NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG K2FeO4 ĐỂ LOẠI BỎ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ CÓ TRONG NƯỚC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN PHẠM TƯỜNG MINH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG K2FeO4
ĐỂ LOẠI BỎ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ CÓ TRONG NƯỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TP. Hồ Chí Minh – Tháng 4 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG K2FeO4
ĐỂ LOẠI BỎ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ CÓ TRONG NƯỚC

Giảng viên hướng dẫn : TS. Lê Công Hảo
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Phạm Tường Minh

Ngành

: Vật lý học

MSSV

: K39.105.093

TP. Hồ Chí Minh – Tháng 4 năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt khóa luận này, không chỉ có sự cố gắng của bản thân, tôi còn
nhận được rất nhiều sự quan tâm và giúp đỡ từ rất nhiều người. Tôi xin chân thành
gửi lòng tri ân đến:
Gia đình, bạn bè, những người luôn sát cánh và ủng hộ tôi hết mình, cho tôi
thêm động lực để hoàn thành khóa luận.
Tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Lê Công Hảo, người trực tiếp
hướng dẫn tôi. Tôi đã học hỏi được rất nhiều ở Thầy không chỉ tinh thần làm việc
nghiêm túc, trách nhiệm mà còn sự nhiệt tình, tâm lý đối với sinh viên. Khi mới bắt
đầu thực hiện, kiến thức mà tôi có được rất ít ỏi, có chỗ hiểu sai, chính Thầy đã từng
bước chỉ dẫn, bổ sung cho tôi những gì còn thiếu hay chưa rõ. Ngoài ra, Thầy cũng
hỗ trợ cung cấp, chỉnh sửa cho tôi những máy móc, trang thiết bị để phục vụ cho việc
nghiên cứu.
Thầy Nguyễn Văn Đông, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên,
ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, đã hỗ trợ cho tôi có được hóa chất cần thiết.
Thầy Trần Thiện Thanh, Trưởng phòng thí nghiệm Hạt Nhân, cùng quý Thầy
Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG
Thành phố Hồ Chí Minh, đã luôn tạo điều kiện tốt để tôi có thể yên tâm nghiên cứu.
Thầy Hoàng Đức Tâm, Phó trưởng khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm
Thành phố Hồ Chí Minh, đã hướng dẫn tôi cùng nhóm bạn tham gia Nghiên cứu Khoa
học năm học 2015 - 2016 để tôi có những nhận thức đầu tiên về việc nghiên cứu, bổ
sung kinh nghiệm hoàn thành khóa luận.

Quý Thầy Cô trong Hội đồng đã dành thời gian đọc và góp ý để khóa luận hoàn
thiện hơn.
Và cuối cùng tôi cũng xin được cảm ơn quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt
nhân, Trường Đại Học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh, đã truyền đạt nền tảng kiến
thức, tạo cơ sở cho tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, chuẩn bị hành trang vào đời.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 4 năm 2017

i


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
MỤC LỤC.................................................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... v
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ VẬT LÝ – HÓA HỌC VỀ URANIUM, K2FeO4 VÀ HỆ
ĐO GEIGER - MULLER ....................................................................................... 4
1.1 Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................... 4
1.1.1 Uranium ..................................................................................................... 4
1.1.1.1

Lịch sử .................................................................................................4

1.1.1.2

Tính chất hóa - lý.................................................................................5

1.1.1.3

Ứng dụng .............................................................................................7

1.1.1.4

Tác hại .................................................................................................8

1.1.2 Kali ferrat ................................................................................................... 8
1.1.2.1

Tính chất của gốc ferrat - Fe(VI).........................................................8

1.1.2.2

Tổng hợp kali ferrat (K2FeO4) ...........................................................10

1.2 Hệ đo bức xạ................................................................................................... 13
1.2.1 Máy đếm bức xạ ...................................................................................... 13
1.2.2 Ống đếm Geiger-Muller .......................................................................... 14
1.2.2.1

Detector chứa khí ..............................................................................14

1.2.2.2

Vùng Geiger - Muller ........................................................................15

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP K2FeO4 VÀ THỰC NGHIỆM LOẠI
BỎ URANI TRONG MẪU DUNG DỊCH .......................................................... 17
2.1 Quy trình tạo K2FeO4 bằng phương pháp điện phân ..................................... 17

2.1.1 Chuẩn bị hóa chất – dụng cụ ................................................................... 17
2.1.2 Quy trình điện phân ................................................................................. 17
2.2 Quy trình tạo K2FeO4 bằng phương pháp khô ............................................... 21
2.2.1 Chuẩn bị hóa chất – dụng cụ ................................................................... 21
ii


