Luận văn Nghiên cứu thử nghiệm phân tách một số nguyên tố đất hiếm nhóm nhẹ bằng Poly(Hydroxamic Axit)

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu thử nghiệm phân tách một số nguyên tố đất hiếm nhóm nhẹ bằng Poly(Hydroxamic Axit)

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THỨC NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM PHÂN TÁCH MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NHÓM NHẸ BẰNG POLY(HYDROXAMIC AXIT) LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội: 2016 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THỨC NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM PHÂN TÁCH MỘT SỐ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM NHÓM NHẸ BẰNG POLY(HYDROXAMIC AXIT) LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ Mã số: 60440114 Ngƣời hƣớng dẫn : TS. Trịnh Đức Công Hµ Néi :2016 ii
3. LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn TS.Trịnh Đức Công đã hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Chúng tôi xin cảm ơn chân thành tới Ban Lãnh đạo Viện hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phòng vật liệu polyme, các phòng chức năng đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy, các cô, các đồng nghiệp, bạn bè và người thân đã dạy bảo, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khoá học và thực hiện thành công luận văn này. Ngày 20 tháng 12 năm 2015 Học viên Nguyễn Thị Thức iii
4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii MỤC LỤC ................................................................................................................ iv DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 3 1.1. Các đặc điểm và tính chất của nguyên tố đất hiếm ................................................... 3 1.1.1. Giới thiệu chung về đất hiếm ........................................................................ 3 1.1.2. Một số tính chất, đặc trưng của nguyên tố đất hiếm nhóm nhẹ .................... 4 1.2. Sơ lƣợc về kim loại đất hiếm nhóm nhẹ Lantan, Xeri, Praseodymi và Neodymi ... 5 1.2.1. Tính chất hóa học .......................................................................................... 5 1.2.2. Các phương pháp điều chế ............................................................................ 6 1.2.3. Tính tan ......................................................................................................... 6 1.2.4. Một số hợp chất ............................................................................................ 7 1.2.5. Phức chất của Ln3+ ........................................................................................ 9 1.3. Trữ lƣợng, tài nguyên và đặc điểm đất hiếm trên thế giới và Việt Nam ............... 10 1.4. Các phƣơng pháp tách và thu hồi đất hiếm ............................................................. 13 1.4.1. Sử dụng nhựa trao đổi ion dạng cation ....................................................... 14 1.4.2. Sử dụng nhựa trao đổi ion dạng anion ........................................................ 15 1.4.3. Sử dụng nhựa trao đổi ion dạng tạo phức ................................................... 16 1.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân tách đất hiếm bằng phương pháp trao đổi ion ................................................................................................. 18 1.5. Tình hình nghiên cứu tách và ứng dụng đất hiếm ở Việt Nam .............................. 19 1.6. Các nghiên cứu ứng dụng poly(hydroxamic axit) (PHA) để tách đất hiếm .......... 22 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................. 25 2.1. Hóa chất, thiết bị ........................................................................................................... 25 2.1.1. Hóa chất ...................................................................................................... 25 2.1.2. Thiết bị ........................................................................................................ 26 2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 26 2.2.1. Quá trình hấp phụ từng ion La(III), Ce(IV), Pr(III) và Nd(III) trong dung iv
5. dịch bằng PHA-PAM và PHA-VSA .......................................................... 26 2.2.2. Quá trình giải hấp từng ion kim loại ra khỏi nhựa từ dung dịch chuẩn ...... 28 2.2.3. Nghiên cứu quá trình tái sử dụng PHA-PAM ............................................ 28 2.2.4. Quá trình hấp phụ trên cột các ion La(III), Pr(III), Nd(III) và Ce(IV) từ dung dịch tổng đất hiếm nhóm nhẹ bằng PHA-PAM ................................ 29 2.2.5. Quá trình giải hấp tách từng ion La(III), Pr(III), Nd(III) và Ce(IV) từ dung dịch tổng đất hiếm nhóm nhẹ trên cột trao đổi PHA-PAM ....................... 30 2.2.6. Quá trình kết tủa và nung để thu hồi oxit đất hiếm từ các PĐ tinh khiết ... 31 2.3. Phƣơng pháp phân tích đánh giá .............................................................................. 32 2.3.1. Xác định phần trăm ion các kim loại đất hiếm đã hấp phụ bằng PHA-PAM .................................................................................................................... 32 2.3.2. Hằng số phân bố (Kd) ................................................................................. 32 2.3.3. Độ hấp phụ của polyme với các ion kim loại ............................................. 33 2.3.4. Phân tích định lượng các nguyên tố bằng ICP – OES ................................ 