Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định uran, thori và các nguyên tố đất hiếm trong quặng bằng kỹ thuật ICP MS

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

Mục Lục
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................................... 3
CHƢƠNG 1-TỔNG QUAN .......................................................................................... 7
1.1. Khái quát về Urani ............................................................................................... 7
1.1.1. Khái niệm...................................................................................................... 7
1.1.2. Tính chất của Urani ..................................................................................... 7
1.1.3. Lĩnh vực sử dụng [7] ...................................................................................... 8
1.1.4. Đặc điểm phân bố các quặng urani ở Việt Nam[10] ..................................... 9
1.2 Khái quát chung về quặng Thori ........................................................................ 11
1.3 Khái quát về đất hiếm ......................................................................................... 12
1.3.1. Khái niệm.................................................................................................... 12
1.3.2. Tính chất của các nguyên tố đất hiếm ........................................................ 13
1.3.3. Lĩnh vực sử dụng [7] .................................................................................... 15
1.3.7. Các kiểu mỏ công nghiệp[11] ....................................................................... 19
1.4. Quy trình xử lý mẫu quặng ( đập, nghiền, rây, chia mẫu...)[14] ......................... 20
1.5. Một số phƣơng pháp phân tích kim loại nặng phổ biến ................................... 24
1.5.1 Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis .............................................................. 24
1.5.2 Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)................................................ 26
1.5.3 Phương pháp huỳnh quang nguyên tử tia X. ............................................... 28
1.5.4 Phương pháp quang phổ phát xạ ICP-AES................................................. 29
1.5.5 Phương pháp phổ khối ICP-MS .................................................................. 30
1.5.6 Các phương pháp định lượng phân tích ICP-MS ....................................... 36
CHƢƠNG 2 - PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 40
2.1 Nghiên cứu xác định đồng thời Uran và Thori trong quặng mỏ Pà Lừa – Pà
Rồng bằng phƣơng pháp ICP-MS. ................................................................................ 40
2.2 Nghiên cứu xác định đồng thời các nguyên tố đất hiếm trong quặng bằng
phƣơng pháp ICP-MS ................................................................................................... 44

CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................. 47
Nguyễn Mạnh Hùng

1

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

3.1. Chọn điều kiện phân hủy mẫu ........................................................................... 47
3.2. Chọn đồng vị phân tích ...................................................................................... 47
3.3. Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng của phƣơng pháp ............. 48
3.4. Xác định khoảng tuyến tính của phƣơng pháp .................................................. 50
3.5. Xác định khoảng sai số và độ lặp lại của phép đo ............................................ 52
3.6. Độ thu hồi của phƣơng pháp .............................................................................. 57
3.6. Phân tích U, Th và các NTĐH ở các mở quặng ................................................ 59
3.6.1. Phân tích U và Th trong quặng tại mỏ Pà Lừa .......................................... 59
3.6.2. Phân tích các NTĐH trong quặng Basnasite, Monazite và Xenotime ....... 59
3.6.3. Phân tích U, Th và các NTĐH trong các mẫu quặng mỏ Nậm Xe ............ 61
4. Kết luận và kiến nghị ................................................................................................ 62

Nguyễn Mạnh Hùng

2

Đại Học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AAS

Atomic absorption spectroscopy

Phổ hấp thụ nguyên tử

CRC

Collision Reaction Cell

Buồng phản ứng va chạm

GC

Gas chromatography

Sắc ký khí

ICP-MS

Inductively Coupled Plasma Mass

Hệ thống khối phổ plasma cảm

Spectrometry

ứng

Inductively Coupled Plasma optical
ICP-OES

emission Spectrometry

Phổ phát xạ nguyên tử ghép
cặp cảm ứng cao tần

Limit of quality

Giới hạn định lƣợng

LOQ

Giới hạn phát hiện của phƣớng

Method detection limits
MDL

pháp

OIDA

Online isotope dillution analysis

Phân tích đồng vị pha loãng

ORS

Octapole reaction system

Hệ thống phản ứng bát cực

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

Q

quadrupole

Tứ cực

Q-Tof

Quadrupole – Time of fly

Tứ cực- thời gian bay

RSD

Relative standard devision

Sai số tƣơng đối

SC-Fast

Spray chamber - Fast

Buồng phun sƣơng

UV-Vis

Ultra violet – visible spectroscop

quang phổ tia cực tím

LOD

Limit of detection

Giới hạn phát hiện

SD

Standard Deviation

Độ lệch chuẩn

R (%)

Recovery

Hiệu suất thu hồi

Nguyễn Mạnh Hùng

3

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1Vị trí các nguyên tố đất hiếm trong bảng hệ thống tuần hoàn……………….......….12
Hình 1.2 Sự phân bố của các nguyên tố trong vỏ trái đất…………………...……………….…13
Hình1.3 Sơ đồ phân bố các mỏ đất hiếm ở Việt Nam……………………………..………....…18
Hình 1.4 Sơ đồ Qui trình gia công mẫu đất đá, các loại quặng thông thường…..…….........23
Hình 1.5 : Sơ đồ hệ thống phổ khối ICP-MS 7700 Series (hãng Agilent Technologie…..……31
Hình 1.6: Ví dụ về đường chuẩn phương pháp ngoại chuẩn………………………….............36
Hình 1.7: Đường chuẩn phương pháp thêm chuẩn………………………………..…...............37
Hình 2.1. Sơ đồ chuẩn bị mẫu quặng cho phân tích ICP-MS…………………...…….............42
Hình 3.1. Đường chuẩn xác định Uran………………………………………….…….…..…......51
Hình 3.2 Đường chuẩn xác định Thori……………………………………….………................51
Hình 3.3. Khảo sát độ thu hồi theo thời gian phân hủy mẫu ở 200 °C……………………...………….…58
Hình 3.4 Khảo sát độ thu hồi theo thời gian phân hủy mẫu ở 250 °C………………………………...…...59