2.2.2 Quy trình thực hiện .................................................................................. 22
2.3 Quy trình loại bỏ chất phóng xạ khỏi dung dịch ............................................ 24
2.3.1 Phản ứng hóa học..................................................................................... 24
2.3.2 Quy trình thực hiện .................................................................................. 24
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT LOẠI CHẤT PHÓNG
XẠ RA KHỎI DUNG DỊCH ................................................................................ 27
3.1 Kết quả ............................................................................................................ 27
3.2 Đánh giá .......................................................................................................... 29
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 33
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 36

iii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Diễn giải

STT Hình

Trang

1

1.1

Chuỗi phân rã U-235

6

2

1.2

Chuỗi phân rã U-238

7

3

1.3

Cấu trúc nguyên tử của Kali ferrat

9

4

1.4

Mô hình điện phân sắt (anot) trong dung dịch kiềm

12

5

1.5

Sơ đồ khối mô tả nguyên tắc hoạt động của hệ đếm bức xạ

13

6

1.6

Sơ đồ ống đếm khí

14

7

1.7

Sự thay đổi độ cao xung khi điện áp thay đổi

15

8

2.1

Mô hình điện phân và màu tím của muối ferrat

18

9

2.2

Dung dịch sau khi điện phân được cho qua ống lọc

18

10

2.3

Hòa tan KOH dạng rắn vào dung dịch sau khi lọc

19

11

2.4

Máy ly tâm 12 ống trong PTN

19

12

2.5

Sấy kết tủa bằng đèn hồng ngoại

20

13

2.6

Sản phẩm thu được sau khi sấy khô

20

14

2.7

Sản phẩm thu được của quá trình điện phân trong dung

21

dịch KOH
15

2.8

Sản phẩm thu được khi đốt bột Fe và KNO3

22

16

2.9

K2FeO4 thu được sau khi ray

23

17

2.10

Màu tím của K2FeO4 xuất hiện khi cho một ít vào nước

23

18

2.11

Dung dịch K2FeO4 có nồng độ theo thứ tự lần lượt 0,1M;

25

0,01M và 0,001M
19

2.12

Ống đếm G-M trong PTN hạt nhân của trường ĐH Khoa

Học Tự Nhiên ĐHQG TpHCM

iv

26


DANH MỤC CÁC BẢNG
Stt

Bảng

Diễn giải

1

3.1

Số đếm/giây ghi nhận được của tỉ lệ 1:20

27

2

3.2

Số đếm/giây ghi nhận được của tỉ lệ 1:10

28

3

3.3

Phần trăm hoạt độ chất phóng xạ giảm đi

29

v

Trang


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, các khu xí nghiệp, nhà máy
mọc lên ngày càng nhiều, đi kèm đó là những tác hại gây ô nhiễm môi trường sống
trên Trái Đất. Một nguồn cung cấp nước uống sạch, an toàn là điều cần thiết cho sức
khỏe con người và động vật.
Ở những khu đô thị, các hộ dân sử dụng nước từ hệ thống nhà máy lọc nên nước
phải được kiểm định để đảm bảo an toàn cho người dùng. Ngược lại, ở khu vực nông
thôn, hệ thống nước giếng lại là nguồn nước chính phục vụ cho đời sống người dân,
cây trồng và vật nuôi. Hơn thế nữa, theo tổ chức Y tế Thế giới (WHO) có hơn một tỷ
người không được cung cấp đủ nước sinh hoạt. Chính vì chưa được xử lý nên nước
có thể chứa nhiều loại vi sinh vật và hàm lượng lớn các chất gây nguy hiểm cho sức
khỏe con người, thậm chí có thể gây tử vong do uống phải nước nhiễm các đồng vị
phóng xạ tự nhiên hoặc nhân tạo.
Đã có nhiều phương pháp xử lý nước được ứng dụng nhằm cải thiện nguồn
nước và cách dùng hóa chất đã và đang được triển khai mạnh mẽ. Chẳng hạn như sử
dụng Clo để lọc nước là cách mà ai cũng biết nhưng lại rất ít ngưới biết rằng có một
số loại vi sinh vật miễn nhiễm với Clo, do đó mức độ tẩy không cao, đồng thời quan

trọng hơn là sản phẩm Clo tạo ra, ví dụ Trihalomethanes (3 trong 4 nguyên tử Hydro
của khí CH4 bị thay thế bằng nguyên tử Halogen – Clo) lại là chất gây ung thư [9].
Vào năm 1996, Delaude và Laszlo [10] đã nghiên cứu tìm ra một chất mới, được
gọi là ferrat (Fe(VI)), là chất oxy hóa mạnh và phản ứng của nó với các chất gây ô
nhiễm xảy ra nhanh kèm theo sự hình thành các sản phẩm phụ là Fe(III) không độc
hại, không gây đột biến và ung thư…. Sự oxy hóa của Fe(VI) phụ thuộc vào độ pH
của môi trường, độ pH càng thấp thì tốc độ phản ứng xảy ra càng nhanh. Fe(VI) còn
cho thấy tính khử trùng tốt và vô hiệu hóa nhiều loại vi sinh vật ở liều lượng thấp. Do
đó, nó đã được ứng dụng trong quá trình làm sạch nước và xử lý nước thải [11].
Ngày nay, nhu cầu nghiên cứu và áp dụng Vật lý hạt nhân ngày càng sâu rộng.
Đặc biệt, việc đánh giá liều phóng xạ môi trường hay ảnh hưởng của bức xạ lên môi

