Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quy trình tách thori urani từ quặng monazite nam đề gi bằng phương pháp chiết lỏng lỏng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quy trình tách thori urani từ quặng monazite Nam Đề Gi bằng phương pháp chiết lỏng lỏng, ứng dụng hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Quốc Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Cao Văn Hoàng
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Quy Trình Tách Thori Và Urani Từ Quặng Monazite Nam Đề Gi Bằng Phương Pháp Chiết Lỏng Lỏng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 1. Lí do chọn đề tài
• 2. Mục tiêu đề tài
• 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• 4. Phương pháp nghiên cứu
• 5. Cấu trúc luận văn
• 1. Khái quát chung về Thori (Th), Urani (U)
• 1.1. Giới thiệu Thori, Urani
• 1.2. Các dạng tồn tại của Thori, Urani
• 1.2.1. Thori, Urani đơn chất
• 1.2.2. Các oxit của Thori và Urani
• 1.2.3. Hydroxit của Thori và Urani
• 1.2.4. Muối của Thori và Urani
• 1.2.5. Khả năng tạo phức của Th(IV), U(VI)
• 1.3. Trạng thái tự nhiên và ứng dụng
• 1.3.1. Trạng thái tự nhiên
• 1.3.2. Ứng dụng của Th, U
• 1.4. Quặng monazit nam Đề Gi
• 1.4.1. Thành phần và tính chất
• 1.4.2. Các phương pháp phân hủy quặng
• 1.5. Phương pháp tách nguyên tố Thori và Urani
• 1.5.1. Phương pháp tách
• 1.5.2. Lịch sử nghiên cứu
• 1.5.3. Phương pháp kết tủa chọn lọc
• 1.5.4. Phương pháp trao đổ i ion
• 1.5.5. Phương pháp chiế t lỏng-lỏng
• 1.6. Phương pháp chiết lỏng - lỏng
• 1.6.1. Nguyên tắc của quá trình chiết
• 1.6.2. Định luật phân bố
• 1.6.3. Hệ số phân bố (D)
• 1.6.4. Phần trăm chiết (E%)
• 1.6.5. Hệ số cường chiết (Sk)
• 1.6.6. Hệ số tách β
• 1.6.7. Cơ chế quá trình chiết (cơ chế Diamond)
• 1.6.8. Yêu cầu chung
• 1.7. Tác nhân chiết Tri-n-Butyl Photphat
• 1.7.1. Khái niệm, tính chất
• 1.7.2. Khả năng chiết
• 1.8. Quy hoạch thực nghiệm
• 1.8.1. Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 1.8.2. Các mức yếu tố và giá trị mã hóa
• 1.8.3. Các mức yếu tố
• 1.8.4. Ma trận thực nghiệm
• 1.8.5. Mô hình thực nghiệm bậc hai tâm xoay
• 1.8.6. Các bước quy hoạch thực nghiệm cực trị
• 2. Lựa chọn thông số nghiên cứu
• 3. Xây dựng kế hoạch thực nghiệm
• 4. Tiến hành thí nghiệm và thu thập số liệu
• 5. Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm
• 2. CHƯƠNG II. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.1. Chất chuẩn, thuốc thử và tác nhân chiết
• 2.2. Dung môi, và các loại hóa chất thông dụng khác
• 2.3. Chuẩn bị các dung dịch hóa chất
• 2.4. Dụng cụ và thiết bị
• 2.5. Nội dung nghiên cứu
• 2.5.1. Qúa trình chiết Th(IV), U(VI) bằng tác nhân chiết TBP
• 2.5.2. Sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết Th(IV), U(VI)
• 2.5.3. Tối ưu hóa điều kiện chiết Th(IV), U(VI) bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM)
• 2.5.4. Qúa trình giải chiết
• 2.5.5. Đặc trưng sản phẩm ở các giai đoạn
• 2.5.6. Tách sơ bộ Th(IV), U(VI) ra khỏi các NTĐH bằng phương pháp kết tủa
• 2.5.7. Tinh chế Th(IV), U(VI) bằng phương pháp chiết lỏng-lỏng
• 2.6. Các phương pháp phân tích
• 2.6.1. Phương pháp ICP-MS
• 2.6.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS
• 2.6.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X
• 2.7. Các phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tối ưu hóa quá trình chiết Th(IV), U(VI)
• 3.1.1. Sàng lọc các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất chiết
• 3.1.2. Ảnh hưởng dung môi
• 3.1.3. Ảnh hưởng của axit
• 3.1.4. Ảnh hưởng nồng độ TBP
• 3.1.5. Ảnh hưởng của nồng độ axit HNO3
• 3.1.6. Ảnh hưởng tỉ lệ pha hữu cơ:nước
• 3.1.7. Ảnh hưởng của thời gian chiết
• 3.2. Tối ưu hóa và đánh giá phần trăm ảnh hưởng của các yếu tố chính đến hiệu suất chiết Th(IV), U(VI) bằng RSM
• 3.2.1. Ma trận thí nghiệm và hồi quy
• 3.2.2. Phân tích phương sai
• 3.2.3. Mặt đáp ứng 3 chiều
• 3.3. Tối ưu hóa quá trình giải chiết Th(IV), U(VI)
• 3.3.1. Ảnh hưởng của chất giải chiết
• 3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ axit H2SO4 đến hiệu suất giải chiết
• 3.3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ pha nước:hữu cơ
• 3.3.4. Ảnh hưởng của số lần giải chiết
• 3.4. Đặc trưng sản phẩm ở các giai đoạn
• 3.4.1. Giai đoạn tách sơ bộ Th(IV) và U(VI)
• 3.4.2. Sản phẩm quá trình chiết
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào quy trình tách Thori (Th) và Urani (U) từ quặng monazite Nam Đề Gi bằng phương pháp chiết lỏng-lỏng. Monazite là nguồn tài nguyên quan trọng chứa các nguyên tố đất hiếm và các nguyên tố phóng xạ như Thori và Urani. Việc tách và tinh chế các nguyên tố này không chỉ có ý nghĩa kinh tế mà còn giảm thiểu tác động môi trường. Phương pháp chiết lỏng-lỏng được lựa chọn do hiệu quả cao và khả năng tự động hóa.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là tách sơ bộ Thori và Urani khỏi các nguyên tố đất hiếm bằng phương pháp kết tủa, sau đó tinh chế bằng phương pháp chiết lỏng-lỏng sử dụng tác nhân chiết Tri-n-Butyl Photphat (TBP). Nghiên cứu cũng nhằm tối ưu hóa các điều kiện chiết để đạt hiệu suất cao nhất.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là Thori và Urani trong quặng monazite Nam Đề Gi. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các phương pháp phân hủy quặng, tách và tinh chế các nguyên tố phóng xạ, đồng thời đánh giá hiệu quả của phương pháp chiết lỏng-lỏng.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp chiết lỏng-lỏng với tác nhân chiết TBP để tách Thori và Urani. Các phương pháp phân tích bao gồm ICP-MS để xác định hàm lượng các nguyên tố, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần, và phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa quy trình.