33 2.3.5. Phổ nhiễu xạ tia X ....................................................................................... 34 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 35 3.1. Quá trình hấp phụ từng ion La(III), Ce(IV), Pr(III) và Nd(III) từ dung dịch chuẩn bằng PHA- VSA ............................................................................................... 35 3.1.1. Ảnh hưởng của pH tới quá trình hấp phụ ................................................... 35 3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian tới quá trình hấp phụ .......................................... 36 3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại đến quá trình hấp phụ ..................... 36 3.1.4. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ .......................................................... 37 3.2. Quá trình hấp phụ từng ion La(III), Ce(IV), Pr(III) và Nd(III) từ dung dịch chuẩn bằng PHA- PAM .............................................................................................. 38 3.2.1. Ảnh hưởng của pH tới quá trình hấp phụ ................................................... 39 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian tới quá trình hấp phụ .......................................... 39 3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại ban đầu đến quá trình hấp phụ ........ 40 3.2.4. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ .......................................................... 41 3.3. Quá trình giải hấp từng ion La(III), Nd(III), Pr(III) và Ce(IV) từ dung dịch chuẩn bằng PHA- PAM .............................................................................................. 43 3.3.1. Ảnh hưởng của dung dịch rửa giải ............................................................. 43 3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch rửa giải HCl ........................................ 46 3.4. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng PHA .................................................................... 46 3.5. Quá trình tách riêng rẽ từng ion trong dung dịch tổng đất hiếm nhóm nhẹ bằng v
6. PHA trên cột trao đổi ion. .......................................................................................... 48 3.5.1. Ảnh hưởng của thể tích dung dịch và tốc độ dòng rửa giải đến quá trình rửa giải trên cột trao đổi PHA-PAM ................................................................ 49 3.5.2. Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến quá trình rửa giải trên cột trao đổi PHA- PAM ........................................................................................................... 50 3.5.3. Quá trình tách riêng rẽ từng ion La(III), Ce(IV), Pr(III) và Nd(III) từ các phân đoạn giàu tương ứng ......................................................................... 53 3.5.3.1.Quá trình tách La(III) từ PĐ giàu La ........................................................ 53 3.5.3.2. Quá trình tách Ce(IV) từ PĐ giàu Ce ...................................................... 55 3.5.3.3. Quá trình tách Pr(III) từ PĐ giàu Pr ........................................................ 57 3.5.3.4. Quá trình tách Nd(III) từ PĐ giàu Nd ...................................................... 59 3.5.4. Phân tích các oxit đất hiếm bằng phổ nhiễu xạ tia X ................................. 62 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 66 vi
7. BẢNG KÝ HIỆU NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT AM: Acrylamit APS: Amonipesunfat DTPA: Diethylen triamin pentaacetic axit ĐH: Đất hiếm EDTA: Ethylendiamintetraacetic axit HEDTA: Hydroxyethyl Ethylenediamine Triacetic axit ICP: Quang phổ phát xạ KLPT: Khối lượng Phân tử Ln: Nguyên tố đất hiếm nhóm Lantanit MBA: N,N’- metylenebisacrylamit NTA: Nitrilotriacetic axit NTĐH: Nguyên tố đất hiếm PAM: Polyacrylamit PĐ: Phân đoạn PHA: Poly(hydroxamic axit) PHA-PAM: Poly(hydroxamic axit) trên cơ sở acrylamit PHA-VSA: Poly(hydroxamic axit) trên cơ sở vinylsunfonic axit SEM: Kính hiển vi điện tử quét VSA: Vinylsulfonic axit vii
8. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các nguyên tố đất hiếm và đặc tính cơ bản ................................................ 3 Bảng 1.2: Bảng phân chia các nhóm nguyên tố đất hiếm ........................................... 4 Bảng 1.3: Cấu hình electron của nguyên tử các NTĐH ở trạng thái cơ bản .............. 4 Bảng 1.4: Tổng hợp trữ lượng và tài nguyên đất hiếm ở Việt Nam ......................... 11 Bảng 1.5: Thành phần NTĐH ở một số mỏ của Việt Nam và thế giới ..................... 12 Bảng 3.1: Độ hấp phụ cực đại tính theo Langmuir ................................................... 38 Bảng 3.2: Độ hấp phụ cực đại tính theo Langmuir ................................................... 43 Bảng 3.3: Khả năng tái sử dụng chất hấp phụ PHA đối với La(III) ......................... 47 Bảng 3.4: Khả năng tái sử dụng chất hấp phụ PHA-PAM đối với Ce(IV) ............... 47 Bảng 3.5: Khả năng tái sử dụng chất hấp phụ PHA-PAM đối với Pr(III) ................ 47 Bảng 3.6: Khả năng tái sử dụng chất hấp phụ PHA đối với Nd(III)......................... 48 Bảng 3.7: Thành phần hóa học của dung dịch đất hiếm nhóm nhẹ .......................... 48 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tốc độ và thể tích dung dịch rửa giải ............................... 49 Bảng 3.9: Thành phần các ion kim loại đất hiếm thu nhận được sau khi gom các PĐ rửa giải trên cột trao đổi PHA ................................................................................... 