1


trường và sức khỏe con người đang là một trong những vấn đề thu hút sự nghiên cứu
của các nhà khoa học. Đáng chú ý gần đây nhất, năm 2011, vụ nổ nhà máy điện hạt
nhân Fukushima ở Nhật Bản đã gây chấn động dư luận và hậu quả của nó để lại là
không hề nhỏ. Xử lý nguồn nước chứa lượng phóng xạ khổng lồ được lưu trữ tại nhà
máy điện sau sự cố đang là thách thức lớn đối với các nhà khoa học cùng chính quyền
Nhật Bản nói riêng và cả thế giới nói chung.
Năm 2016, Masashi Kato và cộng sự [13] đã lấy mẫu nước giếng ở Kabul,
Afghanistan và phát hiện ra urani chiếm khoảng 19,4% trong tổng số 227 mẫu được
kiểm tra, con số này đã vượt qua giá trị cho phép của Tổ chức Y tế thế giới WHO.
Đồng thời, Masashi cũng đã đề xuất phương án sử dụng hợp chất magie – sắt (Mg –
Fe) để loại bỏ urani tự nhiên có trong nước ở Kabul. Sang năm 2017, Bajwa B.S. và
cộng sự [7] đã tiến hành lấy 498 mẫu nước ở SW-Punjab, Ấn Độ với mục đích khảo
sát hàm lượng urani có trong nước ngầm dùng để uống và xác định mức độ ảnh hưởng
của nó. Thông qua tính toán, Bajwa thu được lượng urani trong 498 mẫu dao động
trong khoảng 0,5 – 579g/l. Tính trung bình ra khoảng 73,5g/l, con số này vượt qua

ngưỡng khuyến cáo an toàn của WHO. Trên đây là hai ví dụ điển hình của tình trạng
đáng báo động về lượng urani có trong nước, đặt ra yêu cầu cấp thiết cần phải tìm ra
cách làm giảm bớt lượng urani đó.
Chính vì lẽ đó, tôi tiến hành thực hiện nghiên cứu, áp dụng phương pháp vật lý
hạt nhân thực nghiệm kết hợp phương pháp hóa phóng xạ với mục đích sử dụng kali
ferrat (K2FeO4) để loại bỏ các đồng vị phóng xạ có trong nước. Đối tượng nghiên cứu
ban đầu ở khóa luận là urani trong mẫu dung dịch chuẩn uranyl nitrate (UO2(NO3)2).
Để hỗ trợ cho việc nghiên cứu, tôi sử dụng ống đếm Geiger-Muller ở Phòng thí
nghiệm chuyên đề Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG
Thành phố Hồ Chí Minh.
Nội dung của khóa luận bao gồm ba chương:
 Chương 1 trình bày các cơ sở vật lý – hóa học của chất phóng xạ urani và
kali ferrat (K2FeO4). Các phương pháp đã được nghiên cứu để tổng hợp nên
K2FeO4; ống đếm Geiger-Muller cũng được trình bày.

2


 Chương 2 trình bày rõ hơn về quy trình tổng hợp K2FeO4 mà tôi đã thực hiện,
đồng thời các bước tiến hành đo lấy số liệu thực nghiệm.
 Chương 3 trình bày kết quả ghi nhận được và đánh giá hiệu suất K2FeO4 loại
bỏ urani ra khỏi dung dịch.

3


CHƯƠNG 1
CƠ SỞ VẬT LÝ – HÓA HỌC VỀ URANIUM, K2FeO4 VÀ
HỆ ĐO GEIGER - MULLER
1.1

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1.1.1

Uranium

Uranium là kim loại phóng xạ, có số nguyên tử là 92, thuộc họ Actini trong bảng
tuần hoàn hóa học. Dạng tự nhiên thường được tìm thấy ở đất, đá và nước. Đến nay,
nhiều công trình nghiên cứu trên khắp thế giới cho thấy lượng chất phóng xạ nói
chung, urani nói riêng không chỉ có trong nước giếng, nước sông mà ngay cả nước
biển cũng đo được hoạt độ cao [7], [13], [19].
1.1.1.1 Lịch sử
Năm 1789, nhà bác học người Đức Martin Klaproth đã đặt tên cho nguyên tố
hóa học mà ông mới phát hiện là Urani, tên này dựa trên tên của một hành tinh mà
nhà thiên văn học người Anh William Haerschel tìm ra vào năm 1781 – Thiên Vương
Tinh (Uranus). Thực tế, Klaproth mới điều chế được Uranidioxit (UO2) – một loại
oxit của urani chứ chưa phải kim loại urani.
Khoảng nửa thế kỷ sau đó, năm 1841 nhà hóa học người Pháp Eugene Peligo
đã lần đầu tiên điều chế được bột màu đen của kim loại urani khi tiến hành nung kali
với muối clorua của urani.
Năm 1896, nhà vật lý học người Pháp Antoine Henri Becquerel đã cất các mẫu
muối urani vào ngăn kéo bàn làm việc cùng những tấm phim dương đã chuẩn bị sẵn
nhưng chưa chiếu sáng. Ông cho rằng, urani có khả năng phát ra một dạng ánh sáng
không nhìn thấy hoặc các tia nào đó để khử muối bạc trên kính ảnh. Becquerel đã
thuyết trình về tính chất mới của nguyên tố này – đó là sự biến đổi tự phát của các
nguyên tử urani kèm theo sự giải phóng năng lượng bức xạ. Tính chất này được gọi
là tính phóng xạ [2].
Những năm đầu thế kỷ 20, vợ chồng Marie Curie đã miệt mài nghiên cứu để rồi
gặt hái thành công vang dội, khi hai người đã tìm ra được nguyên tố khác có tính

