Luận văn thạc sĩ khoa học phân tích định lượng một số nguyên tố chính trong quặng apatit bằng phương pháp huỳnh quang tia x xrf

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phân tích định lượng nguyên tố chính trong quặng apatit bằng phương pháp huỳnh quang tia X (XRF), ứng dụng hiệu quả trong khoa học vật liệu.

• Tác giả: Đỗ Đức Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Quang Tùng
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Phân tích định lượng một số nguyên tố chính trong quặng Apatit bằng phương pháp huỳnh quang tia X (XRF)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về quặng apatit
• 1.2. Phân loại quặng apatit
• 1.2.1. Phân loại theo thạch học
• 1.2.2. Phân loại theo thành phần vật chất
• 1.2.3. Phân loại theo thành phần hóa học
• 1.3. Một số ứng dụng của quặng apatit
• 1.4. Tình trạng khai thác trong nước và quốc tế
• 1.4.1. Tình trạng khai thác trong nước
• 1.4.2. Tình hình khai thác apatit trên thế giới
• 1.5. Giới thiệu chung về các phương pháp phân tích quặng Apatit
• 1.5.1. Phương pháp khối lượng xác định SiO2, P2O5
• 1.5.2. Phương pháp thể tích xác định P2O5, CaO, MgO, Al2O3, Fe2O3
• 1.5.3. Phương pháp trắc quang xác định tổng sắt TFe2O3, TiO2
• 1.5.4. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử nguồn cảm ứng cao tần plasma (ICP-AES) xác định sắt, titan, magie, nhôm, canxi
• 1.5.5. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử xác định MgO
• 1.5.6. Giới thiệu chung về thiết bị huỳnh quang tia X
• 1.5.7. Giới thiệu chung về tia X
• 1.5.8. Nguyên lý hoạt động
• 1.5.9. Hệ thống máy huỳnh quang tia X đang hoạt động tại Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.2. Phương pháp lập đường chuẩn để phân tích
• 2.2.1. Khái niệm cơ bản về gia công mẫu
• 2.2.2. Các bước lập đường chuẩn
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.3.1. Xây dựng phương pháp định lượng các nguyên tố dưới dạng oxit SiO2, P2O5, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO trong quặng apatit
• 2.3.2. Ứng dụng phân tích các nguyên tố dưới dạng oxit SiO2, P2O5, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO trong mẫu quặng apatit thực tế
• 2.3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.3.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu
• 2.3.3.2. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu
• 2.3.3.3. Xử lý mẫu để phân tích
• 2.3.3.4. Lựa chọn các thông số đo của thiết bị cho từng nguyên tố
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Thiết lập đường chuẩn cho các nguyên tố
• 3.1.1. Xây dựng đường chuẩn theo phương pháp nén ép
• 3.1.2. Xây dựng đường chuẩn theo phương pháp thủy tinh hóa
• 3.2. Ứng dụng phương pháp thủy tinh hóa phân tích một số mẫu thật
• 3.3. Phương pháp xử lý số liệu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Phân tích quặng apatit

Phân tích quặng apatit là một quá trình quan trọng trong việc xác định thành phần hóa học và giá trị kinh tế của quặng. Quặng apatit tại Lào Cai, Việt Nam, chủ yếu chứa các khoáng vật phosphat như fluoroapatit và cacbonat-floroapatit. Các nghiên cứu địa chất đã chỉ ra rằng quặng apatit Lào Cai có nguồn gốc trầm tích biển, chịu ảnh hưởng của quá trình biến chất và phong hóa. Phân tích hóa học cho thấy thành phần chính của quặng bao gồm P2O5, CaO, và các nguyên tố vi lượng khác. Việc phân tích này không chỉ giúp đánh giá trữ lượng mà còn hỗ trợ quyết định phương pháp khai thác và chế biến hiệu quả.

1.1. Phân loại quặng apatit

Quặng apatit được phân loại dựa trên thành phần vật chất và thạch học. Tại Lào Cai, quặng apatit được chia thành 4 loại chính: loại I (P2O5 28-40%), loại II (P2O5 18-25%), loại III (P2O5 12-20%), và loại IV (P2O5 8-10%). Mỗi loại quặng có đặc điểm và ứng dụng khác nhau, phụ thuộc vào hàm lượng P2O5 và các khoáng vật đi kèm. Phân loại theo thạch học dựa trên cấu trúc địa chất, chia quặng thành các tầng như KS4, KS5, KS6, và KS7, mỗi tầng có đặc điểm khoáng vật và hàm lượng apatit khác nhau.