2.1. Quy trình chiết lỏng lỏng

Quy trình chiết lỏng-lỏng dựa trên nguyên tắc phân bố giữa hai pha lỏng không trộn lẫn. TBP được sử dụng làm tác nhân chiết do khả năng tạo phức với Thori và Urani. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết như nồng độ TBP, loại dung môi, nồng độ axit, và thời gian chiết được khảo sát và tối ưu hóa.

2.2. Phương pháp phân tích

Phương pháp ICP-MS được sử dụng để xác định hàm lượng Thori và Urani trong các giai đoạn chiết và giải chiết. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) giúp phân tích thành phần nguyên tố trong các sản phẩm trung gian và cuối cùng. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được áp dụng để xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình chiết.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp chiết lỏng-lỏng với TBP đạt hiệu suất cao trong việc tách Thori và Urani. Các yếu tố như nồng độ TBP, nồng độ axit HNO3, và tỉ lệ pha hữu cơ:nước có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chiết. Quá trình tối ưu hóa bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) đã xác định được các điều kiện tối ưu cho quá trình chiết.

3.1. Tối ưu hóa quá trình chiết

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết được khảo sát bao gồm nồng độ TBP, nồng độ axit HNO3, tỉ lệ pha hữu cơ:nước, và thời gian chiết. Kết quả cho thấy nồng độ TBP 30%, nồng độ HNO3 3M, và tỉ lệ pha hữu cơ:nước 1:1 là điều kiện tối ưu, đạt hiệu suất chiết trên 90%.

3.2. Đặc trưng sản phẩm

Sản phẩm thu được sau quá trình chiết và giải chiết được phân tích bằng SEM-EDX để xác định thành phần nguyên tố. Kết quả cho thấy sản phẩm cuối cùng có độ tinh khiết cao, đáp ứng yêu cầu sử dụng trong các ứng dụng công nghệ cao.

IV. Kết luận và ứng dụng

Nghiên cứu đã thành công trong việc tách và tinh chế Thori và Urani từ quặng monazite Nam Đề Gi bằng phương pháp chiết lỏng-lỏng. Phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn có khả năng tự động hóa, phù hợp với quy mô sản xuất lớn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc khai thác và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên đất hiếm và nguyên tố phóng xạ.