4


phóng xạ còn mạnh hơn cả urani được biết trước đó. Nhờ đó, người ta đã chú ý hơn
đối với urani.
Năm 1934, nhóm nghiên cứu của Enrico Fermi đã cho bắn phá urani bằng
neutron nhận thấy có tia beta phát ra và kèm theo nguyên tố mới. Điều này đã tạo tiền
đề cho sự nghiên cứu phản ứng phân hạch hạt nhân. Đến năm 1942, “dự án
Manhattan” do Fermi dẫn đầu đã bắt đầu thực hiện phản ứng phân hạch dây chuyền
nhân tạo đầu tiên tại lò phản ứng Chicago Pile – 1. Từ đó, việc các nhà khoa học tìm
tòi, khám phá các đồng vị phóng xạ luôn là vấn đề được quan tâm mỗi khi có một
công bố mới nào đó [20].
1.1.1.2 Tính chất hóa - lý
Urani có màu ánh bạc, mềm, dễ uốn cong. Có năm trạng thái oxi hóa: +2, +3,
+4, +5, +6; trong đó +4 và +6 là phổ biến nhất và có nhiều ứng dụng quan trọng. Biết
được hợp chất urani hóa trị IV thì không tan trong nước, người ta đã nghiên cứu loại
bỏ urani trong nước thải bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng canxi hydroxit
(Ca(OH)2) hoặc natri hydroxit (NaOH) để đưa urani về dạng kết tủa UO2(OH)2. Ngoài
ra, các phương pháp khác như hấp phụ hay kết hợp khử - kết tủa bằng kim loại sắt
cũng đã được nghiên cứu [5].
Urani có khoảng 22 đồng vị phóng xạ được biết đến, trong tự nhiên ta tìm thấy
238

U chiếm khoảng 99,284%, trong khi đó 235U và 234U chiếm một lượng nhỏ lần lượt

là 0,711% và 0,0058%. Urani chủ yếu phân rã alpha () và beta cộng (+), riêng 238U
có chu kỳ bán rã khoảng 4,5 tỷ năm nên chỉ xem như bị phân rã một phần, trong khi
đó

235

U chu kỳ bán rã khoảng 700 triệu năm nên được cho là phân rã đáng kể. Sản

phẩm cuối cùng trong chuỗi phóng xạ tự nhiên urani đều là các đồng vị chì (Pb) bền
khác nhau, điển hình như trong chuỗi phân rã 238U sẽ là 206Pb, còn 235U là 207Pb được
thể hiện ở hình 1.1 và hình 1.2 [3].

5


U-235*
700 triệu năm
𝛼

Pa-231*
𝛽+

33 nghìn năm

26 giờ
Th-231*

Th-227

𝛼

𝛽+

22 năm

Ac-227
22 năm
𝛼

(1 %)

Fr-223*

(99 %)
19 ngày
𝛼

Ra-223

𝛽+

22 phút
𝛼

11 ngày

Rn-219*
𝛼

4 giây

Po-215
1,8 mili giây
𝛼

Bi-211*

𝛽+

36 phút

2,1 phút

*

Pb-211

𝛼

𝛽+

Pb-207
4,8 phút

Tl-207

Hình 1.1. Chuỗi phân rã 235U [3].

6


U-238

U-234

4,5 tỉ năm

1,2
phút
𝛽+

𝛼
Pa-234m
𝛽+
Th-234

𝛼

240 nghìn năm

24 ngày
Th-230

𝛼

77 nghìn năm

Ra-226

𝛼

1600 năm

Rn-222

𝛼

3,8 ngày
Po-214

Po-218

Po-210
5 ngày

20 phút

𝛽+

𝛽+

3,1 phút

𝛼

𝛼

Bi-214
𝛽+

*

160
micro

giây

27 phút

Pb-214*

𝛽+

𝛼

140
ngày

22 năm
Pb-210

Hình 1.2. Chuỗi phân rã 238U [3].

7

Bi-210

Pb-206
(Bền)


1.1.1.3 Ứng dụng
Urani được ứng dụng vào kỹ thuật làm gốm và để vẽ những hoa văn trên thủy
tinh từ khi mới phát hiện. Khi Becquerel khám phá ra tính phóng xạ của urani thì nó
được sử dụng nhiều hơn vào lĩnh vực quân sự và dân dụng. Về mặt quân sự, ứng dụng