1.2. Ứng dụng của quặng apatit

Quặng apatit chủ yếu được sử dụng trong sản xuất phân bón chứa lân, như phân lân nung chảy và phân NPK. Ngoài ra, apatit và ứng dụng trong xử lý môi trường cũng được nghiên cứu rộng rãi. Apatit có khả năng cố định kim loại nặng trong đất và nước thải, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra tiềm năng sử dụng apatit trong công nghệ xử lý chất thải nguy hại và chôn lấp an toàn.

II. Định lượng nguyên tố bằng phương pháp XRF

Phương pháp XRF (Huỳnh quang tia X) là một kỹ thuật hiện đại được sử dụng rộng rãi trong phân tích định lượng các nguyên tố chính trong quặng apatit. Phương pháp này dựa trên nguyên lý phát xạ tia X đặc trưng của các nguyên tố khi bị kích thích bởi chùm tia X năng lượng cao. Kỹ thuật XRF cho phép xác định chính xác hàm lượng các nguyên tố như P2O5, CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, và MgO trong quặng mà không cần tiêu tốn nhiều hóa chất, đảm bảo tính thân thiện với môi trường.

2.1. Nguyên lý hoạt động của XRF

Nguyên lý hoạt động của XRF dựa trên việc kích thích các nguyên tử trong mẫu quặng bằng chùm tia X năng lượng cao. Khi các nguyên tử bị kích thích, chúng phát ra tia X đặc trưng, từ đó xác định được thành phần và hàm lượng của các nguyên tố. Định lượng bằng XRF đòi hỏi quy trình chuẩn bị mẫu cẩn thận, bao gồm nghiền mịn và ép thành viên mẫu hoặc thủy tinh hóa để đảm bảo độ đồng nhất và chính xác của kết quả phân tích.

2.2. Ứng dụng XRF trong phân tích quặng

XRF trong phân tích quặng đã được áp dụng thành công tại các phòng thí nghiệm địa chất và công nghiệp khai khoáng. Phương pháp này không chỉ giúp xác định nhanh chóng hàm lượng các nguyên tố chính mà còn hỗ trợ đánh giá chất lượng quặng và lập kế hoạch khai thác hiệu quả. Kết quả phân tích bằng XRF cũng được sử dụng để vẽ bản đồ khoáng sản và dự báo trữ lượng quặng trong khu vực.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp XRF đạt độ chính xác cao trong việc định lượng các nguyên tố chính trong quặng apatit. Các đường chuẩn được thiết lập cho các nguyên tố như P2O5, CaO, và SiO2 đều có hệ số tương quan cao (R² > 0.99), chứng tỏ tính ổn định và tin cậy của phương pháp. Phân tích thành phần quặng bằng XRF cũng cho thấy sự tương đồng với các phương pháp phân tích truyền thống như ICP-AES và AAS, khẳng định tính ứng dụng rộng rãi của XRF trong lĩnh vực phân tích khoáng sản.

3.1. Thiết lập đường chuẩn

Việc thiết lập đường chuẩn là bước quan trọng trong quy trình phân tích bằng XRF. Các mẫu chuẩn được chuẩn bị bằng phương pháp nén ép và thủy tinh hóa, sau đó đo đạc để xây dựng đường chuẩn cho từng nguyên tố. Kết quả cho thấy phương pháp thủy tinh hóa mang lại độ chính xác cao hơn so với phương pháp nén ép, đặc biệt đối với các nguyên tố có hàm lượng thấp.