Nguyễn Mạnh Hùng

4

Đại Học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các mô hình mỏ urani ở Việt Nam ..............................................................................................10
Bảng 1.2 Phân nhóm các nguyên tố đất hiếm.....................................................................................................13
Bảng 1. 3. Các nguyên tố đất hiếm và các đặc tính cơ bản ..............................................................................14
Bảng 1.4: Tổng kết các kỹ thuật phân tích nguyên tố phổ biến hiện nay ........................................................32
Bảng 1.4: Tổng kết các kỹ thuật phân tích nguyên tố phổ biến hiện nay ........................................................32
Bảng 1.4: Tổng kết các kỹ thuật phân tích nguyên tố phổ biến hiện nay ........................................................32
Bảng 3.1. Kết quả xác định LOD, LOQ của Uran và Thori… ........................................................................48
Bảng 3.2. Độ lặp lại tối đa chấp nhận tại các nồng độ khác nhau theo AOAC…………………….. ……48
Bảng 3.3. Kết quả tính sai số và độ lặp lại của phép đo Uran, Thori trên hệ thiết bị ICP - MS Agilent
7700x ........................................................................................................................................................................49
Bảng 3.4. Độ thu hồi U, Th trong các mẫu chuẩn .............................................................................................52
Bảng 3.5. Kết quả xác định U và Th trong quặng tại mỏ Pà Lừa ..................................................................53
Bảng 3.6. Đồng vị các NTĐH và các hàm đường hiệu chuẩn theo phương pháp đường chuẩn...............54
Bảng 3.7. Đồng vị các NTĐH sử dụng trong phân tích ICP-MS ....................................................................55
Bảng 3.8. Độ lặp lại tối đa chấp nhận tại các nồng độ khác nhau theo AOAC ............................................57
Bảng 3.9 Kết quả tính sai số và độ lặp lại của phép đo các NTĐH ...............................................................59
Bảng 3.10. Kết quả xác định NTĐH trong các loại mẫu quặng

60

Bảng 3.11 Kết quả xác định U, Th và các NTĐH trong các mẫu quặng mỏ Nậm Xe .................61

Nguyễn Mạnh Hùng

5

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

MỞ ĐẦU
Hiện nay Uran, Thori và các nguyên tố đất hiếm có vai trò rất quan trọng trong
các ngành công nghiệp nhƣ làm nguyên liệu chính cho các ngành năng lƣợng, nhà
máy điện hạt nhân nguyên tử (Uran, Thori ), tạo ra các vật liệu có khả năng chống lại
sự ăn mòn trong các môi trƣờng khác nhau ở nhiệt độ cao.
Có nhiều phƣơng pháp phân tích hóa lý đƣợc sử dụng để xác định hàm lƣợng
kim loại với hiệu quả khác nhau nhƣ phổ UV-VIS, phổ hấp thụ nguyên tử AAS,
huỳnh quang nguyên tử, phổ phát xạ nguyên tử ICP-OES, phổ khối ICP-MS. Mỗi
một phƣơng pháp và thiết bị đều có những ƣu, nhƣợc điểm khác nhau.
Trong đó ICP- MS (ICP khối phổ: Inductively Coupled Plasma emission Mass
Spectrometry) là một trong những phƣơng pháp phân tích hiện đại nhất hiện nay cho
phép phân tích lƣợng vết và siêu vết đồng thời nhiều kim loại nặng mà không cần
phải sử dụng đến nhiều kỹ thuật khác nhau, rút ngắn thời gian phân tích, hiệu quả
phân tích cao, độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp có khoảng động học rất rộng.
Đồng thời với thế hệ ICP-MS mới cùng các đột phá công nghệ của nó đã loại
bỏ đƣợc những hạn chế của kỹ thuật ICP-MS truyền thống, gia tăng hơn nữa hiệu
quả phân tích. ICP-MS đang dần trở thành phƣơng pháp đƣợc ƣu tiên lựa chọn hàng
đầu trong các phòng thí nghiệm.
Do vậy tôi chọn đề tài “ nghiên cứu xây dựng phƣơng pháp xác định Uran,
Thori và các nguyên tố đất hiếm trong quặng bằng kỹ thuật ICP-MS”
Nhằm nghiên cứu tối ƣu hóa phƣơng pháp này phục vụ công tác đánh giá, thăm

dò, khai thác khoáng sản; và ứng dụng thực tiễn của nó trong các ngành khoa học:
Mục đích của đề tài : Xây dựng quy trình phân tích Uran, Thori và các nguyên
tố đất hiếm trong quặng bằng phƣơng pháp phổ plasma cảm ứng cao tần.
1 - Xây dựng và thẩm định phƣơng pháp phân tích Uran, Thori và các nguyên
tố đất hiếm bằng phƣơng pháp ICP-MS
2 - Phân tích các mẫu thực (từ mỏ quặng Pà Lừa, trong xenotime, Monnazit và
basnasite)

Nguyễn Mạnh Hùng

6

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

CHƢƠNG 1 -TỔNG QUAN
1.1. Khái quát về Urani
1.1.1. Khái niệm
Urani là nguyên tố hóa học thuộc nhóm Actini, có số nguyên tử là 92 trong bảng
hệ thống tuần hoàn Mendeleev, đƣợc kí hiệu là U. Trong một thời gian dài, urani là
nguyên tố cuối cùng của bảng tuần hoàn.
Urani là một nguyên tố kim loại, màu bạc và có tính phóng xạ. Heinrich Martin
Klaprothk, nhà hoá học ngƣời Đức, đã tìm ra urani vào năm 1789 trong một quặng
khô, ông gọi nó là "Uranit". Nhƣng sau đó một năm Klaproth đã đổi tên nó thành
“Uranium” theo tên của sao Thiên Vƣơng (Uranus).
Các đồng vị phóng xạ của urani có số neutron từ 144 đến 146 nhƣng phổ biến

nhất là các đồng vị urani - 238, urani - 235 và urani - 234. Tất cả đồng vị của urani
đều không bền và có tính phóng xạ yếu. Urani có khối lƣợng nguyên tử nặng thứ 2
trong các nguyên tố tự nhiên, xếp sau plutoni – 244. Tất cả đồng vị của urani đều
không bền và có tính phóng xạ yếu. Urani có khối lƣợng nguyên tử nặng thứ 2 trong
các nguyên tố tự nhiên, xếp sau plutoni - 244.[17]
Trong tự nhiên, urani đƣợc tìm thấy ở dạng urani 238 (99,284%), urani
235 (0,711%),[16] và một lƣợng rất nhỏ urani 234 (0,0058%). Urani phân rã rất chậm
phát ra hạt anpha. Chu kỳ bán rã của urani 238 là khoảng 4,47 tỉ năm và của urani
235 là 704 triệu năm, do đó nó đƣợc sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất.
1.1.2. Tính chất của Urani
Khi đƣợc tách ra, urani là kim loại có màu trắng bạc, phóng xạ yếu, mềm
hơn thép một chút,[18] độ dƣơng điện mạnh và độ dẫn diện kém.[19] Nó dẻo, dễ uốn và
có tính thuận từ.[13]
Urani kim loại phản ứng với hầu hết các nguyên tố phi kim và các hợp chất
phi kim với mức phản ứng tăng theo nhiệt độ. [15] Axit clohidric và axit nitric hòa tan
urani, nhƣng các axit không có khả năng ôxy hóa phản ứng với nguyên tố này rất
chậm.[19] Khi chia nhỏ, urani có thể phản ứng với nƣớc lạnh; khi tiếp xúc với không

