Luận văn nghiên cứu xây dựng qui trình phân tích các nguyên tố quí hiếm nb ta v trong quặng titan gốc bằng phương pháp quang phổ

Luận văn nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích các nguyên tố quý hiếm Nb, Ta, V trong quặng titan gốc bằng phương pháp quang phổ.

• Tác giả: Phạm Hồng Trung
• Người hướng dẫn: Kỹ Sư Trương Đình Kiều
• Trường học: Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng quy trình xác định các nguyên tố quý hiếm Nb, Ta, V trong quặng titan gốc bằng phương pháp quang phổ
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Phân tích nguyên tố quý hiếm trong quặng Titan

Phân tích nguyên tố là quá trình xác định các thành phần hóa học trong một mẫu vật. Trong quặng Titan, các nguyên tố quý hiếm như Nb (Niobi), Ta (Tantal), và V (Vanadi) đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp. Việc phân tích các nguyên tố này giúp tận dụng tối đa tài nguyên khoáng sản. Phương pháp quang phổ được sử dụng để xác định hàm lượng các nguyên tố này một cách chính xác. Quặng Titan chứa nhiều khoáng vật như ilmenit, rutin, và pyrotin, trong đó các nguyên tố quý hiếm thường tồn tại ở dạng vết. Phân tích hóa học và kỹ thuật phân tích hiện đại là chìa khóa để xác định chính xác các nguyên tố này.

1.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp quang phổ

Phương pháp quang phổ dựa trên nguyên lý kích thích nguyên tử và ion trong mẫu để phát ra bức xạ. Bức xạ này được phân tích để xác định thành phần nguyên tố. Phổ phát xạ nguyên tử Plasma (PXNT) là phương pháp hiện đại, cho phép xác định đồng thời nhiều nguyên tố với độ chính xác cao. Cường độ vạch phổ phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần mẫu. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả với các nguyên tố có hàm lượng nhỏ như Nb, Ta, và V trong quặng Titan.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về nguyên tố quý hiếm trong quặng Titan đã được thực hiện ở nhiều quốc gia. Tại Việt Nam, các phương pháp truyền thống như khối lượng và đo màu được sử dụng. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, phương pháp quang phổ đã được áp dụng rộng rãi. Các nghiên cứu ngoài nước tập trung vào việc tách và xác định Nb và Ta bằng các hợp chất florua. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc áp dụng các phương pháp hiện đại trong phân tích quặng Titan.

II. Quy trình phân tích nguyên tố quý hiếm

Quy trình phân tích các nguyên tố quý hiếm trong quặng Titan bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, mẫu quặng được phân hủy bằng axit để chuyển các nguyên tố về dạng dung dịch. Sau đó, phương pháp quang phổ phát xạ ICP được sử dụng để xác định hàm lượng Nb, Ta, và V. Quá trình này đòi hỏi sự chính xác cao trong việc chuẩn bị mẫu và điều chỉnh các thông số kỹ thuật. Kết quả phân tích được biểu diễn dưới dạng bảng và đồ thị, giúp đánh giá chính xác hàm lượng các nguyên tố.

2.1. Chuẩn bị mẫu và phân hủy mẫu

Chuẩn bị mẫu là bước quan trọng trong quy trình phân tích. Mẫu quặng Titan được nghiền nhỏ và trộn với chất chảy để tăng hiệu suất phân hủy. Quá trình phân hủy được thực hiện ở nhiệt độ cao, đảm bảo mẫu tan hoàn toàn. Các yếu tố như tỷ lệ chất chảy, nhiệt độ, và thời gian phân hủy được khảo sát kỹ lưỡng để tối ưu hóa quá trình. Kết quả phân hủy mẫu được kiểm tra bằng cách đo độ phát xạ của các nguyên tố.

2.2. Phương pháp quang phổ phát xạ ICP

Phương pháp quang phổ phát xạ ICP là công cụ chính để xác định hàm lượng các nguyên tố quý hiếm. Phương pháp này sử dụng plasma để kích thích nguyên tử phát xạ. Các vạch phổ của Nb, Ta, và V được ghi lại và phân tích. Lưu lượng khí argon, nồng độ axit, và phạm vi tuyến tính là các thông số quan trọng được điều chỉnh để đạt độ chính xác cao. Kết quả phân tích được so sánh với mẫu chuẩn để đảm bảo độ tin cậy.