4.1. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu góp phần vào việc phát triển công nghệ tách và tinh chế các nguyên tố phóng xạ, giảm thiểu tác động môi trường trong quá trình khai thác và chế biến quặng. Thori và Urani thu được có thể ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao như năng lượng hạt nhân, vật liệu chịu nhiệt, và xúc tác công nghiệp.

4.2. Hướng phát triển

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải tiến quy trình chiết để tăng hiệu suất và giảm chi phí, đồng thời nghiên cứu các phương pháp xử lý chất thải phóng xạ để đảm bảo an toàn môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nguyên tố đất hiếm (NTĐH) và các hợp chất của chúng ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và khoa học kỹ thuật. Việt Nam sở hữu trữ lượng đất hiếm dồi dào, khoảng 17 - 22 triệu tấn, đứng thứ ba thế giới, tập trung chủ yếu ở các tỉnh Tây Bắc và ven biển miền Trung như Bình Định. Quặng monazit nam Đề Gi, Bình Định, là nguồn nguyên liệu quan trọng chứa các nguyên tố đất hiếm nhóm nhẹ cùng với các nguyên tố phóng xạ như Thori (Th) và Urani (U) với hàm lượng lần lượt khoảng 4-6% và 0,01-0,1%. Việc khai thác và tinh chế các nguyên tố này không chỉ mang lại giá trị kinh tế lớn, với giá thị trường đất hiếm khoảng 800 USD/tấn và nguyên tố tinh khiết lên tới khoảng 1 triệu USD/tấn, mà còn góp phần phát triển ngành năng lượng hạt nhân sạch và các ứng dụng công nghiệp cao cấp.

Tuy nhiên, quá trình chế biến quặng monazit tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường cao do sử dụng nhiều hóa chất độc hại. Đặc biệt, việc tách riêng Thori và Urani là cần thiết để hạn chế ảnh hưởng phóng xạ và tận dụng hiệu quả các nguyên tố này trong công nghiệp. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng quy trình tách sơ bộ Thori, Urani ra khỏi các nguyên tố đất hiếm bằng phương pháp kết tủa, đồng thời tinh chế Thori và Urani bằng phương pháp chiết lỏng-lỏng sử dụng tác nhân chiết Tri-n-Butyl Photphat (TBP). Nghiên cứu tập trung vào quặng monazit nam Đề Gi, với phạm vi thời gian thực hiện trong năm 2019 tại Viện Hóa Học và Viện Khoa Học Vật Liệu, nhằm nâng cao hiệu suất tách và thu hồi Th, U, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết chiết lỏng-lỏng: Quá trình chiết dựa trên định luật phân bố của Nernst, trong đó chất tan phân bố giữa hai pha không trộn lẫn (pha nước và pha hữu cơ) theo hằng số phân bố K. Các đại lượng quan trọng gồm hệ số phân bố (D), phần trăm chiết (E%), hệ số cường chiết (Sk) và hệ số tách (β) được sử dụng để đánh giá hiệu quả quá trình chiết.

• Cơ chế Diamond: Mô tả quá trình chiết qua sự hình thành phức chất trung tính giữa tác nhân chiết và ion kim loại trong pha nước, sau đó phân bố sang pha hữu cơ. Độ bền phức chất trong pha nước ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chiết.

• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm (RSM): Sử dụng thiết kế thực nghiệm có tâm xoay (CCD) để xây dựng mô hình toán học hồi quy đa biến, phân tích phương sai (ANOVA) và tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết Th(IV) và U(VI).

• Khái niệm và tính chất của Thori và Urani: Bao gồm đặc điểm vật lý, hóa học, các dạng tồn tại, oxit, hydroxit, muối và khả năng tạo phức của Th(IV) và U(VI), làm cơ sở cho việc lựa chọn điều kiện chiết và giải chiết phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Quặng monazit nam Đề Gi được tuyển chọn và chế hóa bằng phương pháp axit sunfuric đặc hoặc kiềm để phá mẫu, thu dung dịch chứa Th và U.

• Phương pháp tách sơ bộ: Kết tủa chọn lọc Th(IV) và U(VI) bằng cách điều chỉnh pH dung dịch, sử dụng NaOH và NH3 để tạo kết tủa hydroxit.

• Tinh chế bằng chiết lỏng-lỏng: Sử dụng tác nhân chiết Tri-n-Butyl Photphat (TBP) hòa tan trong dầu hỏa làm pha hữu cơ, chiết Th(IV) và U(VI) từ dung dịch axit nitric. Các yếu tố ảnh hưởng như nồng độ TBP, nồng độ axit HNO3, tỷ lệ pha hữu cơ:nước, thời gian chiết được khảo sát và tối ưu hóa bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM).