3.2. Ứng dụng thực tế

Ứng dụng thực tế của phương pháp XRF đã được kiểm chứng thông qua việc phân tích các mẫu quặng apatit thực tế tại Lào Cai. Kết quả phân tích cho thấy sự phù hợp với các phương pháp truyền thống, đồng thời tiết kiệm thời gian và chi phí. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của XRF trong công tác đánh giá và khai thác khoáng sản.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quặng apatit là nguồn tài nguyên khoáng sản quan trọng, đặc biệt trong ngành công nghiệp sản xuất phân bón chứa photpho. Tại Việt Nam, mỏ apatit Lào Cai được đánh giá là lớn nhất khu vực Đông Nam Á với trữ lượng khoảng 701 triệu tấn, khai thác hàng năm từ 8 đến 10 triệu tấn quặng. Quặng apatit chủ yếu được sử dụng để sản xuất phân bón và axit photphoric, góp phần quan trọng vào phát triển nông nghiệp và công nghiệp hóa chất. Tuy nhiên, việc phân tích chính xác hàm lượng các nguyên tố chính trong quặng apatit là thách thức lớn do tính đa dạng về thành phần và cấu trúc khoáng vật.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng phương pháp phân tích định lượng các nguyên tố chính dưới dạng oxit (SiO2, P2O5, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO) trong quặng apatit bằng phương pháp huỳnh quang tia X (XRF). Nghiên cứu tập trung vào việc thiết lập đường chuẩn, tối ưu hóa các thông số đo và ứng dụng phương pháp vào phân tích mẫu thực tế từ khu vực Quang Kim, Lào Cai. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mẫu quặng apatit thu thập và bảo quản trong vòng 5 năm tại Trung tâm phân tích thí nghiệm địa chất.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp phương pháp phân tích nhanh, chính xác, thân thiện môi trường, không sử dụng hóa chất độc hại, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và chế biến sâu nguồn tài nguyên apatit. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm phân tích khoáng sản, hỗ trợ công tác đánh giá trữ lượng và quản lý tài nguyên quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Nguyên lý huỳnh quang tia X (XRF): Tia X kích thích mẫu vật phát ra các tia X đặc trưng của nguyên tố, cường độ phát xạ tỷ lệ thuận với hàm lượng nguyên tố trong mẫu. Phương pháp này cho phép xác định đồng thời nhiều nguyên tố với độ chính xác cao và giới hạn phát hiện nhỏ.

• Phân tích hóa học truyền thống: Bao gồm các phương pháp khối lượng, thể tích, chuẩn độ complexon, quang phổ hấp thụ nguyên tử và ICP-AES được sử dụng để xác định hàm lượng các nguyên tố trong mẫu chuẩn, làm cơ sở xây dựng đường chuẩn cho XRF.

• Khái niệm về mẫu chuẩn và gia công mẫu: Đảm bảo tính đại diện, đồng nhất, kích thước hạt nhỏ hơn 50 µm, độ dày viên mẫu đủ để thỏa mãn yêu cầu phân tích. Hai phương pháp chuẩn bị mẫu chính là ép viên (compressed pellets) và thủy tinh hóa (beads).

Các khái niệm chính bao gồm: đường chuẩn phân tích, giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ), sai số chuẩn ước tính (SEE), độ lệch chuẩn tương đối (RSD%), và hiệu ứng ma trận trong phân tích XRF.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng 5 mẫu quặng apatit thực tế lấy từ khu vực Quang Kim, xã Quang Kim, huyện Bát Xát, Lào Cai. Các mẫu chuẩn được lựa chọn với hàm lượng phần trăm các oxit từ thấp đến cao phù hợp với đặc tính khoáng sản apatit.

• Phương pháp phân tích: Mẫu được xử lý theo hai phương pháp chuẩn bị mẫu: nén ép viên và thủy tinh hóa. Mẫu nén ép được trộn với chất kết dính (bột wax, xenlulozơ, PVA) và ép dưới áp lực 20 kg/cm². Mẫu thủy tinh hóa được nung chảy với hỗn hợp lithium tetraborate/lithium metaborate ở 1100°C trong 10 phút.

• Thiết bị: Máy huỳnh quang tia X model ARL-ADVANT’XP được sử dụng với các thông số đo được tối ưu cho từng nguyên tố (điện thế, dòng điện, detector, tinh thể nhiễu xạ). Phần mềm WinXRF hỗ trợ xử lý số liệu.