Nguyễn Mạnh Hùng

7

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

khí, kim loại urani bị phủ một lớp ôxit urani màu đen.[19] Urani trong quặng đƣợc

tách bằng phƣơng pháp hóa học và chuyển đổi thành urani ôxit hoặc các dạng khác
có thể dùng trong công nghiệp.
Urani - 235 là đồng vị đầu tiên đƣợc tìm thấy có thể tự phân hạch. Các đồng
vị khác có mặt trong tự nhiên có thể phân hạch nhƣng không thể tự phân hạch
Kim loại urani có 3 dạng thù hình: [23]
+ α (trực thoi) bền với nhiệt độ lên đến 660 °C
+ β (bốn phƣơng) bền ở nhiệt độ từ 660 °C đến 760 °C
+ γ (lập phƣơng tâm khối) bền từ 760 °C đến điểm nóng chảy đây là trạng thái
dẻo và dễ uốn nhất.
1.1.3. Lĩnh vực sử dụng [7]
a. Lĩnh vực quân sự
Ứng dụng chính của urani trong lĩnh vực quân sự là làm các đầu đạn tỉ trọng
cao. Loại đạn này bao gồm hợp kim urani làm nghèo (DU) với 1–2% các nguyên tố
khác.
Urani làm nghèo cũng đƣợc sử dụng làm vật liệu chống đạn, dùng trong các
container để chứa và vận chuyển các vật liệu phóng xạ.
Các ứng dụng khác của DU là dùng làm đối tƣợng cho các bề mặt kiểm soát
của phi thuyền, bệ phóng cho các phƣơng tiện phóng trở lại (Trái Đất) và vật liệu
làm khiên. Do có tỉ trọng cao, vật liệu này đƣợc tìm thấy trong các hệ thống truyền
động quán tính và trong các la bàn dùng con quay hồi chuyển. DU còn đƣợc ƣa
chuộng hơn so với các kim loại nặng khác do khả năng dễ gia công và chi phí tƣơng
đối thấp.
Trong giai đoạn cuối của chiến tranh thế giới thứ 2, trong chiến tranh lạnh và
các cuộc chiến sau đó, urani đã đƣợc dùng làm nguyên liệu chất nổ để sản xuất vũ
khí hạt nhân. b. Lĩnh vực dân dụng

Nguyễn Mạnh Hùng

8

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

Ứng dụng chủ yếu của urani trong lĩnh vực dân dụng là làm nhiên liệu cho
các nhà máy điện hạt nhân. Một kg urani-235 về lý thuyết có thể tạo ra một năng
lƣợng 80 teraJun (8×1013 Jun), giả thiết rằng chúng phân hạch hoàn toàn; mức năng
lƣợng này tƣơng đƣơng 3000 tấn than.
Việc Marie Curie phát hiện và tách radi trong các quặng urani (pitchblend) đã
thúc đẩy việc khai thác mỏ để tách radi, dùng để làm các loại sơn dạ quang trên các
con số của đồng hồ và bàn số trên máy bay.Bên cạnh thủy tinh gốm, còn có gạch
urani đƣợc sử dụng phổ biến trong nhà tắm và bếp, các loại này có thể đƣợc sản xuất
với nhiều màu khác nhau nhƣ lục, đen, lam, đỏ và các màu khác.
Urani cũng đƣợc sử dụng làm hóa chất nhiếp ảnh (đặc biệt là urani nitrat để
làm toner).
Việc phát hiện ra tính phóng xạ của urani mở ra những ứng dụng thực tế và
khoa học của nguyên tố này. Chu kỳ bán rã dài của đồng vị urani - 238
(4,51×109 năm) làm cho nó trở nên thích hợp trong việc sử dụng để định tuổi các đá
macma cổ nhất và các phƣơng pháp định tuổi phóng xạ khác, nhƣ định tuổi urani thori và định tuổi urani - chì. Kim loại urani đƣợc sử dụng trong máy X-quang để tạo
ra tia X năng lƣợng cao.
1.1.4. Đặc điểm phân bố các quặng urani ở Việt Nam[10]
Trên lãnh thổ Việt Nam, kết quả các công tác nghiên cứu địa chất và tìm kiếm
khoáng sản Xạ Hiếm đã đƣợc tiến hành ngay từ thập kỷ 60 với sự giúp đỡ của các
chuyên gia Liên Xô (cũ) và đã phát hiện đƣợc nhiều điểm khoáng hoá, mỏ xạ- hiếm ở
nhiều nơi, song chủ yếu là các mỏ đất hiếm. Công tác nghiên cứu điều tra urani chỉ
mới thực sự đƣợc tiến hành vào những năm sau ngày giải phóng Miền Nam (1975),
nhất là sau năm 1980. Các mỏ, các điểm khoáng hoá Xạ Hiếm có trên các cấu trúc địa

chất khác nhau, với các tuổi khoáng hoá từ Proterozoi đến Đệ Tứ. Tuy nhiên, quặng
khoáng hoá urani có triển vọng tập trung nhiều ở Trung Bộ, Tây Nguyên và Việt Bắc.

Nguyễn Mạnh Hùng

9

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

1.1.5 Các kiểu mỏ công nghiệp
Bảng 1.1. Các mô hình mỏ urani ở Việt Nam[9]
STT

Mô hình mỏ

Mỏ, điểm quặng, điểm khoáng hóa Urani
Urani trong cát kết khu vực Khe Hoa- Khe Cao
Urani trong cát kết khu vực Pà Lừa

1

Urani trong cát kết

Urani trong cát kết khu vực Pà Rồng
Urani trong cát kết khu vực Đông Nam - Bến Giằng

Urani trong cát kết khu vực An Điềm

2

Urani dạng mạch
hoặc gần dạng
mạch

Urani dạng mạch hoặc gần dạng mạch khu vực Bắc Nậm
Xe
Urani dạng mạch hoặc gần dạng mạch khu vực Nam
Nậm Xe
Urani trong đá phun trào khu vực Tòng Bá - Hà Giang

3

Urani trong đá phun
trào

4

Urani trong đá phun trào khu vực Định An - Lâm Đồng
Urani trong đá phun trào khu vực Bình Liêu - Quảng
Ninh
Urani trong đá phun trào khu vực Đới Tú Lệ - Trạm Tấu
Urani trong pegmatit ở Thạch Khoán, Thanh Sơn (Phú
Thọ),