• Phương pháp phân tích: Hàm lượng Th và U được xác định bằng ICP-MS; thành phần hóa học và cấu trúc sản phẩm được phân tích bằng phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) và quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các thí nghiệm được thực hiện với nhiều mẫu quặng và dung dịch khác nhau, sử dụng thiết kế thực nghiệm ma trận bậc hai tâm xoay với số lượng thí nghiệm phù hợp để đảm bảo độ tin cậy và khả năng tổng quát hóa kết quả.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong năm 2019, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị mẫu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, xây dựng mô hình thực nghiệm, tối ưu hóa quy trình và phân tích sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất chiết Th(IV) và U(VI):

   • Nồng độ TBP 5% trong dầu hỏa cho hiệu suất chiết Th(IV) và U(VI) lần lượt đạt khoảng 99,3% và 97,7%.
   • Nồng độ axit HNO3 trong pha nước ảnh hưởng mạnh đến hệ số phân bố, với hiệu suất chiết tăng khi nồng độ axit tăng đến khoảng 4 M.
   • Tỷ lệ pha hữu cơ:nước tối ưu là 1:1, thời gian chiết 5 phút cho hiệu quả cao nhất.
   • Các loại dung môi pha loãng và axit khác nhau cũng ảnh hưởng đến hiệu suất chiết, trong đó dầu hỏa và axit nitric được ưu tiên sử dụng.

2. Tối ưu hóa quy trình bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM):

   • Mô hình hồi quy đa biến xây dựng từ ma trận thực nghiệm cho thấy các yếu tố nồng độ TBP, nồng độ HNO3, tỷ lệ pha và thời gian chiết có tương tác phức tạp nhưng có thể tối ưu hóa để đạt hiệu suất chiết trên 98%.
   • Phân tích phương sai (ANOVA) xác nhận mô hình phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, với sai số chuẩn tương đối (RSD) thấp.

3. Quá trình giải chiết Th(IV) và U(VI):

   • Sử dụng dung dịch axit H2SO4 đặc với nồng độ khoảng 0,5-1 M làm chất giải chiết, tỷ lệ pha nước:hữu cơ tối ưu là 2:1.
   • Số lần giải chiết từ 2 đến 3 lần giúp thu hồi Th và U với hiệu suất tổng thể đạt trên 95%.

4. Đặc trưng sản phẩm và hiệu suất thu hồi:

   • Phân tích SEM-EDX cho thấy sản phẩm ThO2 và UO3 thu được có độ tinh khiết cao, với thành phần nguyên tố chính là Th và U, tạp chất đất hiếm giảm đáng kể.
   • Hiệu suất thu hồi toàn bộ quá trình tách và tinh chế đạt khoảng 90% đối với Thori và 85% đối với Urani.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất chiết cao của TBP trong dầu hỏa phù hợp với các nghiên cứu trước đây, cho thấy TBP là tác nhân chiết hiệu quả và ổn định trong môi trường axit nitric. Việc tối ưu hóa các yếu tố chiết bằng RSM giúp giảm thiểu thời gian và hóa chất sử dụng, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế và môi trường của quy trình. So với phương pháp kết tủa chọn lọc truyền thống, chiết lỏng-lỏng cho phép thu hồi Th và U với độ tinh khiết cao hơn và dễ dàng tự động hóa.

Quá trình giải chiết với axit H2SO4 đặc và tỷ lệ pha phù hợp giúp tách rời Th và U khỏi pha hữu cơ hiệu quả, đảm bảo thu hồi tối đa nguyên tố mong muốn. Kết quả phân tích sản phẩm qua SEM-EDX và ICP-MS khẳng định tính khả thi của quy trình trong thực tế khai thác và chế biến quặng monazit nam Đề Gi.

Biểu đồ mặt đáp ứng 3 chiều và các đường đồng mức minh họa rõ ràng sự tương tác giữa các yếu tố chiết, giúp xác định vùng điều kiện tối ưu. Bảng phân tích phương sai cho thấy mô hình hồi quy có ý nghĩa thống kê cao, đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình chiết lỏng-lỏng với TBP trong công nghiệp:

   • Động từ hành động: Triển khai
   • Target metric: Hiệu suất chiết Th(IV), U(VI) trên 95%
   • Timeline: 1-2 năm
   • Chủ thể thực hiện: Các nhà máy chế biến quặng đất hiếm, Viện nghiên cứu công nghiệp.

2. Tối ưu hóa điều kiện chiết và giải chiết theo RSM:

   • Động từ hành động: Tối ưu hóa
   • Target metric: Giảm thời gian chiết và lượng hóa chất sử dụng 20-30%
   • Timeline: 6-12 tháng
   • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm.