• Phương pháp phân tích số liệu: Xây dựng đường chuẩn dựa trên kết quả phân tích các mẫu chuẩn bằng các phương pháp hóa học truyền thống và ICP-AES. Đường chuẩn được thiết lập cho từng nguyên tố dưới dạng oxit, đánh giá độ chính xác, tính chọn lọc, giới hạn phát hiện và định lượng.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong vòng 1 năm, bao gồm thu thập mẫu, xử lý mẫu, phân tích mẫu chuẩn và mẫu thực, xây dựng đường chuẩn, thẩm định phương pháp và ứng dụng phân tích mẫu thực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết lập đường chuẩn hiệu quả: Đường chuẩn cho các nguyên tố SiO2, P2O5, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO được xây dựng thành công với hệ số tương quan R² trên 0,97, thể hiện độ tuyến tính cao. Ví dụ, đường chuẩn Al2O3 có R² = 0,9745, CaO có R² = 0,998, Fe2O3 có R² = 0,995, cho thấy phương pháp XRF phù hợp để định lượng các oxit trong quặng apatit.

2. Độ chính xác và tái lập cao: Phương pháp XRF cho kết quả phân tích với sai số chuẩn ước tính (SEE) và độ lệch chuẩn tương đối (RSD%) trong giới hạn cho phép theo quy định 51/1999/QĐ-BCN. Độ lệch giữa kết quả XRF và các phương pháp hóa học truyền thống không vượt quá 5%, đảm bảo tính tin cậy.

3. Ứng dụng phân tích mẫu thực tế: Phân tích 5 mẫu quặng apatit thực tế cho thấy hàm lượng P2O5 dao động từ 28% đến 40%, SiO2 từ 3,96% đến 65,58%, CaO từ 11,6% đến 47,5%, phù hợp với đặc điểm quặng apatit Lào Cai. Kết quả phân tích giúp đánh giá chính xác thành phần khoáng, hỗ trợ công tác thăm dò và khai thác.

4. Ưu điểm của phương pháp XRF: So với các phương pháp truyền thống, XRF không sử dụng hóa chất, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, phân tích nhanh, đồng thời nhiều nguyên tố trong cùng một mẫu. Phương pháp thủy tinh hóa giúp loại bỏ hiệu ứng kích thước hạt và ma trận, nâng cao độ chính xác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của phương pháp XRF trong phân tích quặng apatit là do khả năng phát hiện các tia X đặc trưng của nguyên tố với độ nhạy cao và độ chính xác tốt. Việc xây dựng đường chuẩn dựa trên mẫu chuẩn đồng nhất và phân tích bằng nhiều phương pháp hóa học truyền thống giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, phương pháp XRF được đánh giá là thân thiện môi trường hơn, tiết kiệm thời gian và chi phí. Kết quả phân tích mẫu thực tế phù hợp với đặc điểm địa chất và thành phần khoáng của mỏ apatit Lào Cai, chứng tỏ tính ứng dụng thực tiễn cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường chuẩn tuyến tính cho từng nguyên tố, bảng so sánh kết quả phân tích giữa XRF và các phương pháp khác, cũng như biểu đồ hàm lượng các oxit trong mẫu thực tế. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và độ chính xác của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng rộng rãi phương pháp XRF: Khuyến nghị các phòng thí nghiệm phân tích khoáng sản trong nước trang bị và sử dụng phương pháp huỳnh quang tia X để phân tích quặng apatit và các khoáng sản liên quan, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác phân tích trong vòng 1-2 năm tới.

2. Đào tạo kỹ thuật viên chuyên sâu: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật chuẩn bị mẫu, vận hành thiết bị và xử lý số liệu XRF cho cán bộ kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng phân tích và duy trì độ ổn định kết quả.

3. Nâng cao công tác chuẩn bị mẫu: Áp dụng đồng bộ phương pháp chuẩn bị mẫu thủy tinh hóa và nén ép theo tiêu chuẩn để giảm thiểu sai số do hiệu ứng ma trận và kích thước hạt, đảm bảo tính tái lập và độ chính xác trong phân tích.