4

Urani trong đá biến
chất

Urani trong pegmatit-migmatit ở Sa Huỳnh, Ba Tơ
(Quảng Ngãi)
Urani trong đá hoa Làng Nhẽo (Yên Bái)
Urani trong đá phiến và graphit Tiên An

5

Urani trong than

6

Urani trong trầm
tích Đệ Tứ

Nguyễn Mạnh Hùng

Urani trong mỏ than Nông Sơn (Quảng Nam)
Urani trong mỏ than Núi Hồng (Thái Nguyên).
Tụ khoáng urani đi với phosphat Bình Đƣờng
Tụ khoáng urani đi với phosphat Bình Đƣờng
Khoáng hoá urani khu Đầm Mây (Thái Nguyên)

10

Đại Học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

1.2 Khái quát chung về quặng Thori
Khoáng vật quan trọng nhất của thori là ThSiO4, monazite. Khoáng vật
monazite ở phân tán trong nhiều nham thạch nhƣng có tỉ khối lớn, trơ về mặt hóa học
và do sự phong hóa các nham thạch ở trong thiên nhiên, monazite đƣợc tập trung lại
trong cát sông hoặc cát biển, trong cát này thƣờng có các khoáng vật khác nhƣ
ilmenite, caxiterit…
Ở nƣớc ta, monazite là quặng có hàm lƣợng thori lớn nhất (khoảng 3 – 5%) và
đƣợc tìm thấy chủ yếu ở các tỉnh ven biển miền Trung, trong đó có các mỏ lớn nhƣ ở
Cát Khánh (Bình Định), Kỳ Khang (Hà Tĩnh).
Ngoài ra, thori còn đƣợc tìm thấy trong một số mỏ, điểm quặng: Thèn Sin –
Tam Đƣờng (3% ThO2), Làng Nhầy – Làng Nhèo – Làng Phát (0,01 – 0,186%
ThO2), Thạch Sơn – Thạch Khoán (Vĩnh Phúc) chứa 0,01 – 0,02% thori, Mƣờng
Hum (0,01 – 0,02% ThO2), Bắc Nậm Xe (0,01 – 0,06% ThO2), Nam Nậm Xe (0,1%
ThO2)…


Thori là một nguyên tố trong hợp kim với magiê, dùng trong các động

cơ máy bay, nhằm tăng độ bền và chống lại biến dạng trƣờn ở nhiệt độ cao.


Thori đƣợc phủ lên dây kim loại tungsten trong các thiết bị điện nhằm

làm tăng truyền nhiệt qua điện tích của catốt bị nung nóng.


Định tuổi Urani-thori đƣợc dùng để xác định tuổi hóa thạch họ ngƣời.



Thori đƣợc dùng để bổ sung thêm trong quá trình sản xuất nguyên liệu

hạt nhân. Đặc biệt đối với các lò phản ứng khuếch đại năng lƣợng đƣợc thiết kế
với mục đích sử dụng thori. Khi thori nhiều hơn urani, một số mẫu lò phản ứng
hạt nhân kết hợp thori vào chu trình nguyên liệu của chúng.


Thori cũng đƣợc sử dụng trực tiếp làm nguyên liệu hạt nhân giống nhƣ

urani, vì nó tạo ra ít chất thải phóng xạ nguyên tử lớn.


Thori là tấm chắn phóng xạ rất hiệu quả, mặc dù nó chƣa bao giờ đƣợc

sử dụng vào mục đích này so với chì.

Nguyễn Mạnh Hùng

11

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

1.3 Khái quát về đất hiếm
1.3.1. Khái niệm
Đất hiếm là nhóm gồm 15 nguyên tố giống nhau về mặt hóa học trong bảng hệ
thống tuần hoàn Mendeleev và đƣợc gọi chung là lantan, gồm các nguyên tố có số
thứ tự từ 57 (lantan) đến số thứ tự 71 (lutexi). Thông thƣờng ytri (số thứ tự 39) và
scandi (số thứ tự 21) cũng đƣợc xếp vào nhóm đất hiếm vì trong tự nhiên nó luôn đi
cùng các nguyên tố này.

Hinh 1.1 Vị trí các nguyên tố đất hiếm trong bảng hệ thống tuần hoàn
Trong công nghệ tuyển khoáng, các nguyên tố đất hiếm đƣợc phân thành hai
nhóm: nhóm nhẹ và nhóm nặng hay còn gọi là nhóm lantan-ceri và nhóm ytri. Trong
một số trƣờng hợp, đặc biệt là kỹ thuật tách chiết, các nguyên tố đất hiếm đƣợc chia
ra ba nhóm: nhóm nhẹ, nhóm trung gian và nhóm nặng (Bảng 1..2).

Nguyễn Mạnh Hùng

12

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

Bảng 1.2 Phân nhóm các nguyên tố đất hếm

La

L

C

P

Ce

Pr

Nd

N

P

S

Pm Sm Eu

E

G

T

D

H

E

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm Yb

Nhóm nhẹ (nhóm lantan ceri)
Nhóm nhẹ

T

Y

L

Lu

Y

Nhóm nặng (nhóm ytri)
Nhóm nặng

Nhóm trung gian

Thực tế các nguyên tố hiếm này không hiếm trên trái đất (hình 1.2). Theo Cục Khảo
sát Địa chất Liên bang Mỹ - USGS: Fact Sheet 087-02, 2002, hàm lƣợng trung bình
của ceri (Ce = 60ppm) cao hơn hàm lƣợng trung bình của đồng (Cu = 50ppm), ngay
cả nhƣ lutexi (có hàm lƣợng trung bình trên trái đất ít nhất trong nhóm đất hiếm)
cũng có hàm lƣợng trung bình cao hơn antimon (Sb), bismut (Bi), cacdimi (Cd) và
thali (Tl).