III. Ứng dụng và hiệu quả kinh tế

Việc phân tích các nguyên tố quý hiếm trong quặng Titan có ý nghĩa lớn trong công nghiệp. Nb, Ta, và V được sử dụng trong sản xuất hợp kim, thiết bị điện tử, và công nghệ cao. Kết quả nghiên cứu giúp định hướng khai thác và chế biến quặng Titan một cách hiệu quả. Phương pháp quang phổ không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn giảm chi phí phân tích. Điều này mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản.

3.1. Hiệu quả kinh tế khi áp dụng kết quả nghiên cứu

Áp dụng quy trình phân tích hiện đại giúp tăng hiệu quả khai thác và chế biến quặng Titan. Việc xác định chính xác hàm lượng Nb, Ta, và V giúp tận dụng tối đa tài nguyên, giảm lãng phí. Các doanh nghiệp có thể đầu tư vào công nghệ cao để nâng cao giá trị sản phẩm. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành khai thác khoáng sản.

3.2. Định hướng áp dụng trong tương lai

Trong tương lai, phương pháp quang phổ sẽ tiếp tục được cải tiến để nâng cao độ chính xác và tốc độ phân tích. Các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp các doanh nghiệp cạnh tranh tốt hơn trên thị trường quốc tế. Đồng thời, các chính sách hỗ trợ từ nhà nước sẽ thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề nghiên cứu sâu để xác định hai nguyên tố này trong quặng [4, 5]. Do vậy, trong xu thế phát triển và mục tiêu sử dụng triệt để tài nguyên, khoáng sản việc nghiên cứu tận thu các nguyên tố quý hiếm là rất cần thiết. Xác định được riêng rẽ các nguyên tố này sẽ định hướng đúng cho nghiên cứu công nghệ và mục tiêu tận dụng tài nguyên trong thời kỳ kinh tế hội nhập và phát triển.2 Nghiên cứu ngoài nước Đã từ lâu, phương pháp khối lượng [16, 18] được áp dụng để xác định vanadi ở dạng kết tủa amoni tetravanadat và nung ở nhiệt độ 550oC để chuyển dạng về dạng oxit V2O5, cũng có thể dùng phương pháp chuẩn độ bằng KMnO4, sau khi ôxy hóa bằng axit, đuổi hết khí SO2 dư, đun sôi dung dịch và chuẩn độ. Trong tự nhiên, hai nguyên tố niobi và tantan luôn tồn tại bên nhau.

Vì thế các phương pháp cổ điển gặp rất nhiều khó khăn khi phải xác định hai nguyên tố riêng biệt. Năm 1866, Marigic [22] đã tách được Nb và Ta khỏi nhau ở dạng kali florotantanat và kali oxyfloroniobat. Đây có thể coi là hợp chất sạch đầu tiên được tìm thấy đối với hai nguyên tố này. Các công trình nghiên cứu ở thế kỷ trước về phân tích quặng “Phân nhóm vanadi” của Scholler và các cộng sự được công bố trong chuyên san [20, 22].

Đó là phương pháp kết tủa và cân khối lượng. Bằng phương pháp kết tủa phân đoạn có thể tách niobi và tantan ra khỏi nhau. Các phương pháp chiết bằng dung môi tiến hành nhanh và định lượng hơn. Với các thuốc thử hữu cơ cho kết tủa chọn lọc để tách Nb và Ta.

Thuốc thử hữu cơ kết hợp với chiết các phức của Nb và Ta là cơ sở của phương pháp đo màu xác định Nb và Ta. Phương pháp trao đổi ion và sắc kí, đặc biệt là sắc kí khí được phát triển từ những năm 1950 và 1959 [20, 21, 25] là phương pháp tin cậy để tách định lượng các nguyên tố này. ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ Má – LuyÖn kim, N¨m 2007 11 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi: Nghiªn cøu x©y dùng quy tr×nh x¸c ®Þnh c¸c nguyªn tè quý hiÕm trong quÆng titan… Các phương pháp quang phổ được công bố nhiều trong các tài liệu [3, 12, 13, 16, 20, 22]. Ưu điểm của phương pháp này là nhanh, chính xác, không phải tách, chiết, loại được nhiều yếu tố ảnh hưởng, đặc biệt có thể xác định riêng rẽ hai nguyên tố niobi và tantan, độ chính xác cao và giới hạn phát hiện lớn.