4. Phát triển nghiên cứu mở rộng: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng XRF phân tích các nguyên tố vi lượng và các khoáng sản khác, đồng thời phối hợp với các phương pháp phân tích hiện đại như ICP-MS để nâng cao khả năng phát hiện và định lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Địa chất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về phương pháp phân tích XRF, kỹ thuật chuẩn bị mẫu và xây dựng đường chuẩn, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

2. Phòng thí nghiệm phân tích khoáng sản và môi trường: Cung cấp quy trình chuẩn và phương pháp phân tích chính xác, giúp nâng cao chất lượng kết quả phân tích phục vụ công tác thăm dò, khai thác và xử lý môi trường.

3. Doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản: Hỗ trợ đánh giá thành phần khoáng sản, kiểm soát chất lượng nguyên liệu đầu vào, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao giá trị sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý trữ lượng khoáng sản, giám sát khai thác và bảo vệ môi trường, góp phần xây dựng chính sách phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) có ưu điểm gì so với các phương pháp phân tích truyền thống?
   XRF cho phép phân tích đồng thời nhiều nguyên tố trong mẫu rắn mà không cần phá hủy mẫu, không sử dụng hóa chất độc hại, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm thời gian. Ví dụ, phân tích mẫu quặng apatit bằng XRF nhanh hơn nhiều so với phương pháp chuẩn độ hoặc ICP-AES.

2. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác khi phân tích bằng XRF?
   Độ chính xác được đảm bảo thông qua việc xây dựng đường chuẩn dựa trên mẫu chuẩn đồng nhất, chuẩn bị mẫu đúng quy trình (ép viên hoặc thủy tinh hóa), và tối ưu hóa các thông số đo của thiết bị. Việc kiểm tra định kỳ và hiệu chỉnh chuẩn cũng rất quan trọng.

3. Phương pháp chuẩn bị mẫu nào phù hợp hơn cho phân tích quặng apatit?
   Cả hai phương pháp ép viên và thủy tinh hóa đều có ưu điểm riêng. Thủy tinh hóa giúp loại bỏ hiệu ứng kích thước hạt và ma trận, nâng cao độ chính xác nhưng tốn thời gian và chi phí hơn. Ép viên nhanh, kinh tế nhưng có thể chịu ảnh hưởng của hiệu ứng ma trận.

4. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của phương pháp XRF là bao nhiêu?
   Giới hạn phát hiện và định lượng phụ thuộc vào nguyên tố và điều kiện đo. Trong nghiên cứu, LOD và LOQ được xác định phù hợp với yêu cầu phân tích quặng apatit, đảm bảo phát hiện các nguyên tố chính với độ nhạy cao, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

5. Phương pháp XRF có thể áp dụng cho các loại khoáng sản khác không?
   Có, XRF là phương pháp phân tích phổ biến và linh hoạt, có thể áp dụng cho nhiều loại khoáng sản khác nhau như sắt, titan, nhôm, magie. Tuy nhiên, cần xây dựng đường chuẩn và quy trình chuẩn bị mẫu phù hợp với từng loại khoáng sản để đảm bảo độ chính xác.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công phương pháp phân tích định lượng các nguyên tố chính dưới dạng oxit trong quặng apatit bằng huỳnh quang tia X với độ chính xác và độ tin cậy cao.
• Phương pháp XRF cho phép phân tích nhanh, không sử dụng hóa chất, thân thiện với môi trường, phù hợp với yêu cầu phân tích khoáng sản hiện đại.
• Kết quả phân tích mẫu thực tế từ khu vực Quang Kim, Lào Cai phù hợp với đặc điểm địa chất và thành phần khoáng của mỏ apatit.
• Phương pháp có thể ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm phân tích khoáng sản, hỗ trợ công tác thăm dò, khai thác và chế biến sâu.
• Đề xuất triển khai áp dụng phương pháp, đào tạo kỹ thuật viên và nghiên cứu mở rộng để nâng cao hiệu quả quản lý và sử dụng tài nguyên khoáng sản.

Các cơ quan, doanh nghiệp và phòng thí nghiệm nên phối hợp triển khai áp dụng phương pháp XRF trong phân tích khoáng sản, đồng thời đầu tư đào tạo và nâng cấp thiết bị để đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững ngành khai thác và chế biến khoáng sản.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lĩnh vực phân tích hóa học bằng các thiết bị hiện đại ngày càng phát triển. Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X là thiết bị đang được sử dụng phổ biến trên thế giới. Đây là một trong những phương pháp phân tích nhanh, không tốn hóa chất, không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi đó là phương pháp phân tích xanh – thân thiện với môi trường. Đây là một trong những vấn đề mang tính bảo vệ môi trường mà cả thế giới đang hướng tới.