Hình 1.2 Sự phân bố của các nguyên tố trong vỏ trái đất
1.3.2. Tính chất của các nguyên tố đất hiếm
- Các nguyên tố đất hiếm có màu xám, riêng Y có màu ánh bạc.
- La, Ce, Nd, Pr, Gd, Y dễ dát, dễ cát nóng nguội, dễ gia công áp suất.
- Các nguyên tố đất hiếm có độ dẫn điện cao.
- Có khả năng hấp phụ Neutron, giữ vai trò đặc biệt trong kỹ thuật hạt nhân.
- Đất hiếm tạo hợp kim với các kim loại và tạo thành các hợp chất phức với
các hợp chất hữu cơ và vô cơ.
Nguyễn Mạnh Hùng

13

Đại Học Bách khoa Hà Nội

Y


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

Bảng 1..3 Các nguyên tố đất hiếm và các đặc tính cơ bản
HLTB
ST
T

Nguyên tố

Ký hiệu
hóa học

Thứ tự

Hóa

nguyên

trị

tử

Nguyên

trong

tử

vỏ trái

lƣợng

đất

Các oxit

(ppm)
1

Lantan

La

57

3

138,92

29,00

La2O3

2

Ceri

Ce

58

3,4

140,13

60,00

CeO2

3

Prazeodim

Pr

59

3,4

140,92

9,00

Pr4O11

4

Neodim

Nd

60

3

144,27

37,00

Nd2O3

5

Prometi

Pm

61

3

145,00

-

Không

6

Samari

Sm

62

2,3

150,43

8,00

Sm2O3

7

Europi

Eu

63

2,3

152,00

1,30

Eu2O3

8

Gadoloni

Gd

64

3

156,90

8,00

Gd2O3

9

Tecbi

Tb

65

3,4

159,20

2,50

Tb4O7

10

Dysprosi

Dy

66

3

162,46

5,0

Dy2O3

11

Honmi

Ho

67

3

164,94

1,7

Ho2O3

12

Erbi

Er

68

3

167,20

3,00

Er2O3

13

Tuli

Tm

69

3

169,40

0,50

Tm2O3

14

Ytecbi

Yb

70

2,3

173,04

0,33

Yb2O3

15

Lutexi

Lu

71

3

174,99

0,50

Lu2O3

Nguyễn Mạnh Hùng

14

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

1.3.3. Lĩnh vực sử dụng [7]
Các sản phẩm của đất hiếm đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp, nông nghiệp, y học, Những lĩnh vực sử dụng chính của các nguyên tố đất
hiếm và hỗn hợp gồm:
- Lantan (La) dùng trong men gốm và thuỷ tinh quang học.
- Ceri (Ce) là thành phần chủ yếu của mischemetal dùng trong ngành công
nghiệp sản xuất thép. Ceri làm tăng độ bền, tăng tính mềm dẻo của hợp kim nhôm và
tăng tính chịu nhiệt của hợp kim magne. Các hợp kim của ceri làm lớp chống phát xạ
trên bề mặt catôt của đền chân không, làm chất xúc tác trong quá trình lọc dầu, tụ
điện gốm và vật liệu chịu nhiệt của động cơ phản lực.
- Prazeodim (Pr) là một thành phần của men gốm, của tụ điện và nam châm
vĩnh cửu. Hỗn hợp của Pr với Nd gọi là dydim đƣợc sử dụng làm kính bảo hộ cho
công nghiệp sản xuất thủy tinh.
- Europi (Eu) sử dụng trong đèn màu catôt. Oxit của Eu làm chất phát quang

màu đổ cho vô tuyến truyền hình màu, là thành phần cơ bản của các thanh điều khiển
lò phản ứng hạt nhân.
- Thuli (Tm) khi bị chiếu xạ, sẽ tạo ra một đồng vị phát ra tia X đƣợc sử dụng
trong các máy X quang di động.
- Ytri (Y) sử dụng làm chất khử oxit trong thép không gỉ, trong các hợp kim
đặc biệt, làm động cơ máy bay, trong bình acquy tái nạp. Động vị của Y sử dụng
trong thuốc giảm đau.
Các nguyên tố đất hiếm khác: samari (Sm) đƣợc sử dụng chủ yếu để chế tạo
các nam châm vĩnh cửu và laze thủy tinh. Gadolini (Gd) là thành phần chủ yếu chế
tạo laze rắn và các vi mạch trong bộ nhớ của máy tính. Terbi (Tb) sử dụng trong ống
catôt và trong các bộ nhớ quang từ của máy vi tính. Dyspozi (Dy) sử dụng trong nam
châm vĩnh cửu và thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân. Homi (Ho) sử dụng trong
các phản ứng hạt nhân. Erbi (Er) dùng chế tạo men hồng trên gốm.
1.3.4 Các kiểu mỏ công nghiệp

Nguyễn Mạnh Hùng

15

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

Đất hiếm có thể tạo thành mỏ công nghiệp độc lập hoặc là các nguyên tố đi
cùng với nhiều loại hình nguồn gốc khác nhau. Theo Greta J. Orris1 and Richard I.
Grauch [15] có thể chia ra làm 17 kiểu mỏ đất hiếm nhƣ sau:
1. Kiểu cacbonatit (Carbonatites)

2. Kiểu cacbonatit đƣợc làm giàu (Carbonatites with residual enrichment)
3. Kiểu mỏ liên quan đến phức hệ xâm nhập kiềm (Alkaline igneous complexes)
4. Kiểu oxyt sắt nhiệt dịch (Hydrothermal iron-oxide deposits)
5. Kiểu mỏ liên quan đến đá phun trào (Other Igneous affiliated)
6. Kiểu mỏ liên quan đến đá biến chất (Deposits hosted by metamorphic rocks)
7. Kiểu mỏ sa khoáng bờ biển (Shoreline placer deposits)
8. Kiểu mỏ sa khoáng trầm tích bồi tụ (Alluvial placer deposits)
9. Kiểu mỏ sa khoáng không rõ nguồn gốc (Placer uncertain origin)
10. Kiểu mỏ sa khoáng cổ (Paleoplacers)
11. Kiểu mỏ hấp thụ ion (Ion adsorption weathering crusts)
12. Kiểu phosphorit (Phosphorites)
13. Kiểu bauxit hoặc laterit chính (Bauxite or lateraite hosted)
14. Kiểu mỏ fluorit (F deposits)
15. Kiểu mỏ chì (Pb deposits)
16. Kiểu mỏ urani (Uranium deposits)
17. Các kiểu khác: Hỗn hợp và không xác định (Others: iscellaneous and
unkown).
Trong các loại hình mỏ nêu trên, quan trọng nhất là các loại hình 1, 2, 3, 11, 12,
14 chúng chiếm trữ lƣợng khai thác có hiệu quả và sản lƣợng khai thác chủ yếu trên
thế giới hiện nay.
- Theo phân loại của Stephen B. Castor và James B. Hedrick

[15],

có thể chia

các mỏ đất hiếm thành các kiểu mỏ:
1. Mỏ sắt - đất hiếm;
2. Mỏ đất hiếm carbonatit;
3. Mỏ đất hiếm laterit;