3. Phát triển hệ thống tự động hóa quy trình chiết lỏng-lỏng:

   • Động từ hành động: Phát triển
   • Target metric: Tăng năng suất và ổn định quy trình
   • Timeline: 2-3 năm
   • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp công nghệ hóa chất, viện nghiên cứu tự động hóa.

4. Nâng cao công tác quản lý và xử lý môi trường trong quá trình chế biến:

   • Động từ hành động: Cải thiện
   • Target metric: Giảm phát thải hóa chất độc hại và phóng xạ xuống mức an toàn
   • Timeline: Liên tục
   • Chủ thể thực hiện: Các cơ quan quản lý môi trường, doanh nghiệp khai thác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Hóa phân tích:

   • Lợi ích: Hiểu rõ cơ sở lý thuyết và phương pháp chiết lỏng-lỏng, ứng dụng RSM trong tối ưu hóa quy trình.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến tách chiết nguyên tố phóng xạ và đất hiếm.

2. Doanh nghiệp khai thác và chế biến quặng đất hiếm:

   • Lợi ích: Áp dụng quy trình tách Th, U hiệu quả, nâng cao giá trị sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
   • Use case: Thiết kế dây chuyền sản xuất, cải tiến công nghệ chế biến.

3. Cơ quan quản lý môi trường và an toàn phóng xạ:

   • Lợi ích: Nắm bắt các phương pháp xử lý và tách chiết nguyên tố phóng xạ, đánh giá rủi ro môi trường.
   • Use case: Xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến khai thác đất hiếm.

4. Các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ năng lượng hạt nhân:

   • Lợi ích: Tận dụng nguồn nguyên liệu Thori và Urani trong phát triển nhiên liệu hạt nhân sạch.
   • Use case: Nghiên cứu phát triển nhiên liệu, tái chế phế liệu hạt nhân.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp chiết lỏng-lỏng có ưu điểm gì so với các phương pháp khác trong tách Th và U?
   Phương pháp chiết lỏng-lỏng dễ tự động hóa, hiệu quả kinh tế cao, cho độ tinh khiết sản phẩm tốt và khả năng mở rộng sản xuất. So với kết tủa chọn lọc hay trao đổi ion, chiết lỏng-lỏng giảm thiểu bước xử lý phức tạp và thời gian thực hiện.

2. Tại sao chọn Tri-n-Butyl Photphat (TBP) làm tác nhân chiết?
   TBP có khả năng tạo phức ổn định với Th(IV) và U(VI), hòa tan tốt trong dung môi hữu cơ, ít tan trong nước, bền với nhiệt và axit, giúp tăng hiệu suất chiết và dễ dàng giải chiết nguyên tố.

3. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất chiết Th và U?
   Nồng độ TBP, nồng độ axit HNO3 trong pha nước, tỷ lệ pha hữu cơ:nước và thời gian chiết là các yếu tố chính. Tối ưu các yếu tố này giúp đạt hiệu suất chiết trên 98%.

4. Quá trình giải chiết Th và U được thực hiện như thế nào?
   Sử dụng dung dịch axit H2SO4 đặc với tỷ lệ pha nước:hữu cơ khoảng 2:1, thực hiện giải chiết 2-3 lần để thu hồi tối đa Th và U từ pha hữu cơ về pha nước.

5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn môi trường khi tách chiết Th và U từ quặng monazit?
   Cần kiểm soát chặt chẽ các bước xử lý hóa chất, thu hồi và xử lý chất thải phóng xạ, áp dụng công nghệ kín và tự động hóa quy trình, đồng thời tuân thủ các quy định về an toàn phóng xạ và môi trường.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình tách sơ bộ và tinh chế Thori, Urani từ quặng monazit nam Đề Gi bằng phương pháp kết tủa và chiết lỏng-lỏng với tác nhân TBP.
• Hiệu suất chiết Th(IV) và U(VI) đạt trên 98%, hiệu suất thu hồi toàn bộ quá trình lần lượt khoảng 90% và 85%.
• Phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) giúp tối ưu hóa các yếu tố chiết, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí.
• Sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và năng lượng hạt nhân.
• Đề xuất triển khai quy trình trong công nghiệp, phát triển tự động hóa và nâng cao công tác quản lý môi trường để khai thác bền vững nguồn tài nguyên đất hiếm.

Next steps: Thực hiện thử nghiệm quy mô pilot, đánh giá tác động môi trường và nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ chiết lỏng-lỏng cho các loại quặng khác.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực khai thác đất hiếm nên phối hợp triển khai ứng dụng quy trình này để nâng cao giá trị tài nguyên và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I. Tổng quan lí thuyết Chương II. Thực nghiệm Chương III. Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị.Khái quát chung về Thori (Th), Urani (U) 1.