Đề tài chọn phương pháp quang phổ phát xạ ICP để xác định các nguyên tố trong đối tượng nghiên cứu vì lý do hàm lượng các nguyên tố tương đối nhỏ và nhằm triển khai hệ thống thiết bị vừa được trang bị, phục vụ cho đề tài nghiên cứu và công nghệ khai thác chế biến quặng titan vùng Cây Châm, Núi Chúa, Thái Nguyên. Nhận xét chung Với một đối tượng cụ thể là khoáng sản titan gốc có hàm lượng các nguyên tố chủ yếu là titan ở dạng ilmenit và rutin, sắt(II), sắt(III), silic và một lượng nhỏ mangan, crôm, zirconi và đất hiếm, các nguyên tố quý hiếm như vanadi, niobi và tantan ở hàm lượng nhỏ nên việc xác định chúng rất khó khăn khi áp dụng các phương pháp cổ điển như khối lượng, chuẩn độ hoặc đo mầu. Để có thể xác định chúng một cách thuận lợi và đơn giản nên áp dụng phương pháp quang phổ và đặc biệt là quang phổ phát xạ dùng nguồn kích thích ICP (Inductive Coupled Plasma). Vì vậy việc tập trung nghiên cứu triển khai các phương pháp xác định V, Nb và Ta trong đối tượng nghiên cứu như mục tiêu đề tài nêu ra là rất cần thiết.

Với việc xác lập được những phương pháp này, sẽ giúp cho công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác, chế biến khoáng sản titan kiểm soát được quá trình sản xuất, đồng thời phục vụ kịp thời cho công tác giám định chất lượng sản phẩm trong hoạt động xuất nhập khẩu. ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ Má – LuyÖn kim, N¨m 2007 12 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi: Nghiªn cøu x©y dùng quy tr×nh x¸c ®Þnh c¸c nguyªn tè quý hiÕm trong quÆng titan… CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC CHUẨN BỊ 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp quang phổ nguyên tử [6, 7, 10] nói chung đã được trình bày ở phần trên. Trong phương pháp hấp thụ nguyên tử (AAS) nguồn kích thích thường là ngọn lửa, lò graphit và thiết bị hydrua hóa dùng cho As, Bi, Ge, Pb Se, Sn và Te.

Đối với phương pháp phát xạ, nguồn kích thích thường là hồ quang điện một chiều, tia lửa điện, plasma trực tiếp (Direct Coupled Plasma – DCP) và plasma cao tần cảm ứng (Inductively Coupled Plasma – ICP). Nguồn kích thích bằng plasma mới được tìm ra khoảng 20 năm gần đây, nhưng đã được ứng dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao, vì những ưu điểm sau: • Nhiệt độ cao 5.000oK nên hóa hơi và nguyên tử hóa hầu hết mọi trạng thái vật mẫu với hiệu suất cao. Hợp chất bền nhiệt cũng bị hóa hơi và phân ly thành nguyên tử tự do. • Có độ nhậy rất cao từ n.

Tuy nhiên độ nhậy của phép đo phụ thuộc nhiều vào công suất (P) của máy phát cao tần tạo ra plasma (HF). • Độ ổn định cao hơn khi dùng nguồn hồ quang và tia điện. Do vậy sai số của phép đo nhỏ (<10% trong vùng nồng độ C = n. • Tuy nhiệt độ cao nhưng quá trình kích thích lại êm dịu (tương tự như trong ngọn lửa khí).

Do vậy cho kết quả ổn định và sai số nhỏ. • Định lượng đồng thời nhiều nguyên tố, tốc độ phân tích cao (hàng chục mẫu/giờ), vùng tuyến tính rộng. • Ít bị ảnh hưởng của chất nền (matrix effect) và đây là ưu điểm hơn hẳn các nguồn năng lượng cổ điển. Để tạo nguồn kích thích plasma cần phải có máy phát cao tần HF và hệ thống hoá hơi (sol khí), đèn nguyên tử hóa kích thích phổ của mẫu.

ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ Má – LuyÖn kim, N¨m 2007 13 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi: Nghiªn cøu x©y dùng quy tr×nh x¸c ®Þnh c¸c nguyªn tè quý hiÕm trong quÆng titan… • Máy phát cao tần có tần số cao 27,12 MHz (sóng radio) và 450 MHz, cung cấp năng lượng cho cuộn cảm, tạo plasma để hóa hơi mẫu, nguyên tử hóa và kích thích phổ. • Bộ phận nguyên tử hóa tạo sol và đèn nguyên tử hóa (nebulizer và torch). Nhiệt độ plasma phụ thuộc vào thông số máy phát HF (Công suất P và tần số), tần số thường cố định nên chủ yếu phụ thuộc vào công suất (P) và những yếu tố khác như khí plasma, khí mang, tốc độ, thành phần hỗn hợp mẫu. Nói chung dạng liên kết, thế ion hóa cũng ảnh hưởng đến phổ nhưng không nhiều.