Nguyễn Mạnh Hùng

16

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

4. Mỏ đất hiếm nguồn gốc sa khoáng;
5. Mỏ đất hiếm nhóm nặng trong đá magma siêu kiềm;
6. Mỏ đất hiếm dạng mạch;
7. Các mỏ đất hiếm dạng khác.
Trong các hình mỏ trên quan trọng nhất là các loại hình mỏ: 1, 2, 3, 4, 6
chúng có trữ lƣợng khai thác hiệu quả và sản lƣợng khai thác từ các loại mỏ này
chiếm chủ yếu trên thế giới hiện nay.
1.3.5. Các khoáng vật đất hiếm chính
Hiện nay đã biết khoảng 250 khoáng vật chứa đất hiếm, trong đó có trên 60
khoáng vật chứa từ 5 ÷ 8% đất hiếm trở lên và chúng đƣợc chia thành hai nhóm:
Nhóm thứ nhất: gồm các khoáng vật chứa ít đất hiếm, có thể thu hồi nhƣ một
sản phẩm đi kèm trong quá trình khai thác và tuyển quặng.
Nhóm thứ hai: gồm các khoáng vật giàu đất hiếm có thể sử dụng trực tiếp nhƣ
sản phẩm hỗn hợp đất hiếm.
Theo thành phần hoá học, các khoáng vật đất hiếm đƣợc chia thành 9 nhóm:
1. Fluorur: yttofluorit, gagarunit và fluoserit.
2. Carbonat và fluocarbonat: bastnezit, parizit, ancylit, hoanghit.
3. Phosphat: monazit, xenotim
4. Silicat: gadolinit, britholit, thortveibit

5. Oxyt: ferguxonit, esinit, euxenit
6. Arsenat: checrolit
7. Borat: braitschit
8. Sulfat: chukhrolit
9. Vanadat: vakefieldit
Trong 9 nhóm trên, 5 nhóm đầu là quan trọng nhất, đặc biệt là nhóm
fluocarbonat, phosphat và oxyt. Trong đó, các khoáng vật bastnezit, monazit,
xenotim và gadolinit luôn đƣợc xem là những khoáng vật quan trọng.

Nguyễn Mạnh Hùng

17

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

1.3.6. Đặc điểm phân bố các quặng đất hiếm ở Việt Nam[8]
Các kết quả nghiên cứu, tìm kiếm, thăm dò đã phát hiện và ghi nhận nhiều mỏ,
điểm quặng đất hiếm trên lãnh thổ Việt Nam (hình1.4).

Hình1.3 Sơ đồ phân bố các mỏ đất hiếm ở Việt Nam
Các mỏ đất hiếm gốc và vỏ phong hoá phân bố ở Tây Bắc gồm Nậm Xe, Nam
Nậm Xe, Đông Pao (Lai Châu), Mƣờng Hum (Lào Cai), Yên Phú (Yên Bái).
Đất hiếm trong sa khoáng chủ yếu ở dạng monazit, xenotim là loại phosphat
đất hiếm, ít hơn là silicat đất hiếm (orthit). Trong sa khoáng ven biển, monazit,
xenotim đƣợc tập trung cùng với ilmenit với các mức hàm lƣợng khác nhau, phân bố

ven bờ biển từ Quảng Ninh đến Vũng Tàu. Sa khoáng monazit trong lục địa thƣờng
phân bố ở các thềm sông, suối điển hình là các mỏ monazit ở vùng Bắc Bù Khạng
(Nghệ An) nhƣ ở các điểm monazit Pom Lâu - Bản Tằm, Châu Bình… Monazit
Nguyễn Mạnh Hùng

18

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

trong sa khoáng ven biển đƣợc coi là sản phẩm đi kèm và đƣợc thu hồi trong quá
trình khai thác ilmenit.
Ngoài các kiểu mỏ đất hiếm nêu trên, ở vùng Tây Bắc Việt Nam còn gặp nhiều
điểm quặng, biểu hiện khoáng hoá đất hiếm trong các đới mạch đồng - molipden
nhiệt dịch, mạch thạch anh - xạ - hiếm nằm trong các đá biến chất cổ, trong đá vôi;
các thể migmatit chứa khoáng hoá urani, thori và đất hiếm ở Sin Chải, Thèn Sin (Lai
Châu); Làng Phát, Làng Nhẻo (Yên Bái);… nhƣng chƣa đƣợc đánh giá.
1.3.7. Các kiểu mỏ công nghiệp[11]
Theo nguồn gốc có thể chia các mỏ, điểm quặng đất hiếm trên lãnh thổ Việt
Nam thành 3 loại hình mỏ nhƣ sau:
Mỏ nhiệt dịch
Phân bố ở Tây Bắc, gồm các mỏ lớn, có giá trị nhƣ Bắc Nậm Xe, Nam Nậm
Xe, Đông Pao, Mƣờng Hum, Yên Phú và hàng loạt các biểu hiện khoáng hoá đất
hiếm khác trong vùng. Thân quặng có dạng mạch, thấu kính, ổ, đới xuyên cắt vào các
đá có thành phần khác nhau: đá vôi, đá phun trào bazơ, đá syenit, đá phiến. Hàm
lƣợng tổng oxyt đất hiếm trong các mỏ từ 1% đến trên 36%.

Kiểu mỏ hấp thụ ion
Kiểu mỏ này mới đƣơc phát hiện tại khu vực huyện Bảo Thắng, tỉnh Lào Cai.
Quặng đất hiếm phân vỏ phong hóa của đá granit kiềm, hàm lƣợng tổng đất hiếm
khoảng 0,0443 ÷ 0,3233%, trung bình khoảng 0,1% oxit đất hiếm. Các kết quả
nghiên cứu bƣớc đầu cho thấy, kiểu quặng này tuy hàm lƣợng đất hiếm không cao,
nhƣng điều kiện khai thác thuận lợi, công nghệ tách tuyển quặng đơn giản. Do đó,
cần đƣợc quan tâm điều tra, thăm dò để khai thác khi có nhu cầu.
Mỏ sa khoáng
Gồm 2 kiểu sa khoáng chứa đất hiếm:
Sa khoáng lục địa: phân bố ở vùng Bắc Bù Khạng (Pom Lâu, Châu Bình và
Bản Gió). Tại các mỏ, điểm quặng này đất hiếm dƣới dạng khoáng vật monazit,
xenotim đi cùng ilmenit, zircon. Quặng nằm trong các trầm tích thềm sông bậc I và

