Tài liệu Nghiên cứu sử dụng k(2)feo(4) 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