chính của urani là chế tạo đầu đạn tỉ trọng lớn, xe bọc sắt, xe bọc thép, xe chống đạn
hoặc dùng trong các thùng chứa để vận chuyển vật liệu phóng xạ [4]….Đặc biệt, trong
chiến tranh thế giới thứ 2, Mỹ đã thả hai quả bom nguyên tử xuống Nhật Bản. Một
trong hai quả, có quả Little Boy được làm chủ yếu từ nguyên liệu là urani, đã phá hủy
thành phố Hiroshima vào ngày 6/8/1945. Đến nay, hậu quả mà nó để lại rất nghiêm
trọng. Về mặt dân dụng, urani chủ yếu là nhiên liệu trong nhà máy điện hạt nhân, có
thể dùng làm thuốc nhuộm màu hay sắc bóng trong phim ảnh [20]….
1.1.1.4 Tác hại
Ngày nay, khi nhắc đến urani, người ta sẽ nghĩ ngay đến “chất phóng xạ” và
những tác hại của nó gây nên. Thật vậy, ảnh hưởng của chất phóng xạ lên cơ thể con
người là vô cùng to lớn, chúng có thể phá vỡ cấu trúc gen, gây ung thư, thậm chí là
tử vong. Theo nghiên cứu, trong không khí tồn tại lượng nhỏ các chất phóng xạ và
đều nằm ở mức cho phép. Tuy nhiên, hằng ngày chúng ta đều phải hít thở, qua đó có
thể đã hít phải khói bụi nhiễm bẩn phóng xạ, lâu ngày lượng chất tích tụ trong cơ thể
ngày càng nhiều và gây ảnh hưởng xấu. Ngoài ra, urani (VI) có khả năng hòa tan
trong môi trường kiềm, tồn tại trong đất, nước ngầm, do đó, nguy cơ con người tiếp
xúc với chất phóng xạ càng tăng cao. Vì vậy, các nhà khoa học đã tiến hành đo lượng
chất phóng xạ nói chung và urani nói riêng tồn tại trong nước để biết mức độ ảnh
hưởng của chúng tại một vùng hay một địa phương nào đó. Đồng thời, họ cũng đã và
đang nghiên cứu tìm ra các chất lọc nước mới với nhu cầu loại bỏ được các chất
phóng xạ.
1.1.2

Kali ferrat

1.1.2.1 Tính chất của gốc ferrat - Fe(VI)
Sắt (Fe) là kim loại phổ biến nhất trên Trái Đất, có nhiều ứng dụng trong đời
sống con người. Rất khó tìm thấy sắt ở dạng tự do, người ta tách chiết sắt từ quặng
8

của nó, chủ yếu là quặng hematit (Fe2O3) và magnetit (Fe3O4) để thu được sắt đơn
chất dùng trong phòng thí nghiệm. Ngoài các hóa trị +2, +3 mà ta thường biết, thì sắt
còn có hóa trị cao nhất là +6, do đó, Fe(VI), cụ thể FeO42- – gốc ferrat, là một chất
oxi hóa mạnh, nhất là trong môi trường nước. Đặc biệt, ở điều kiện axit, ion Fe(VI)
thể hiện tính oxi hóa cao nhất so với bất kỳ chất oxy hóa khác được sử dụng lọc nước
và quy trình xử lý chất thải. Phương trình (1.1) và (1.2) thể hiện tính oxy hóa của sắt
trong dung dịch axit và kiềm [19].
Trong dung dịch axit:
FeO42- + 8H+ + 3e-  Fe3+ + 4H2O

(1.1)

Trong dung dịch kiềm:
FeO42- + 4H2O + 3e-  Fe(OH)3 + 5OH-

(1.2)

Sản phẩm tạo thành từ hai phản ứng đều là Fe(III) – một chất không những
không gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn thân thiện với môi trường. Hơn
nữa, oxit sắt (Fe2O3) được sản xuất từ Fe(VI) đóng vai trò như một chất lôi kéo kim
loại, phi kim loại, đồng vị phóng xạ và humic axit tạo thành kết tủa, kết quả các chất
này bị loại khỏi dung dịch. Bên cạnh đó, Fe(VI) còn là chất có thể tái sử dụng được
nhiều lần và có khả năng lọc chất thải trong nước đạt hiệu quả cao [17].
Muối kali ferrat (K2FeO4) ở thể rắn bao gồm cation K+ và anion tứ diện FeO42như hình 1.3. rất dễ bị phân hủy khi gặp nước:
4K2FeO4 + 4H2O  3O2 + 2Fe2O3 + 8KOH

(1.3)

Dung dịch K2FeO4 có màu tím đậm như dung dịch kali pemanganat (KMnO4),

tuy nhiên nó có tính oxy hóa mạnh hơn KMnO4.

O
2K+
-

2-

Fe

Hình 1.3. Cấu trúc nguyên tử của kali ferrat.

9


1.1.2.2 Tổng hợp kali ferrat (K2FeO4)
Qua nhiều công trình nghiên cứu, vào năm 1987, hai nhà khoa học Bielski và
Thomas [8] đã tổng kết lại, hiện nay Fe(VI) có thể được tạo thành bằng 3 phương
pháp chủ yếu, bao gồm phương pháp ướt, phương pháp khô và phương pháp điện
phân. Cụ thể cho từng phương pháp như sau:
a. Phương pháp ướt
Phương pháp này lầu đầu tiên được đề xuất bởi Thompson [13] vào năm 1951,
khi đó ông cho sắt nitrat ngậm 9 nước (Fe(NO3)3.9H2O) hòa tan cùng kali hypoclorit
(KClO) trong môi trường kiềm mạnh kali hydroxit (KOH) nhưng chỉ nhận được độ
tinh khiết 70%. Đến năm 2005, Sharma đã tổng hợp natri-ferrat (Na2FeO4) thông qua
phản ứng của muối sắt (III)-clorua (FeCl3) với natri hypoclorit (NaOCl) trong môi
trường kiềm, cụ thể natri hydroxit (NaOH) [17]. Sau đó, kali-hydroxit (KOH) mới
được thêm vào để chiếm gốc ferrat. Quy trình phản ứng được thể hiện qua hai phương
trình sau:
2FeCl3 + 3NaOCl + 10NaOH  2Na2FeO4 + 9NaCl + 5H2O