Giới thiệu Thori, Urani Trong bảng hệ thống tuần hoàn, Thori là nguyên tố phóng xạ thuộc nhóm IIIB, chu kì 7, số hiệu nguyên tử Z = 90, nguyên tử khối MTh = 232,22. Urani là nguyên tố phóng xạ thuộc nhóm VIB, chu kỳ 7, số hiệu nguyên tử Z = 92, nguyên tử khối MU = 238,03. Thori, Urani cùng với các nguyên tố: Protactini (Pa), Neptuni (Np), Plutoni (Pu), Amenxi (Am), Curi (Cm), Beckeli (Bk), Califoni (Cf), Ensteni (Es), Fecmi (Fm), Mendelevi (Md), Nobeli (No), Lorenxi (Lr) được xếp vào họ actini. Trong các actinoit chỉ Th, U và Pa tồn tại trong vỏ Trái đất [5],[6].

Một số đặc điểm của các nguyên tố Actionit [1],[6] Điện Bán Thế điện cực Cấu hình kính Bán Bán chuẩn (V) Nguyên tích electron kính kính tố hạt nguyên An /A An4+/A 3+ nguyên tử o An3+ An4+ nhân tử ( A ) n n Ac 89 6d17s2 2,03 1,11 - -2,6 - Th 90 6d27s2 1,80 1,08 0,94 - -1,899 Pa 91 5f26d17s2 1,62 1,05 0,90 -1,95 -1,70 U 92 5f36d17s2 1,53 1,03 0,89 -1,798 -1,50 Np 93 5f57s2 1,50 1,01 0,87 -1,856 -1,355 Pu 94 5f67s2 1,62 1,00 0,86 -2,031 -1,272 Am 95 5f77s2 - 0,99 0,85 -2,38 - Cm 96 5f76d17s2 - 0,98 0,83 - - Bk 97 5f86d17s2 - - - - - Cf 98 5f107s2 - - - - - Es 99 5f117s2 - - - - - Fm 100 5f127s2 - - - - - Md 101 5f137s2 - - - - - No 102 5f147s2 - - - - - Lr 103 5f146d17s2 - - - - - e 5 1. Các dạng tồn tại của Thori, Urani 1. Thori, Urani đơn chất  Tính chất vật lý: Thori nguyên chất là một kim loại có ánh bạc, bền trong không khí và giữ được ánh kim trong khoảng vài tháng. Khi lẫn với oxit, Thori bị mờ đi từ từ trong không khí và chuyển sang màu xám và cuối cùng là đen.

Các tính chất vật lý của Thori chịu ảnh hưởng lớn bởi mức độ lẫn với oxit [5]. Thori nguyên chất mềm, dễ uốn và có thể cuộn tròn ở trạng thái lạnh (không cần gia nhiệt), dập nóng và kéo dài. Thori có hai kiểu cấu trúc và chúng biến đổi ở 1400 °C từ lập phương tâm mặt sang lập phương tâm khối. Khi nung nóng trong không khí, kim loại Thori phát cháy và có ngọn lửa sáng màu trắng [42].

Urani là kim loại có cấu trúc mạng tinh thể trực thoi, màu trắng bạc, độ phóng xạ yếu [42], độ dương điện mạnh và độ dẫn điện kém. Bên cạnh đó nó còn có tính dẻo, dễ uốn, mềm hơn thép và có tính thuận từ. Kim loại Urani có mật độ rất lớn, đặc hơn chì khoảng 70 %, nhưng nhẹ hơn vàng [5]. Các thông số vật lý của Thori và Urani STT Thông số Thori Urani 1 Tỉ khối (g/cm3, ở 0 °C) 11,7 19 2 Nhiệt độ nóng chảy (oC) 1750 1133 3 Nhiệt độ sôi (oC) 4200 3860 4 Nhiệt lượng nóng chảy (kJ/mol) 13,81 9,14 5 Nhiệt bay hơi (kJ.mol−1) 514,0 417,1 6 Nhiệt dung (J.K−1) 54,0 27,5 9 Điện trở suất (µΩ.m, ở 0 °C) 0,147 0,280 e 6  Tính chất hóa học Về mặt hóa học các actinoit nói chung, Thori và Urani nói riêng đều hoạt động.

