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 công nghệ cao. Việt Nam sở hữu trữ lượng đất hiếm khoảng 17 - 22 triệu tấn, đứng thứ ba thế giới, phân bố chủ yếu tại các tỉnh Tây Bắc và ven biển miền Trung như Bình Định. Quặng monazit nam Đề Gi, Bình Định, là nguồn tài nguyên quý giá 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%. Giá trị kinh tế của việc tách riêng các nguyên tố này rất lớn, với giá thị trường nguyên tố có thể lên tới khoảng 1 triệu USD/tấn, cao hơn nhiều so với giá quặng thô.

Tuy nhiên, quá trình khai thác và tinh chế NTĐH từ quặng monazit tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do sử dụng nhiều hóa chất độc hại. Đặc biệt, việc tách Thori và Urani là cần thiết không chỉ để giảm thiểu tác động phóng xạ mà còn để tận dụng các ứng dụng công nghệ cao của chúng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, luyện kim và công nghiệp hàng không vũ trụ.

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 từ quặng monazit nam Đề Gi bằng phương pháp chiết lỏng - lỏng sử dụng tác nhân chiết Tri-n-Butyl Photphat (TBP). Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi quặng monazit tại Bình Định, với thời gian nghiên cứu tập trung vào năm 2019. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên đất hiếm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển công nghệ tách chiết các nguyên tố phóng xạ có giá trị kinh tế cao.

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 sự phân bố khác nhau của chất tan giữa hai pha không trộn lẫn (pha nước và pha hữu cơ). Định luật phân bố Nernst và các hệ số đặc trưng như hệ số phân bố (D), phần trăm chiết (E%), hệ số cường chiết (Sk) và hệ số tách (β) được sử dụng để mô tả và tối ưu hóa quá trình chiết.

  • Cơ chế Diamond: Mô tả quá trình hình thành phức chất trung tính trong pha nước và sự phân bố phức này sang pha hữu cơ, ảnh hưởng bởi bản chất ion kim loại, phối tử và môi trường.

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

Các khái niệm chính bao gồm: Thori và Urani ở trạng thái hóa học +4 và +6, các dạng oxit, hydroxit và muối của Th và U, tác nhân chiết TBP với khả năng tạo phức và chiết xuất hiệu quả các ion actinoit, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết như nồng độ axit, nồng độ TBP, tỷ lệ pha hữu cơ/nước và thời gian chiết.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Quặng monazit nam Đề Gi, Bình Định, được chế biến và phân tích tại Viện Hóa Học và Viện Khoa Học Vật Liệu.

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

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Tách sơ bộ Th(IV) và U(VI) bằng phương pháp kết tủa chọn lọc từ dung dịch quặng đã chế hóa.

    • Tinh chế Th(IV) và U(VI) bằng phương pháp chiết lỏng - lỏng sử dụng tác nhân chiết TBP trong dầu hỏa.

    • Sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết như loại dung môi pha loãng, nồng độ axit HNO3, nồng độ TBP, tỷ lệ pha hữu cơ/nước và thời gian chiết.

    • Tối ưu hóa điều kiện chiết bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) với thiết kế thực nghiệm có tâm (CCD).

  • Cỡ mẫu và timeline: Thí nghiệm được tiến hành với ma trận thực nghiệm gồm khoảng 30 điểm thí nghiệm, thực hiện trong năm 2019. Mỗi thí nghiệm được lặp lại để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

  • Xử lý số liệu: Phân tích phương sai (ANOVA), hồi quy đa biến, kiểm tra độ phù hợp mô hình và xác định điều kiện tối ưu.

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 cao nhất, đạt khoảng 99,3% đối với Th(IV) và 97,7% đối với U(VI).

    • Tỷ lệ pha hữu cơ/nước (O/A) tối ưu là 1/1, giúp cân bằng giữa khả năng chiết và tốc độ khuấy trộn.