(1.4)

Na2FeO4 + 2KOH  K2FeO4 + 2NaOH

(1.5)

Với phương pháp này, ta thu được khoảng 10 – 15% dung dịch kali ferrat
(K2FeO4). Sau khi cô cạn và làm sạch, K2FeO4 ở dạng rắn với độ tinh khiết hơn 90%.
Tuy vậy, phương pháp này vẫn tồn đọng những hạn chế:
(i)

Sử dụng dung dịch hypochlorite cô đặc với thành phần là khí clo rất

độc và nguy hiểm.
(ii)

Đòi hỏi các chất phải có độ tinh khiết cao nên giá thành rất đắt.

b. Phương pháp khô
Nếu muốn nói đến người đầu tiên tìm ra kali ferrat thì phải kể đến Georg Ernst
Stahl (1660 – 1734) [20], ông đã thu được một hỗn hợp khi làm nóng chảy sắt cùng
muối kali-nitrat (KNO3) ở thể rắn, sau đó đem hòa tan thì được dung dịch có màu tím
như KMnO4. Phương trình hóa học (1.6) thể hiện quá trình này:
Fe + 2KNO3  K2FeO4 + 2NO

10

(1.6)

Bên cạnh đó, vào năm 1998, hai nhà khoa học Cici và Cuci [6] cũng đã thu được
natri ferrat (Na2FeO4) khi cho oxit sắt (Fe2O3) cùng với natri peroxit (Na2O2) phản
ứng với nhau ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Gần đây, phương pháp này cũng
được chú ý hơn khi có thể tái sử dụng oxit sắt đã xử lý trong quá trình sản xuất thép.
Phương trình (1.7) thể hiện phản ứng giữa oxit sắt và natri peroxit trong phương pháp
này [6]:
Fe2O3 + Na2O2  2Na2FeO4 + Na2O

(1.7)

Ưu điểm của phương pháp khô là hóa chất không khó tìm, thời gian thực hiện
lại ngắn. Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất của phương pháp này là phản ứng xảy ra ở
nhiệt độ cao nên có thể gây cháy nổ, nguy hiểm. Đồng thời, phương trình phản ứng
(1.6) có khí nitơ-monooxit (NO) thoát ra, mà NO rất dễ phản ứng với oxi (O2) trong
không khí tạo thành nitơ-đioxit (NO2) – là chất khí màu nâu đỏ, mùi gắt và rất độc.
Do vậy, nhược điểm tiếp theo của phương pháp khô là khí thoát ra gây ô nhiễm không
khí và ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
c. Phương pháp điện phân
Đây là phương pháp có nhiều công trình nghiên cứu, nhằm tìm ra điều kiện tối
ưu nhất để đảm bảo thu được Fe(VI) với số lượng và chất lượng cao. Mô hình điện
phân được thiết lập như hình 1.4 với cực dương (anot) là sắt, cực âm (catot) là các
kim loại khác có độ hoạt động yếu hơn sắt và dung dịch điện phân thường được chọn
là dung dịch kiềm. Năm 2008, Lopez cùng cộng sự [12] đã tiến hành cho điện phân
trong hai dung dịch cùng nồng độ là KOH 10M và NaOH 10M, các điều kiện khác
như nhau (mật độ dòng điện 53,62 mA/cm2, thời gian điện phân 2h). Kết quả, lượng
ferrat thu được ở dung dịch NaOH có lợi về lượng sản phẩm hơn so với KOH. Đến
năm 2014, Sibel và cộng sự [18] đã tìm ra điều kiện thích hợp khi điện phân trong
dung dịch NaOH. Theo Sibel, nồng độ mol của NaOH là 20M, mật độ dòng điện 1,47
mA/cm2, nhiệt độ 30  1oC và thời gian điện phân 1,5h là tốt nhất so với những thí

nghiệm có bộ số khác đã được tiến hành.