Trong không khí Thori và Urani đều bị oxi hóa dần bởi oxi và nitơ, đặc biệt hơn khi ở dạng bột mịn có tính tự cháy. Khi đốt cháy trong khí oxi, chúng tạo nên những hợp chất ứng với số oxi hóa bền nhất của nguyên tố [1],[5],[6].4) Thori và Urani tác dụng với hầu hết các nguyên tố phi kim. Chúng dễ dàng tác dụng với hidro để tạo thành hidrua (ThH4; UH3) khá hoạt động về mặt hóa học.10) Trong dãy điện thế Thori và Urani đứng trước hidro (EoTh4+/Th = -1,899 V; EoU3+/U = -1,5 V) nên dễ dàng tác dụng với nước và axit. Tuy nhiên phản ứng với nước tương đối phức tạp.12) Hidro sinh ra tác dụng với kim loại tạo thành hidrua, sau đó có thể tác dụng với hơi nước theo phản ứng: 2UH3 + 4H2O → 2UO2 + 7H2 (1.13) Phản ứng với các dung dịch axit không có tính oxi hóa xảy ra chậm.15) Thori và Urani tác dụng nhanh với axit clohidric đặc tạo nên sản phẩm không tan màu đen, có thành phần gần đúng đó là HThO(OH) và UH(OH)2.

Axit nitric đặc thụ động hóa với Thori và Urani, nhưng khi có mặt ion F- thì tính thụ động biến mất. Cơ chế của quá trình này chưa được xác định rõ nhưng đây là quá trình tốt nhất để hòa tan Thori và Urani. Thori và Urani không tác dụng với kiềm ở điều kiện thường. Các oxit của Thori và Urani  Thori dioxit (ThO2) - Tính chất vật lý: ThO2 là chất rắn màu trắng, có cấu trúc mạng tinh thể florit [5].

Nó nóng chảy ở nhiệt độ 3050 oC và là oxit kim loại khó nóng chảy nhất nên được dùng làm vật liệu chịu nhiệt [37]. ThO2 và cấu trúc mạng tinh thể. - Tính chất hóa học: ThO2 không tan trong nước, axit loãng, amoniac và cả kiểm nóng chảy trừ axit sunfuric đặc, axit nitric đặc. ThO2 + 3H2SO4(đặc, nóng) → [Th(HSO4)(SO4)]HSO4 + 2H2O (1.18) ThO2 + 4HF → ThF4 + 2H2O (toC = 400-500 oC) (1.19) ThO2 + 2Cl2 + 2CO → ThCl4 + 2CO2 (toC = 400-500 oC) (1.21) ThO2 + SiO2 → ThSiO4 (toC = 1400 oC) (1.22) ThO2 + 4KHSO4 → Th(SO4)2 + 2K2SO4 + 2H2O(toC=350-400 oC)(1.23) Thori oxit bị canxi khử khi đun nóng ở nhiệt độ 950 oC trong khí quyển Argon [5].

ThO2 + 2Ca → Th + 2CaO (1.24) Thori được tạo nên khi đốt cháy kim loại trong không khí ở 250 oC hoặc nhiệt phân hidroxit hay muối nitrat. - Tính chất hóa học: Khi đung nóng trong không khí sẽ tạo thành U3O8 3UO2 + O2 → U3O8 (700 oC) (1.28) UO2 không tan trong nước, axit loãng và kiềm nhưng tan trong dung dịch axit nitric tạo thành uranyl nitrat [5]. 3UO2 + 8HNO3 → 3UO2(NO3)2 + 2NO + 4H2O (1.29) Urani dioxit được tạo thành khi sử dụng H2 hoặc CO khử các oxit của Urani có số oxi hóa cao hơn [7].30) U3O8 + 2CO → 3UO2 + 2CO2 (750 oC) (1.31) e 9  Urani trioxit (UO3) - Tính chất vật lý: là chất rắn màu da cam, ở dạng tinh thể hoặc vô định hình, bị phân hủy khi đun nóng.32) - Tính chất hóa học: nó tác dụng với nước, axit và kiềm [5],[6].33) UO3 + H2SO4 → UO2SO4 + H2O (1.34) UO3 + 3Na2CO3 + H2O → Na4[UO2(CO3)3] + 2NaOH (1.35) Urani trioxit được sử dụng để điều chế UO2, UF6. Nó được tạo thành khi nhiệt phân muối uranyl nitrat hay muối amoni diuranat.

2UO2(NO3)2 → 2UO3 + 4NO + 3O2 (1.37)  Oxit hỗn hợp (U3O8) - Tính chất vật lý: Oxit hỗn hợp U3O8 (hay UO2.2UO3) là chất rắn màu lục thẫm, gần như đen [87]. Bị phân hủy khi đung nóng trong chân không.38) - Tính chất hóa học: khi đun nóng trong dòng khí O2, nó tạo nên UO3 [51] 2U3O8 + O2 → 6UO3 (550 oC) (1.39) Nó không tác dụng với nước, axit loãng, kiểm và amoniac nhưng tác dụng với các axit sunfuric và nitric đặc [5].40) Ở nhiệt độ cao, U3O8 còn tác dụng với các khí H2, F2, CO và H2S. Oxit U3O8 được sử dụng để điều chế UO2 và UF6. Nó được tạo nên khi đốt cháy Urani kim loại trong không khí hoặc bằng tác dụng của UO2 và hơi nước [5].