Nguyễn Mạnh Hùng

19

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

Nguồn cung cấp các khoáng vật chứa đất hiếm chủ yếu từ khối granit Bù Khạng.
Hàm lƣợng monazit 0,15 ÷ 4,8kg/m3, điều kiện khai thác, tuyển đơn giản nên cần
đƣợc quan tâm thăm dò và khai thác khi có nhu cầu.
Đất hiếm nhóm nhẹ
Gồm các mỏ Nam Nậm Xe, Bắc Nậm Xe, Đông Pao và quặng sa khoáng.
Trong đó, khoáng vật đất hiếm chủ yếu là bastnezit (Nậm Xe, Đông Pao, Mƣờng

Hum) và monazit (Bắc Bù Khạng, sa khoáng ven biển).
- Đất hiếm nhóm nặng
Điển hình là mỏ Yên Phú, tỷ lệ hàm lƣợng oxyt đất hiếm nhóm nặng trên tổng
oxyt đất hiếm trung bình khoảng 30%. Ngoài mỏ Yên Phú, mỏ đất hiếm Mƣờng
Hum, tỷ lệ này tƣơng đối cao, trung bình khoảng 22%.
1.4. Quy trình xử lý mẫu quặng ( đập, nghiền, rây, chia mẫu...)[14]
Các loại mẫu địa chất ở dạng rắn dùng để phân tích thành phần nguyên tố hoá
học bằng các phƣơng pháp hoá học và hoá lý.
Yêu cầu chung
Nghiền mẫu là quá trình làm nhỏ cỡ hạt của mẫu bằng đập hoặc nghiền mà



không làm thay đổi khối lƣợng hoặc thành phần của mẫu.
Giản lƣợc mẫu là quá trình giảm bớt khôi lƣợng mẫu (nhƣng không thay đổi



kích thƣớc hạt của các hợp phẩn) để tạo đƣợc phần đại diện của mẫu dùng cho phân
tích, phần còn lại đƣợc lƣu hoặc bỏ đi.
Cỡ hạt của mẫu sau mỗi bƣớc gia công là kích thƣớc lỗ rây nhỏ nhất (trong bộ



rây tiêu chuẩn quốc tế) cho phép ít nhất 95% lƣợng vật liệu lọt qua.
Qui trình gia công mẫu là một quá trình xử lý mẫu bằng các biện pháp cơ học



tuỳ thuộc vào chủng loại, kích thƣớc, cỡ hạt, khôi lƣợng mẫu ban đầu để đáp ứng các

yêu cầu cụ thể của việc phân tích về sau. Có thể gồm một hoặc nhiều bƣớc gia công.
Mỗi bƣớc gia công thƣờng gồm 3 công đoạn:


Nghiền (đập) mẫu.



Trộn mẫu.

Nguyễn Mạnh Hùng

20

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật



Hóa học

Giản lƣợc mẫu.

Quy trình gia công mẫu phải đƣợc lựa chọn phù hợp với từng loại mẫu sao cho giảm
đến mức tối thiểu các sai số về gia công mẫu và phần mẫu nhận đƣợc dùng cho phân
tích sau này phải đảm bảo tính đại diện cho mẫu ban đầu. Mẫu địa chất đƣợc phân
thành 4 loại tƣơng ứng với qui trình gia công riêng nhƣ các sơ đồ trình bày trong phụ
lục.

1.4.1. Những quá trình cơ bản trong gia công và xử lý mẫu quặng.
1. Làm khô mẫu:
Trƣớc khi gia công, vật liệu mẫu phải đƣợc phơi khô tự nhiên hoặc sây bằng tủ sây
để có thể gia công dễ dàng mà không làm mất mát hoặc nhiễm bẩn. Nếu dùng tủ sấy
thì nhiệt độ sấy không đƣợc quá 500C với các loại mẫu thông thƣờng và không quá
300C với mẫu quặng thuỷ ngân và các quặng sunfua dễ bay hơi.
2. Nghiền mẫu:
Máy dùng để nghiền mẫu địa chất bao gồm: máy đập hàm, máy đập trục, máy xiết
đĩa, máy nghiền bi, máy nghiển rung. Các bộ phận máy nghiền tiếp xúc với mẫu
phải đƣợc làm bằng vật liệu không bị mài mòn để giảm độ nhiễm bẩn mẫu. Điều này
đặc biệt quan trọng trong trƣờng hợp cẩn xác định các nguyên tố vết. Khi gia công
mẫu cần tránh dùng các thiết bị làm bằng vật liệu có chứa các nguyên tố cần xác
định.
Khi sử dụng các thiết bị nghiền có tốc độ cao nhƣ máy nghiền bi, nghiền rung...cần
chú ý vì khi chạy máy nóng lên có thể làm ảnh hƣởng đến mẫu. Khi nghiền một loạt
mẫu liên tục thì cần để máy nguội và lau chùi sạch sau mỗi mẫu.

3. Trộn mẫu:
Để giảm sai số khi chia mẫu cần trộn mẫu kĩ trƣớc khi chia.
Có thể trộn mẫu bằng phƣơng pháp thủ công nhƣ tạo thành các đống hình nón nhiều
lần hoặc sử dụng các máy trộn chuyên dụng.
4. Giản lƣợc mẫu:

Nguyễn Mạnh Hùng

21

Đại Học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

Giản lƣợc mẫu có thể thực hiện bằng nhiều cách (bằng máy hoặc thủ công). Trƣờng
hợp cần chia nhỏ mẫu thành nhiều phần (20 phần) việc chia mẫu cần thực hiện bằng
thiết bị chuyên dụng. Các trƣờng hợp còn lại có thể chia mẫu theo cách thủ công,
thực hiện nhiều lần tuỳ theo khối lƣợng mẫu ban đầu để thu đƣợc lƣợng mẫu cần
thiết cho phân tích.
Việc giản lƣợc mẫu theo cách thủ công có thể thực hiện theo một trong các cách sau:
1/Tạo đống hỉnh nón rồi chia 4:
Trải mẫu lên một mặt phăng nhăn. Dùng xẻng xúc mâu đổ thành đống hình nón.
Mỗi lần xúc một xẻng đầy, lấv lần lƣợt từng xẻng và đẩy xẻng từ rìa vào giữa. Khi
đổ phải đổ thẳng lên đỉnh của hình nón. Lặp lại quá trình này 2-3 lần.
Dùng một tấm phẳng cứng dặt lên đỉnh nón rồi ấn xuống tạo thành hình nón cụt, rồi
thành gần nhƣ hình trụ. Dùng ngăn chữ thập chia khôi mẫu hình trụ ra thành 4 phần,
lấy 2 phần đôi đỉnh, 2 phần còn lại giữ làm mẫu lƣu hoặc bỏ đi.
2/ Dùng máng chia:
Máng chia là một dụng cụ dùng để chia mâu thành 2 phần.
Nguyên tắc hoạt động của máng: Mau đƣợc đổ vào một hệ thống các khe song song
có cùng độ rộng. Các khe giáp nhau đổ vật liệu mẫu về hai thùng chứa đối ngƣợc
nhau. Máng chia phải đối xứng để có thể sử dụng mẫu ở bất kì thùng chứa nào.
Thùng chứa phải ghép thật khít vào máng chia để không làm rơi vãi mẫu. Điều quan
trọng là máng chia phải đƣợc chọn phù hợp với cỡ hạt tối đa, vì có thể mắc sai số
nếu khe hở quá to hoặc quá nhỏ. Độ rộng của khe đƣợc mở ít nhất phải gấp đôi cỡ
hạt tối đa. Số khe ít nhất là 8 ở mỗi bên máng
Khi nạp mẫu phải chú ý sao cho mẫu trải đều khắp chiều dài của máng và chảy đều
đặn qua hai hệ thống khe xuống hai thùng chứa. Mẫu phân tích đƣợc lấy bất kì từ
một trong hai thùng chứa này. Lƣợng mẫu còn lại trong thùng kia dùng làm mẫu lƣu
hoặc bỏ đi. sau đó mẫu đƣợc gia công đến cỡ hạt và giản lƣợc đến khối lƣợng cần