11


Hình 1.4. Mô hình điện phân sắt (anot) trong dung dịch kiềm.
Khi có dòng điện chạy qua, sắt ở cực dương sẽ bị phân ly thành các nguyên tử
sắt Fe. Những nguyên tử này một phần nhanh chóng hòa tan vào dung dịch kiềm tạo
thành muối ferrat như phương trình (1.8), phần còn lại chạy về phía cực âm và bám
lên kim loại. Các phản ứng xảy ra ở cực dương, cực âm của bình điện phân cũng như
tổng hợp của cả quá trình được thể hiện như phương trình (1.8), (1.9) và (1.10) [6]:
- Cực dương anot:
Fe + 8OH-  FeO42- + 4H2O + 6e

(1.8)

2H2O  H2 + O2 + 2e

(1.9)

Fe + 2OH- + 2H2O  FeO42- + 3H2

(1.10)

Cực âm catot:
- Phương trình tổng:
Nếu dung dịch kiềm điện phân là NaOH thì phải thêm KOH dạng rắn vào dung
dịch muối ferrat. Vì kali có độ hoạt động hóa học mạnh hơn natri nên sẽ chiếm gốc
ferrat của natri trong dung dịch điện phân như phương trình (1.11), do đó, ta sẽ thu
được kali ferrat như mong muốn. Để thu được sản phẩm dạng rắn, người ta tiếp tục

mang dung dịch K2FeO4 đi lọc và sấy khô.
FeO42-+ 2K+  K2FeO4

12

(1.11)


Phương pháp điện phân được ưu tiên hàng đầu vì electron trong mạch điện có
chức năng như một chất hóa học “sạch” góp phần tạo ra sản phẩm Fe(VI) hòa tan tinh
khiết. Bên cạnh đó, cũng tồn tại hai nhược điểm:
(i)

Tách sản phẩm ở dạng rắn gặp khó khăn nên lượng chất thu được tương

đối thấp (<50%).
(ii)

Thời gian thực hiện dài hơn so với hai phương pháp trước.

Ngoài ra, điện phân trong dung dịch NaOH - KOH đang được triển khai để thu
nhận K2FeO4 cho năng suất cao và dung dịch điện phân là axit cũng đang được đề
xuất, thử nghiệm. Do mục đích sử dụng K2FeO4 xử lý nước cho nên đòi hỏi tạo ra sản
phẩm Fe(VI) có tính ổn định cao mà không làm tăng độ pH của nước trong quá trình
xử lý.
1.2

HỆ ĐO BỨC XẠ

1.2.1

Máy đếm bức xạ

Detector
bức xạ

Tiền
khuếch đại

Khuếch đại

Ngưỡng
tích phân

Đếm
chỉ thị

Cao thế

Hình 1.5. Sơ đồ khối mô tả nguyên tắc hoạt động của hệ đếm bức xạ [1].
Thiết bị dùng để ghi đo số hạt bức xạ đến đầu dò trong khoảng thời gian nào
đó được gọi là máy đếm bức xạ. Nó gồm detector bức xạ, hệ điện tử khuếch đại và
màn hình hiển thị tín hiệu ghi nhận được dưới dạng số hay kim chỉ thị. Nguyên tắc
hoạt động của máy đếm được cho trong hình 1.5. [1].
Vai trò của các khối trong hình 1.5. như sau:
- Cao thế cung cấp điện áp một chiều cho detector, giá trị thường là hàng trăm
hay hàng nghìn vôn.
- Detector bức xạ có thể là buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, ống đếm GeigerMuller, detector nhấp nháy, detector bàn dẫn.

13

- Tín hiệu ra khỏi detector rất bé cần bộ tiền khuếch đại để khuếch đại sơ bộ.
Ngoài ra, nó còn đóng vai trò một mạch phối hợp trở kháng, lối vào có trở kháng cao
nhằm giảm tải cho detector, ngược lại lối ra có trở kháng thấp giúp đảm bảo tải cho
các khối tiếp theo.
- Không thể ghi nhận trực tiếp tín hiệu từ bộ tiền khuếch đại vì biên độ chỉ
khoảng vài chục đến vài trăm milivolt, do đó, tín hiệu tiếp tục được đưa vào bộ
khuếch đại chính để khuếch đại tín hiệu đến biên độ từ vài vôn đến khoảng chục vôn.
- Mục đích của bộ ngưỡng tích phân là lọc lựa và tạo lại tín hiệu dạng xung để
đưa vào khối đếm.
- Khối đếm có nhiệm vụ đếm số xung ra và chỉ thị bằng kim đồng hồ hay hiển
thị số.
1.2.2

Ống đếm Geiger-Muller

1.2.2.1 Detector chứa khí
Ống đếm khí có cấu tạo hình trụ, vỏ đảm nhiệm vai trò của catot và thường nối
đất. Trong khi đó, anot là một sợi dây kim loại rất mảnh, căng dọc theo trục ống trụ.
Lớp khí nằm giữa hai bản cực đóng vai trò như lớp điện môi của tụ điện. Hình 1.6.
thể hiện sơ đồ đơn giản của một detector chứa khí.

Hình 1.6. Sơ đồ ống đếm khí.