    • Nồng độ axit HNO3 trong pha nước ảnh hưởng mạnh đến hệ số phân bố; nồng độ 4 M cho hiệu suất chiết tối ưu.

    • Thời gian chiết 5 phút là đủ để đạt cân bằng chiết, kéo dài thời gian không làm tăng đáng kể hiệu suất.

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

    • Mô hình hồi quy đa thức bậc hai xây dựng từ ma trận thực nghiệm có tâm cho phép dự đoán chính xác hiệu suất chiết với sai số chuẩn dưới 2%.

    • Phân tích phương sai (ANOVA) cho thấy các yếu tố nồng độ TBP, nồng độ HNO3 và tỷ lệ pha hữu cơ/nước có ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê (p < 0,05).

    • Mặt đáp ứng 3 chiều và các đường đồng mức minh họa rõ tương tác giữa các yếu tố, giúp xác định điều kiện tối ưu.

  3. Quá trình giải chiết và thu hồi:

    • Sử dụng dung dịch axit H2SO4 đặc với nồng độ khoảng 1 M làm chất giải chiết, tỷ lệ pha nước/hữu cơ 2/1 và thực hiện 3 lần giải chiết đạt hiệu suất thu hồi Th(IV) và U(VI) trên 95%.

  4. Đặc trưng sản phẩm:

    • Phân tích SEM-EDX cho thấy sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, với thành phần ThO2 và UO3 đạt trên 98%, giảm thiểu tạp chất nguyên tố đất hiếm.

    • Kết quả so sánh với các nghiên cứu trước cho thấy quy trình chiết lỏng - lỏng sử dụng TBP có hiệu quả vượt trội về độ tinh khiết và hiệu suất thu hồi.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất chiết cao của TBP được giải thích bởi khả năng tạo phức chelat mạnh với các ion Th(IV) và U(VI), đồng thời TBP có độ tan thấp trong nước, giúp phân bố hiệu quả các ion vào pha hữu cơ. Nồng độ axit HNO3 ảnh hưởng đến sự hình thành phức và cân bằng chiết, phù hợp với cơ chế Diamond mô tả sự tạo phức trung tính trong pha nước.

So với phương pháp kết tủa chọn lọc, chiết lỏng - lỏng cho sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn và dễ dàng kiểm soát quy trình. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về chiết Th và U từ quặng monazit và các nguồn tương tự.

Việc tối ưu hóa bằng RSM giúp tiết kiệm thời gian và hóa chất, đồng thời nâng cao hiệu quả quy trình. Các biểu đồ mặt đáp ứng và phân tích phương sai cung cấp công cụ trực quan để điều chỉnh các thông số vận hành.

Sản phẩm thu được có thể ứng dụng trực tiếp trong công nghiệp năng lượng hạt nhân và luyện kim, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường do loại bỏ kịp thời các nguyên tố phóng xạ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình chiết lỏng - lỏng với TBP trong công nghiệp khai thác đất hiếm:

    • Động từ hành động: Triển khai

    • Target metric: Hiệu suất chiết trên 95%

    • Timeline: 1-2 năm để thử nghiệm quy mô pilot

    • Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản

  2. Nâng cao kiểm soát chất lượng và phân tích sản phẩm:

    • Động từ hành động: Xây dựng hệ thống phân tích ICP-MS và SEM-EDX

    • Target metric: Độ tinh khiết sản phẩm trên 98%

    • Timeline: 6 tháng đến 1 năm

    • Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm công nghiệp

  3. Đào tạo nhân lực và chuyển giao công nghệ:

    • Động từ hành động: Tổ chức khóa đào tạo chuyên sâu về chiết lỏng - lỏng và quy hoạch thực nghiệm

    • Target metric: 100% nhân viên vận hành được đào tạo bài bản

    • Timeline: 6 tháng

    • Chủ thể thực hiện: Trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng các tác nhân chiết khác và kết hợp phương pháp trao đổi ion:

    • Động từ hành động: Thử nghiệm và đánh giá

    • Target metric: Tăng hiệu suất tách và giảm chi phí

    • Timeline: 2-3 năm

    • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu khoa học và công nghiệp

  5. Xây dựng quy trình xử lý môi trường sau khai thác:

    • Động từ hành động: Phát triển và áp dụng

    • Target metric: Giảm thiểu ô nhiễm phóng xạ và hóa chất

    • Timeline: 1 năm

    • Chủ thể thực hiện: Cơ quan quản lý môi trường và 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 và Kỹ thuật môi trường:

    • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình chiết tách các nguyên tố phóng xạ từ quặng đất hiếm, áp dụng phương pháp thực nghiệm hiện đại.

    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến tách chiết và xử lý nguyên tố phóng xạ.

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

    • Lợi ích: Áp dụng quy trình chiết lỏng - lỏng hiệu quả, nâng cao giá trị sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

    • Use case: Thiết kế dây chuyền sản xuất và kiểm soát chất lượng sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ tách chiết tiên tiến, xây dựng chính sách khai thác bền vững và an toàn phóng xạ.

    • Use case: Đánh giá tác động môi trường và cấp phép khai thác.

  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 tinh khiết cho nghiên cứu và ứng dụng năng lượng sạch.

    • Use case: Phát triển nhiên liệu lò phản ứng và vật liệu chịu nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp chiết lỏng - lỏng có ưu điểm gì so với các phương pháp khác trong tách Thori và Urani?

    Phương pháp chiết lỏng - lỏng dễ tự động hóa, hiệu quả kinh tế cao, cho sản phẩm tinh khiết với hiệu suất chiết trên 95%. So với kết tủa chọn lọc, chiết lỏng - lỏng kiểm soát tốt hơn các yếu tố ảnh hưởng và giảm tạp chất.

  2. Tác nhân chiết Tri-n-Butyl Photphat (TBP) hoạt động như thế nào trong quá trình chiết?

    TBP tạo phức chelat trung tính với ion Th(IV) và U(VI), làm tăng độ tan của chúng trong pha hữu cơ, từ đó tách hiệu quả khỏi pha nước. TBP có độ tan thấp trong nước và bền với axit, phù hợp cho quá trình chiết.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất chiết Th(IV) và U(VI)?

    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. Nồng độ TBP 5%, HNO3 4 M, tỷ lệ pha 1/1 và thời gian 5 phút được xác định là điều kiện tối ưu.

  4. Làm thế nào để đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm ThO2 và UO3 sau quá trình chiết?

    Sử dụng quy trình giải chiết nhiều lần với dung dịch axit H2SO4 đặc, kết hợp phân tích SEM-EDX để kiểm soát thành phần tạp chất, giúp sản phẩm đạt độ tinh khiết trên 98%.

  5. Quy hoạch thực nghiệm (RSM) giúp gì cho việc tối ưu hóa quá trình chiết?

    RSM xây dựng mô hình toán học dự đoán hiệu suất chiết dựa trên các yếu tố đầu vào, giúp xác định điều kiện tối ưu nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và hóa chất, đồng thời phân tích tương tác giữa các yếu tố.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình tách sơ bộ Thori và Urani từ quặng monazit nam Đề Gi bằng phương pháp kết tủa và tinh chế bằng chiết lỏng - lỏng sử dụng TBP.

  • Hiệu suất chiết Th(IV) và U(VI) đạt trên 97%, sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu.

  • Phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) giúp tối ưu hóa các điều kiện chiết, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

  • Quy trình nghiên cứu góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khai thác đất hiếm và tận dụng nguồn nguyên liệu phóng xạ có giá trị.

  • Khuyến nghị triển khai quy trình trong công nghiệp, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng và hoàn thiện công nghệ tách chiết các nguyên tố phóng xạ từ quặng đất hiếm.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời đào tạo nhân lực và xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng để ứng dụng quy trình hiệu quả.