52 Bảng 3.10: Các phân đoạn giàu từng ion La(III), Ce(IV), Pr(III) và Nd(III) sau khi gom các PĐ rửa giải .................................................................................................. 52 Bảng 3.11: Kết quả rửa giải lần 2 phân đoạn giàu La ............................................... 54 Bảng 3.12: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 3 phân đoạn giàu La ............................ 54 Bảng 3.13: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 2 phân đoạn giàu Ce ............................ 55 Bảng 3.14: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 3 phân đoạn giàu Ce ............................ 56 Bảng 3.15: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 2 phân đoạn giàu Pr ............................. 57 Bảng 3.16: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 3 phân đoạn giàu Pr ............................. 58 Bảng 3.17: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 4 phân đoạn giàu Pr.......................58 Bảng 3.18: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 2 phân đoạn giàu Nd ........................... 59 Bảng 3.19: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 3 phân đoạn giàu Nd ........................... 60 Bảng 3.20: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 4 phân đoạn giàu Nd ........................... 61 viii
9. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cột trao đổi ion ......................................................................................... 14 Hình 1.2: Mô hình tạo phức của một số nhóm chức với kim loại ............................ 17 Hình 1.3: Nhóm chức hydroxamic ở dạng tautome hóa giữa xeton và enol ............ 22 Hình 1.4: Tương tác có thể xảy ra giữa PHA và ion kim loại .................................. 22 Hình 2.1: Hình ảnh sản phẩm PHA-PAM . 26 Hình 2.2: Hệ thống cột trao đổi ion loại nhỏ ............................................................ 29 Hình 2.3: Sơ đồ phân tách các ion kim loại đất hiếm từ dung dịch tổng đất hiếm nhóm nhẹ bằng PHA-PAM ....................................................................................... 30 Hình 2.4: Quy trình thu hồi các oxit đất hiếm bằng phương pháp kết tủa ................ 32 Hình 3.1: Ảnh hưởng của pH tới độ hấp phụ ............................................................ 35 Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian tới độ hấp phụ .................................................. 36 Hình 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đầu đến độ hấp phụ........................... 37 Hình 3.4: Đường đẳng nhiệt Langmuir ..................................................................... 38 Hình 3.5: Ảnh hưởng của pH tới quá trình hấp phụ ................................................. 39 Hình 3.6: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ ....................................... 40 Hình 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ ion kim loại đầu đến quá trình hấp phụ ............. 41 Hình 3.8: Đường đẳng nhiệt Langmuir ..................................................................... 42 Hình 3.9: Ảnh hưởng của dung dịch rửa giải đến quá trình tách ion La(III) ............ 44 Hình 3.10: Ảnh hưởng của dung dịch rửa giải đến quá trình tách ion Ce(IV) ......... 44 Hình 3.11: Ảnh hưởng của dung dịch rửa giải đến quá trình tách ion Pr(III) .......... 45 Hình 3.12: Ảnh hưởng của dung dịch rửa giải đến quá trình tách ion Nd(III) ......... 45 Hình 3.13: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch rửa giải đến khả năng tách các ion ra khỏi nhựa ................................................................................................................... 46 Hình 3.14: Đường cong rửa giải dung dịch tổng nhóm nhẹ ứng với mỗi phân đoạn bằng dung dịch HCl với nồng độ khác nhau ............................................................. 51 ix
10. Hình 3.15: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 2 phân đoạn giàu La ............................. 54 Hình 3.16: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 3 phân đoạn giàu La ............................. 55 Hình 3.17: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 2 phân đoạn giàu Ce ............................ 56 Hình 3.18: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 3 phân đoạn giàu Ce ............................ 56 Hình 3.19: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 2 phân đoạn giàu Pr ............................. 57 Hình 3.20: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 3 phân đoạn giàu Pr ............................. 58 Hình 3.21: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 4 phân đoạn giàu Pr ............................. 59 Hình 3.22: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 2 phân đoạn giàu Nd ............................ 60 Hình 3.23: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 3 phân đoạn giàu Nd ............................ 60 Hình 3.24: Kết quả hấp phụ và rửa giải lần 4 phân đoạn giàu Nd ............................ 61 Hình 3.25: Phổ nhiễu xại tia X của CeO2.................................................................. 62 Hình 3.26: Phổ nhiễu xạ tia X của oxit Pr2O3 ........................................................... 62 Hình 3.27: Phổ nhiễu xạ tia X của oxit La2O3 .......................................................... 63 Hình 3.28: Phổ nhiễu xạ tia X của oxit Nd2O3 .......................................................... 63 x