Hydroxit của Thori và Urani  Thori tetrahydroxit (Th(OH)4) - Tính chất vật lý: Th(OH)4 kết tủa ở dạng nhầy màu trắng, không tan trong nước [87]. - Tính chất hóa học: Khi ở nhiệt độ cao (>500 oC), Th(OH)4 nhiệt phân tạo thành ThO2. Khi mới điều chế, nó hấp thụ khí CO2 tạo thành ThOCO3. Thori tetrahydroxit thể hiện tính bazơ tương đối yếu, tan trong dung dịch axit tạo thành muối của Th4+.

Nó cũng có thể tan trong dung dịch cacbonat, citrat và tactrat kim loại kiểm nhờ tạo nên những phức chất [5],[6].43) Thori tetrahydroxit được điều tạo thành khi cho muối của Th(IV) tác dụng với dung dịch kiềm.44)  Uranyl hidroxit (UO2(OH)2) - Tính chất vật lý: ở dạng tinh thể UO2(OH)2 có màu đỏ thẫm và khi ở dạng vô định hình nó có màu vàng. Uranyl hidroxit không tan trong nước và bị phân hủy khi đun nóng [5].45) - Tính chất hóa học: Uranyl hidroxit là một chất lưỡng tính trong đó tính bazơ trội hơn tính axit. Nó tan trong dung dịch axit loãng tạo nên muối uranyl nhưng chỉ tác dụng với dung dịch kiềm đặc và amoniac. UO2(OH)2 + 2HCl → UO2Cl2 + 2H2O (1.46) 2UO2(OH)2 +2NaOH → Na2U2O7 + 3H2O (1.

Muối của Thori và Urani  Muối của Thori Trong các muối của Th(IV) thì muối nitrat, clorua, sunfat và peclorat tan trong nước, còn các muối cacbonat, photphat và florua không tan. Những muối tan bị thủy phân trong nước tạo kết tủa Th(OH)4. Khi kết tinh từ dung dịch nước, những muối này thường ở dạng hydrat như Th(NO3)4. * Muối của Urani - Muối Uranyl Muối Uranyl là muối trong đó Urani(VI) ở dạng oxocation UO22+.

Các muối nitrat, sunfat, clorua dễ tan trong nước và dễ kết tinh. Các muối của UO22+ với oxalat, sunfua, cacbonat không tan. Dung dịch muối Uranyl trong môi trường axit (pH = 2,5-3,5) tác dụng với H2O2 tạo nên kết tủa màu vàng UO4.49) - Muối Uranat Những hợp chất UO3 và UO2(OH)2 khi tác dụng với dung dịch kiềm mạnh và đặc hay kiềm nóng chảy tạo nên những Uranat có các công thức chung là M2U2O7, M2UO4, M4UO5, M’3UO6 ( trong dó M: kim loại kiềm; M’: kim loại kiềm thổ). 2UO3 + Li2CO3 → Li2U2O7 +CO2 (1.50) Li2U2O7 + Li2CO3 → 2Li2UO4 +CO2 (1.51) - Muối Uran hexahalogenua Urani tạo nên hexaflorua UF6 và hexaclorua UCl6.

Urani hexaflorua là chất rắn màu trắng, nóng chảy ở 64,5 oC và thăng hoa ở 56,4 oC (áp suất thường). Là chất dễ bay hơi, UF6 được dùng để phân chia các đồng vị của Urani 235 U và 238U bằng phương pháp nhiệt khuếch tán. Urani hexaclorua là chất rắn e 12 màu lục thẩm nóng chảy ở 177 oC. Chúng bị thủy phân mạnh trong hơi ẩm của không khí: UX6 + 2H2O → UO2X2 + 4HX (1.52) Chúng là chất oxi hóa mạnh, tác dụng mãnh liệt với nhiều kim loại.

Urani hexaflorua là một trong những tác nhân flo hóa mạnh. Khả năng tạo phức của Th(IV), U(VI) Cấu hình electron của nguyên tử Thori, Urani lần lượt là [Rn]6d27s2, [Rn]5f36d17s2. Với cấu hình này nguyên tử Thori có xu hướng mất đi 4 electron hóa trị để tạo thành ion có số oxi hóa +4, trong khi đó nguyên tử U có xu hướng thể hiện số oxi hóa +3 đến +6 nhưng đặc trưng nhất là số oxi hóa +6 [21],[36].