14


Các ống đếm khí hoạt động dựa trên nguyên tắc ion hóa các phần tử khí dọc
theo đường đi của các hạt mang điện khi chúng rơi vào môi trường khí và tạo ra các

cặp ion. Điện áp một chiều thích hợp đặt vào hai bản cực tạo ra một điện trường để
đưa các ion dương, electron về phía catot và anot tương ứng. Do đó sẽ gây ra một
biến đổi điện thế trong mạch được xem như là một xung. Vì vậy, từ đầu ra của ống
đếm chúng ta có thể ghi nhận sự có mặt của bức xạ ion hoá.
Độ cao xung

Vùng
Vùng buồng ion Vùng tỷ lệ Geiger - Muller

Vùng phóng
điện liên tục
(5)

(4)
(3)
(2)
Vùng tái hợp

(1)

Điện thế

Hình 1.7. Sự thay đổi độ cao xung khi điện áp thay đổi.
Khi điện áp đặt vào khác nhau, quá trình ion hóa chất khí khác nhau, dẫn đến
kích thước xung cũng thay đổi. Do đó, có các loại ống đếm khí khác nhau tương ứng
với các vùng điện thế, như là buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger - Muller.
Hình 1.7 chỉ ra sự thay đổi kích thước xung khi điện thế vào được tăng lên.
1.2.2.2 Vùng Geiger - Muller
Các bộ đếm Geiger - Muller hoạt động trong vùng Geiger - Muller (G - M) được
giới thiệu trong hình 1.7. Khi điện trường đủ lớn, electron đủ mạnh có thể ion hóa

các phân tử khí trung hòa thành cặp ion – electron mới (ion hóa thứ cấp). Các electron
mới lại được tăng tốc, tiếp tục ion hóa các phân tử khác. Quá trình nhân electron cứ
như thế diễn ra tạo thành một dòng thác trong lúc chúng di chuyển đến anot, do đó số
cặp ion – electron được tăng lên rất nhiều so với ban đầu. Vì vậy, trong ống đếm có

15


sự khuếch đại xung. Đặc trưng của ống đếm G-M là có một vùng trong đó tốc độ đếm
không thay đổi khi tăng điện thế nuôi, gọi là vùng plateau.
Do việc số cặp ion liên tục được tạo ra nên sự phóng điện có thể xảy ra dọc dây
anot. Trong trường hợp đó sẽ tạo ra nhiều xung có cùng biên độ và không phản ánh
bất kỳ tính chất nào của hạt. Để giúp cho sự dập tắt sự phóng điện có thể sử dụng một
khí thích hợp như các khí hữu cơ (ví dụ ethyl alcohol) hoặc các halogen (ví dụ
chlorine, bromine) thêm vào trong bình khí [4].
Bên cạnh ưu điểm nhỏ, nhẹ, dễ di chuyển, ống đếm G-M còn đủ nhạy để đo các
suất liều thấp. Thêm nữa, xung lối ra cỡ vài volt nên tín hiệu không cần phải khuyếch
đại trước và mạch có thể được bảo quản đơn giản. Một trong những nhược điểm của
một bộ đếm G - M là phân giải thời gian của chúng dài, cỡ 100 đến 300 micro giây.
Bên cạnh đó, độ lớn của xung lối ra không phụ thuộc năng lượng của hạt ion hoá.
Điều này có nghĩa là nó không thể phân biệt bằng điện tử giữa bức xạ alpha - beta và
cũng không thể đo hoặc phân biệt giữa các mức năng lượng của bức xạ tới. Nếu vẫn
muốn đo bức xạ alpha thì cần cửa sổ mỏng để ngăn cản bức xạ beta vào trong ống.
Ngược lại, nếu muốn đo bức xạ beta thì ta phải ngăn bức xạ alpha lại [4].

16


CHƯƠNG 2
QUY TRÌNH TỔNG HỢP K2FeO4 VÀ

THỰC NGHIỆM LOẠI BỎ URANI TRONG MẪU DUNG DỊCH
2.1

QUY TRÌNH TẠO K2FeO4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN

2.1.1

Chuẩn bị hóa chất – dụng cụ

 Hóa chất
 Natri-hydroxit NaOH dạng rắn
 Nước cất
 Kali-hydroxit KOH dạng rắn.
 Dụng cụ
 Bộ dụng cụ điện phân (nguồn điện, ampe kế, dây điện nối hai cực của
nguồn)
 Cân điện tử
 Cốc, đũa thủy tinh
 Ống lọc chất sau điện phân
 Ống ly tâm
 Đèn hồng ngoại.
2.1.2

Quy trình điện phân

Vì ưu điểm của phương pháp điện phân là các hạt electron đóng vai trò như một
hóa chất “sạch” nên độ tinh khiết của chất tạo thành sẽ cao. Đồng thời, xét về mức độ
nguy hiểm thì phương pháp này được cho rằng an toàn hơn so với hai phương pháp
ướt và khô, nên tôi đã tiến hành thực hiện quy trình điện phân gồm các bước như sau:
a. Thiết lập mô hình điện phân với cực dương là sắt, cực âm là thép.

b. Điều chế 200ml dung dịch điện phân NaOH 40% bằng cách cho 114,4g
NaOH dạng rắn vào 172ml nước cất.
c. Tiến hành điện phân trong 1h với cường độ dòng điện 1A. Trong quá trình
điện phân, một phần nguyên tử Fe hòa tan với dung dịch NaOH tạo thành
muối ferrat có màu tím như hình 2.1.

17


Hình 2.1. Mô hình điện phân và màu tím của muối ferrat tạo thành.
d. Dung dịch sau khi điện phân được cho qua ống lọc như hình 2.2, nhằm
loại bỏ mạt sắt chưa kịp hòa tan với dung dịch NaOH, cũng như chưa kịp
bám vào cực âm.

Hình 2.2. Dung dịch sau khi điện phân được cho qua ống lọc.

18