thiết đƣợc đóng gói hoặc đựng trong túi làm mẫu lƣu ghi các thông tin đầy đủ.

Nguyễn Mạnh Hùng

22

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

Hình 1.4 Sơ đồ Qui trình gia công mẫu đất đá, các loại quặng thông thường.

Nguyễn Mạnh Hùng

23

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

1.5. Một số phƣơng pháp phân tích kim loại nặng phổ biến
1.5.1 Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis
Phổ UV-Vis là một kỹ thuật phân tích quan trọng trong phân tích hóa.
Nhiều cation và anion trong dung dịch có thể xác định với độ nhạy và độ chọn lọc

cao.
Nguyên lý chung trong phân tích: mẫu đƣợc thêm các tác nhân, trong điều
kiện phù hợp (nhiệt độ, pH, thời gian….) xảy ra phản ứng đặc trƣng giữa các tác
nhân với nguyên tố cần phân tích. Phức hoặc hợp chất tạo thành thƣờng có màu và
có thể hấp thụ năng lƣợng ánh sáng UV-Vis tại một hoặc một số bƣớc sóng đặc trƣng
(đƣợc gọi là các cực đại hấp thụ). Dựa vào khả năng hấp thụ năng lƣợng ánh sáng
này có thể sử dụng phổ UV-Vis để định tính và định lƣợng nguyên tố cần phân tích.
Độ hấp thụ ánh sáng A tại một bƣớc sóng cụ thể tăng khi nồng độ C (mol.l-1) của các
chất trong mẫu tăng. Định luật Beer-Lambert biểu diễn mối liên hệ giữa nồng độ và
độ hấp thụ theo công thức:
A = .b.C
Trong đó:

(1-1)

A (Abs): độ hấp thụ;

 (M-1.cm-1): là độ hấp thụ mol hay hệ số tắt phân tử
b (cm): bề dày bên trong của cuvet hay quãng đƣờng mà ánh
sang đi qua lớp dung dịch
Trong phân tích đo quang, với một hệ dung dịch phân tích cụ thể, bƣớc sóng
tia tới đơn sắc thì ε là xác định, trong thực nghiệm luôn có thể chọn b cố định nên
định luật Beer-Lambert có thể viết dƣới dạng:
A = KC với K= εb = const

(1-2)

Dựa vào phƣơng trình (1-2) thực hiện phƣơng pháp phân tích đo quang định
lƣợng. Điều này chỉ đúng với độ hấp thụ đo đƣợc trong khoảng nồng độ giới hạn
(khoảng nồng độ bảo đảm mối quan hệ giữa A và C vẫn là tuyến tính).

Nguyễn Mạnh Hùng

24

Đại Học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hóa học

Để định lƣợng bằng phổ UV-Vis, các hợp chất cần xác định phải bền, ít phân
ly, ổn định, không thay đổi thành phần trong khoảng thời gian nhất định để thực hiện
phép đo (1020 phút). Khoảng xác định nồng độ theo phƣơng pháp 10-610-2M tùy
thuộc chất cần phân tích và hệ thuốc thử sử dụng. Giới hạn phát hiện của phƣơng
pháp 10-7M [34]
* Ưu nhược điểm của phương pháp phân tích UV-Vis
Ưu điểm
Phƣơng pháp có độ nhạy tƣơng đối cao, cho phép xác định nồng độ trong
khoảng 10-610-2 mol.l-1 (10-4%1%). Phƣơng pháp đƣợc áp dụng phân tích các chất
với giới hạn phát hiện cỡ 0,010,1 mg.l-1.
Phân tích thuận tiện: Không đòi hỏi thiết bị quá đắt tiền, có thể phân tích
nhiều đối tƣợng mẫu khác nhau.
Dễ tự động hóa: Tất cả các động tác từ đƣa mẫu vào phân tích, thêm hóa chất
cần thiết, vẽ phổ, xử lý phổ, xử lý kết quả, xử lý thống kê đều có thể đƣợc thực hiện
một cách tự động trên các máy móc, thiết bị hiện đại.
Phƣơng pháp này cũng rất thuận lợi cho việc nghiên cứu các cơ chế tạo phức,
xác định các dạng tồn tại của các ion trung tâm, các ligan nằm trong phức đơn và đa
ligan trong pha nƣớc cũng nhƣ pha hữu cơ.

Nhược điểm
Phƣơng pháp UV-Vis đòi hỏi phức màu hình thành phải có độ bền cao, ít
phân ly (hằng số bền K>108), có thành phần xác định, ổn định theo thời gian, phải ổn
định ít nhất là 15 phút.
Sai số do các yếu tố làm ảnh hƣởng đến sự hấp thụ quang của dung dịch là:
bƣớc sóng của ánh sáng tới (ánh sáng không đơn sắc, …) và các yếu tố gây ảnh
hƣởng đến nồng độ (sự pha loãng dung dịch, nồng độ ion H+, có ion lạ trong dung
dịch, …). Sai số chủ quan do ngƣời thực hiện phép đo phạm phải khi đo các giá trị
mật độ quang A hay độ truyền quang T. Đối với phƣơng pháp UV-Vis, tổng sai số

Nguyễn Mạnh Hùng

25

Đại Học Bách khoa Hà Nội