Nó mang đến cho con người lợi ích cả về sức khỏe và kinh tế. Việc nghiên cứu thăm dò quặng Apatit để đánh giá trữ lượng cũng như việc khai thác để sản xuất phân bón, sản xuất axit H3PO4.đang là một vấn đề thời sự. Trong đó việc phân tích mẫu để có được các hàm lượng chính xác phục vụ cho phân tích Apatit nói chung và các khoáng sản khác nói riêng là rất quan trọng. Chính vì vậy đề tài “phân tích định lƣợng một số nguyên tố chính trong quặng Luận văn thạc sĩ Khoa học Apatit bằng phƣơng pháp huỳnh quang tia X (XRF)” đã được chọn để nghiên cứu với mục đích tạo luận cứ khoa học cho việc phân tích các khoáng sản - tài nguyên thiên nhiên của đất nước.

Đó là nhu cầu khách quan và cấp thiết trong bối cảnh kinh tế xã hội hiện nay. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả đề tài được ứng dụng vào công tác xác định hàm lượng các nguyên tố trong mẫu Apatit bằng phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) tại trung tâm phân tích thí nghiệm địa chất. Kết quả của đề tài có khả năng áp dụng rộng dãi cho các phòng thí nghiệm có thiết bị XRF, góp phần đánh giá trữ lượng cho công tác khai thác cũng như vẽ bản đồ khoáng sản trong cả nước. Học viên: Đỗ Đức Thắng MSHV: 2015B0010 1 Luận văn Thạc sỹ GVHD: TS.

Trần Quang Tùng 1. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về quặng apatit Ở Việt Nam khi nói đến quặng apatit thì thường tập chung chủ yếu ở lào cai. Quặng apatit Lào Cai là một loại quặng photphat có nguồn gốc trầm tích biển, thành hệ tiền Cambri chịu các tác dụng biến chất và phong hóa.

Các khoáng vật phosphat trong đá trầm tích không nằm ở dạng vô định như ta tưởng trước đây mà nằm ở dạng ẩn tinh, phần lớn chúng biến đổi giữa floroapatit Ca5(PO4)6F2 và cacbonat-floroapatit Ca5([PO4],[CO3])3F. Hầu hết các photphat trầm tích dưới dạng cacbonat-floroapatit gọi là francolit. Dưới tác dụng của biến chất, các đá phi quặng biến thành đá phiến, đolomit và quaczit, còn đá chứa photphat chuyển thành quặng apatit-đolomit. Luận văn thạc sĩ Khoa học Hình 1.

Tinh thể Apatit Quặng apatit Lào Cai là loại quặng thuộc thành hệ metan photphorit (apatit- đolomit), là thành hệ chủ yếu được sử dụng cho ngành công nghiệp sản xuất phân bón chứa lân (chứa photpho) ở nước ta. Về trữ lượng thuộc thành hệ apatit-đolomit có trữ lượng lớn nhất phân bố dọc theo bờ phải sông Hồng thuộc địa phận Lào Cai. Mỏ apatit Lào Cai có chiều dày 200m, rộng từ 1 – 4 km chạy dài 100 km nằm trong địa phận Việt Nam, từ Bảo Hà ở phía Đông Nam đến Bát Xát ở phía Bắc, giáp biên giới Trung Quốc [1]. Quặng apatit ở đây được phát hiện từ năm 1924.

Các nhà địa chất đã hoàn thành các nghiên cứu về khảo sát chi tiết địa tầng chứa apatit, nghiên cứu cấu trúc kiến tạo của khu mỏ, nghiên cứu và xác định trữ lượng từng loại quặng. Học viên: Đỗ Đức Thắng MSHV: 2015B0010 2 Luận văn Thạc sỹ GVHD: TS. Trần Quang Tùng 1. Phân loại quặng apatit 1.