Ảnh hưởng matrix cũng không nhiều so với các nguồn kích thích khác. Dựa trên nguyên tắc của phương pháp phân tích phổ phát xạ, đề tài tiến hành theo thứ tự sau: • Phân hủy mẫu thử và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy mẫu. • Mẫu được chuyển thành hơi (khí) của nguyên tử hay ion tự do trong môi trường plasma. Đây là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu.

Sau đó dùng nguồn năng lượng plasma kích thích đám hơi đó để chúng phát xạ. Đây là quá trình kích thích phổ của mẫu. Những yếu tố ảnh hưởng được quan tâm là: tốc độ hút mẫu (lượng dung dịch tiêu hao cho phép đo), dòng khí argon, nồng độ dung dịch, nguyên tố, độ tuyến tính…. • Đo độ phát xạ vạch phổ đặc trưng của nguyên tố trong vật mẫu trên máy quang quang phổ ICP.

• Đánh giá phổ về mặt định lượng theo yêu cầu đã đặt ra. MẪU NGHIÊN CỨU Mẫu nghiên cứu là quặng titan gốc có hàm lượng các nguyên tố nêu trong bảng 1 và mẫu chuẩn hoặc giả chuẩn được chuẩn bị sao cho có thành phần gần với mẫu nghiên cứu. Sau khi tiến hành khảo sát các điều kiện và hoàn thiện quy trình sẽ so sánh kết quả xác định với mẫu chuẩn và kết quả phân tích của các cơ sở phân tích ngoài. ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ Má – LuyÖn kim, N¨m 2007 14 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi: Nghiªn cøu x©y dùng quy tr×nh x¸c ®Þnh c¸c nguyªn tè quý hiÕm trong quÆng titan… 2.

HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ CHO NGHIÊN CỨU 2. Hóa chất • Kali pyrosunphat K2S2O7. • KOH hoặc NaOH. • Axit flohydric HF, axit sunfuric H2SO4, axit nitric HNO3, axit clohydric HCl.

• Axit pecloric HClO4, axit oxalic. • Kali-natri-tatrat, amoni florua. • Khí axetylen, dinitơ ôxit, argon. • Dung dịch chuẩn V, Nb, Ta.

Dụng cụ • Chén bạch kim, cốc teflon. • Cốc đun 100 ml, 250 ml, 500 ml. • Bình định mức 50 ml, 100 ml, 200 ml và các dụng cụ khác. Thiết bị nghiên cứu Các thiết bị và dụng cụ thông thường có trong phòng thí nghiệm và • Máy QP ICP Prodigy (Prodigy High Dispersion ICP), Mỹ.

• Lò nung muf; • Cân phân tích có độ chính xác 0,000 1 g. CÔNG TÁC PHÂN TÍCH Sau khi nghiên cứu hoàn thiện phương pháp, tiến hành phân tích trên mẫu nghiên cứu và mẫu giả chuẩn hoặc mẫu chuẩn sau đó gửi phân tích cơ quan ngoài để so sánh. ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ Má – LuyÖn kim, N¨m 2007 15 B¸o c¸o tæng kÕt §Ò tµi: Nghiªn cøu x©y dùng quy tr×nh x¸c ®Þnh c¸c nguyªn tè quý hiÕm trong quÆng titan… CHƯƠNG 3: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3. KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN CHO QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY MẪU Thành phần hóa học của quặng titan được thống kê trong bảng 1.

Bảng 1: Thành phần vật chất quặng titan, [% (m/m)] TiO2 FeO Fe2O3 SiO2 Mn 5 - 36% 7 - 23 2,8 – 5,0 16,7 – 25,0 0,3 - 0,56 V2O5 Ta2O5 Nb2O5 Cr2O3 Al2O3 0,12 - 0,25 0,01 - 0,025 0,07 0,045 3,8 Theo tài liệu [8, 12, 16, 22, 24] có thể phân hủy mẫu nghiên cứu bằng phương pháp nung chảy và phương pháp phân huỷ bằng axit. Có thể phân hủy quặng titan bằng hỗn hợp các axit clohydric, nitric, flohydric và sunfuric hoặc pecloric. Khi phân hủy theo cách này, ta có thể loại được hầu hết silic ôxyt trong mẫu nghiên cứu nên có lợi cho quá trình xác định vì mật độ ion giảm đi đáng kể. Ngoài những ion nguyên tố còn lại của mẫu, quá trình phân hủy mẫu chỉ đưa thêm vào anion sunfat và peclorat.

Khi cô mẫu đến khô, các anion dư này bị phân hủy và bay hơi. Vì thế mà có lợi cho phép đo sau này.