ giữa thể tích dung môi và diện tích bề mặt mẫu không đủ 10 cm, ngƣời vận hành thí nghiệm phải đảm bảo tất cả diện tích bề mặt mẫu phải đƣợc nhúng trong dung môi một cách đồng đều và nhiều nhất có thể. Ngoài ra, cũng không đƣợc phép
39 khuấy dung môi trong suốt quá trình thí nghiệm.
Sau khi hết một chu kỳ thí nghiệm, dung môi đƣợc loại bỏ khỏi mẫu để thay thế bằng dung môi mới. Mẫu sẽ đƣợc lấy nhanh khỏi thùng chứa dung môi cũ và đƣợc đặt thật nhanh vào thùng chứa mới cùng dung môi mới. Sau khi lấy dung môi đã qua thí nghiệm rò rỉ đi phân tích, thùng chứa thí nghiệm phải đƣợc rửa sạch với nƣớc đã khử khoáng để loại bỏ hoàn toàn các nhân phóng xạ rò rỉ đã đƣợc đọng lại. Sau khi lấy khỏi dung môi cũ và trƣớc khi cho vào dung môi mới, phải rửa mẫu trong nƣớc đã tách khoáng trong vòng khoảng 5 giây. Hoạt độ phóng xạ trong nƣớc rửa cũng phải đƣợc phân tích cùng với dung môi cũ. Trong suốt quá trình thay thế dung môi, thời gian để mẫu tiếp xúc với không khí phải càng ngắn càng tốt. Tuyệt đối không bao giờ đƣợc phép để khô bề mặt mẫu. Sau đó, mẫu đƣợc đặt trong dung môi mới cho chu trình kiểm tra rò rỉ tiếp theo.
Tốc độ nhân phóng xạ giải phóng ra, dƣới dạng chỉ số rò rỉ đƣợc tính bằng hàm dựa trên thời gian thay mới dung môi. Do đó, thời gian thay mới dung môi phải đƣợc thống nhất đối với các thí nghiệm kiểm tra. Dung môi đƣợc lấy mẫu và thay thế hoàn toàn sau các khoảng thời gian 2, 7 và 24 giờ kể từ lúc bắt đầu thí nghiệm, đƣợc miêu tả nhƣ trong hình 2. Sau đó, quá trình lấy mẫu tiếp tục mỗi 24 giờ trong 4 ngày tiếp theo. Cuối cùng, lấy mẫu thêm 3 lần nữa sau các khoảng thời gian 4, 7, 14, 28 ngày, tùy theo từng loại vật liệu, các ion ngâm chiết, có thể kéo dài số ngày ngâm hoặc có thể sử dụng nhiệt độ trong quá trình ngâm.
Công thức tính tốc độ hòa tách:
Rl n= aln/Alo x F x tn
Trong đó:
Rl n: tốc độ hòa tách của một cấu tử l (g/m2 .d)
aln : khối lƣợng của cấu tử l hòa tách ra khỏi cấu kiện trong khoảng thời gian ngâm tách cho trƣớc (g)
Alo : phầnkhối lƣợng của cấu tử l trong mẫu ban đầu (g/g) F: diện tích bề mặt mẫu (m2)
tn: khoảng thời gian hòa tách, ngày (d) n tăng theo thời gian
40
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. Sự hình thành pha trong hệ CaO-TiO2-ZrO2
Trƣớc khi đi vào phần thực nghiệm tổng hợp một hệ gốm đa pha của synroc cần thiết phải phân tách, đánh giá để đƣa ra các luận giải nhằm đƣa một hệ đa thành phần khoáng của synroc về một hệ quy chiếu cơ bản nhất trong hệ synroc để từ đó làm cơ sở cho việc tổng hợp các pha hoàn chỉnh tiếp theo. Ở đây, hệ bậc ba CaO – TiO2 – ZrO2 là một hệ không thể thiếu trong hệ synroc. Thật vậy, trong các pha chính của synroc (BaAl2Ti6O16, CaTiO3, CaZrTi2O7) thì hệ CaO-TiO2-ZrO2 có thể xảy ra những tƣơng tác bên trong và chuyển hóa thành 2 phần của vật liệu synroc là CaTiO3, CaZrTi2O7. Đến nay, đã có một số nghiên cứu đƣợc thực hiện đối với hệ CaO-TiO2-ZrO2 tuy nhiên vẫn tồn tại nhiều câu hỏi liên quan đến mối quan hệ giữa các pha tại nhiệt độ thích hợp đƣợc sử dụng trong quá trình chế tạo synroc [7].
Một số nghiên cứu dựa trên hệ CaO-TiO2-ZrO2 với sự nạp Pu đối với chất thải hạt nhân chứa plutoni oxit cũng đƣợc tiến hành. Jostsons và cộng sự nghiên cứu nạp Pu trong mạng synroc và đánh giá các đặc tính của vật liệu là độ bền hóa, độ nạp tải tối đa Pu, độ an toàn tới hạn và sự cố định Pu tƣơng ứng với pha nào trong synroc. Zirconolite (CaZrTi2O7) đƣợc đánh giá là pha bền nhất trong synroc. Hơn nữa, zirconolite là pha có khả năng kết hợp với actinides nhiều nhất [9], và do đó Pu/synroc chủ yếu đƣợc cố định trong pha zirconolite [14]. Theo đó, nhiều thử nghiệm đƣợc thực hiện để xác định các giới hạn hòa tan của Pu và độ tƣơng thích trong zirconolite [23]. Tuy nhiên, để tránh các trƣờng hợp tới hạn trong việc nạp Pu trong mạng vật liệu synroc thì có thể bổ sung một số thành phần hấp thụ neutron nhƣ Hf và Gd hòa tan trong pha zirconolite của synroc.
Nhƣ vậy khi tổng hợp vật liệu synroc cần thiết phải nghiên cứu sự hình thành pha trong hệ bậc ba CaO-TiO2-ZrO2 để xác định đƣợc tỷ lệ thành phần tối ƣu của ba