Phân loại theo thạch học Căn cứ vào đặc điểm thạch học người ta chia toàn bộ khu mỏ apatit Lào Cai thành 8 tầng, ký hiệu từ dưới lên trên (theo mặt cắt địa chất) là tầng cốc san (KS) KS1, KS2. Trong đó, quặng apatit nằm ở các tầng KS4, KS5, KS6 và KS7. Trong từng tầng lại được chia thành các đới phong hóa hóa học và chưa phong hoá hoá học. Tầng KS4 (còn gọi là tầng dưới quặng) là tầng nham thạch apatit cacbonat - thạch anh - muscovit có chứa cacbon.

Nham thạch của tầng này thường có màu xám sẫm, hàm lượng chất chứa cacbon tương đối cao, khoáng vật chứa cacbonat là dolomit và canxit trong đó đolomit nhiều hơn canxit. Tầng này gồm 2 loại phiến thạch chính là đolomit - apatit - thạch anh và apatit - thạch anh - đolomit, chứa khoảng 35-40% apatit, các dạng trên đều chứa một lượng cacbon nhất định và các hạt pyrit phân tán xen kẽ nhau, chiều dày của tầng này từ 35 - 40m. Luận văn Tầng KS5 (còn thạc gọi là tầng quặng): sĩ Đây làKhoa họcNham thạch tầng apatit cacbonat. apatit cacbonat nằm trên lớp phiến thạch dưới quặng và tạo thành tầng chứa quặng chủ yếu trong khu vực bể photphorit.

Nằm dọc theo trung tâm khu mỏ Lào Cai từ Đông Nam lên Tây Bắc chạy dài 25 km. Quặng apatit hầu như đơn khoáng thuộc phần phong hoá của tầng quặng (KS5) có hàm lượng P2O5 từ 28 - 40% gọi là quặng loại 1, chiều dày tầng quặng dao động từ 3 - 4m tới 10 - 12m. Ngoài ra, còn có các phiến thạch apatit - đolomit, đolomit -apatit - thạch anh - muscovit. Nằm trên các lớp nham thạch của tầng quặng và thường gắn liền với các bước chuyển tiếp trầm tích cuối cùng.

Nham thạch của tầng này khác với loại apatit cacbonat ở chỗ nó có hàm lượng thạch anh, muscovit và cacbonat cao hơn nhiều và hàm lượng apatit giảm. Phiến thạch của tầng này có màu xanh nhạt, ở trong đới phong hoá thường chuyển thành màu nâu sẫm. Về thành phần khoáng vật, khoáng vật tầng trên quặng gần giống như tầng dưới quặng nhưng ít muscovit và hợp chất chứa cacbon hơn và hàm lượng apatit cao hơn rõ rệt. Chiều dày của tầng quặng này từ 35 - 40m [1].

Học viên: Đỗ Đức Thắng MSHV: 2015B0010 3 Luận văn Thạc sỹ GVHD: TS. Trần Quang Tùng 1. Phân loại theo thành phần vật chất Dựa vào sự hình thành và thành phần vật chất, khoáng sản apatit Lào Cai phân chia ra 4 loại quặng khác nhau: Quặng loại I: Là loại quặng aptatit hầu như đơn khoáng thuộc phần phong hóa của tầng quặng KS5 hàm lượng P2O5 chiếm khoảng từ 28 - 40%. Quặng loại II: Là quặng apatit-đolomit thuộc phần chưa phong hóa của tầng quặng KS5 hàm lượng P2O5 chiếm khoảng 18 - 25%.

Quặng loại III: Là quặng apatit-thạch anh thuộc phần phong hóa của tầng dưới quặng KS4 và trên quặng KS6 và KS7, hàm lượng P2O5 chiếm khoảng từ 12 - 20%, trung bình khoảng 15%. Quặng loại IV: Là quặng apatit-thạch anh-đolomit thuộc phần chưa phong hóa của tầng dưới quặng KS4 và các tầng trên quặng KS6 và KS7 hàm lượng P 2O5 khoảng 8 - 10%. Luận văn thạc sĩ Khoa học Xuất phát từ điều kiện tạo thành của tầng quặng và dựa vào kết quả phân tích thành phần vật chất, vị trí phân bố, đặc tính cơ lý và công nghệ, quặng apatit Lào Cai được chia làm 2 kiểu: kiểu quặng apatit nguyên sinh và kiểu apatit phong hoá. Các tầng cốc san được chia làm 2 đới: đới phong hoá hoá học và đới chưa phong hoá hoá học.

Quặng apatit loại 3 Lào Cai là quặng apatit-thạch anh nằm trong đới phong hoá thuộc các KS4 và KS6,7 có chứa 12,20% P2O5. Quặng apatit loại 3 là quặng phong hoá (thứ sinh) được làm giàu tự nhiên nên quặng mềm và xốp hơn quặng nguyên sinh. Đây chính là đất đá thải trong quá trình khai thác quặng apatit loại 1 và là nguyên liệu cho nhà máy tuyển quặng apatit loại 3 Lào Cai [1]. Phân loại theo thành phần hóa học Theo các tài liệu địa chất, trong các loại quặng apatit loại 1 loại 2 cũng như loại 3, khoáng vật apatit đều có cấu trúc Ca5F(PO4)3 thuộc loại fluoapatit.

Kết quả Học viên: Đỗ Đức Thắng MSHV: 2015B0010 4 Luận văn Thạc sỹ GVHD: TS. Trần Quang Tùng phân tích thành phần hóa học các mẫu quặng 3 ở các cốc san thu được giá trị như sau: khoảng 42,26% P2O5; 3,78% F và 50% CaO [2-4]. Một số ứng dụng của quặng apatit Quặng apatit vẫn chủ yếu được khai thác làm nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất phân bón có nguồn gốc lân (photpho) như: phân lân nung chảy Văn Điển; phân lân của Nhà máy Supe phốt phát Lâm Thao; phân bón Bình Điền; phân NPK Hoàng Liên, phân lân và phân NPK Lào Cai. Trong xử lý môi trường: Apatit có công thức hóa học là: Ca5(PO4)3X (X: Cl, F, OH.), thường có màu xanh nước biển, hay vàng nhạt, tỷ trọng 3,17, thuộc nhóm tinh thể có 6 cạnh hình trụ.

Trong thành phần của apatit có nhiều nguyên tố vi lượng như: Sr, Ba, Mg, Mn, Fe, Al. Quặng tự nhiên của apatit ở dạng kết tinh, khó phân hủy, không tan trong nước và có tính kiềm yếu. Do có cấu trúc hóa học đặc biệt nên apatit có khả năng cố định các kim loại Luận văn thạc sĩ Khoa học nặng, đồng thời cũng có tác dụng xử lý một phần chất hữu cơ, vi khuẩn coliform, chất rắn lơ lửng trong nước thải. Một số tài liệu còn cho rằng, apatit có khả năng xử lý những kim loại nặng nào mà tích số tan của kim loại đó với PO 4-3 nhỏ hơn tích số tan của Ca3(PO4)2.

Trong quá trình xử lý nước thải, đồng thời với quá trình xử lý kim loại nặng và các thành phần khác một lượng nhỏ các hợp chất của photpho cũng được hòa tan vào trong nước, cung cấp thêm dinh dưỡng cho thực vật thủy sinh và vi sinh vật, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý sinh học sau này. Do đó, trong nhiều công nghệ xử lý nước thải (như nước thải chế biến gỗ), apatit được sử dụng như là một nguồn dinh dưỡng thay thế cho axit photphoric đề tạo tỷ lệ thích hợp với cacbon và nitơ. Người ta có thể sử dụng apatit trong công nghệ xử lý nước thải chứa kim loại nặng trong các ngành mạ điện, cơ khí, luyện kim và chế biến gỗ. Dùng apatit để xử lý kim loại nặng trong đất là phương pháp mới đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới với các tên gọi khác nhau như in-situ remediation technicques (Canada), phot-phát - induce metal stabilization (Hoa Kỳ).

Học viên: Đỗ Đức Thắng MSHV: 2015B0010 5 Luận văn Thạc sỹ GVHD: TS. Trần Quang Tùng Như chúng ta đã biết, kim loại nặng trong đất có khả năng gây nhiễm độc cho thực vật, động vật và cho con người cũng như hệ sinh thái nói chung.