ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trƣơng Thị Tâm NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢI PHÓNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TỪ CÁC BÃI THẢI, QUẶNG ĐUÔI NGHÈO PYRIT (FeS 2 ) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trƣơng Thị Tâm NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢI PHÓNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TỪ CÁC BÃI THẢI, QUẶNG ĐUÔI NGHÈO PYRIT (FeS 2 ) Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng Mã số: 60 8502 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đồng Kim Loan HÀ NỘI – 2012 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Khoáng vật sunfua 3 1.1.1. Đặc điểm chung các khoáng vật sunfua 3 1.1.2. Quặng pyrit sắt 4 1.2. Quá trình phong hóa quặng sunfua 8 1.2.1. Phân loại quá trình phong hóa 8 1.2.2. Quá trình oxy hóa các mỏ sunfua 13 1.3. Hiện trạng ô nhiễm và các tác động của KLN đến môi trƣờng khu vực khai thác quặng và vùng lân cận 16 1.3.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng 16 1.3.2. Ảnh hƣởng của kim loại nặng đến môi trƣờng và cơ thể sống 20 1.3.3. Giới thiệu một số KLN và tác động của chúng đến môi trƣờng, con ngƣời . 21 Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 29 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 29 2.2.1. Phƣơng pháp kế thừa 29 2.2.2. Khảo sát thực địa 29 2.2.3. Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm 30 2.3. Nội dung nghiên cứu 31 2.3.1. Danh mục hoá chất, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu 31 2.3.2. Nghiên cứu các ảnh hƣởng đến khả năng cộng kết – hấp phụ các kim loại nặng lên sắt (III) hydroxit 32 2.3.3. Nghiên cứu quá trình phong hoá giải phóng KLN trong điều kiện ngập nƣớc có tích lũy 33 2.3.4. Nghiên cứu quá trình phong hoá giải phóng KLN trong điều kiện xung nƣớc có tích lũy 35 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1. Quá trình kết tủa, cộng kết và hấp phụ của các KLN 36 3.1.1. Quá trình oxi hóa- thủy phân và các dạng kết tủa của sắt 36 3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ ion sắt(II) đến khả năng cố định một số kim loại nặng Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn 36 3.1.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng kết tủa hydroxit Fe(III) và cộng kết một số kim loại nặng 38 3.2. Kết quả nghiên cứu giải phóng KLN trong điều kiện ngập nƣớc có tích lũy 40 3.2.1. Sự biến thiên pH và nồng độ của các KLN trong quá trình phong hoá trên mô hình các bãi thải, quặng đuôi nghèo pyrit 40 3.2.2. Sự biến thiên nồng độ của ion sunfat (SO42-) 45 3.2.3. Kết quả khảo sát các ảnh hƣởng đến quá trình phong hoá giải phóng các KLN trong điều kiện ngập nƣớc 47 3.3. Kết quả nghiên cứu giải phóng KLN trong điều kiện xung có tích lũy 51 3.3.1. Sự biến thiên pH và nồng độ các ion KLN trong quá trình phong hoá trên mô hình bãi thải, quặng đuôi nghèo pyrtit trong điều kiện xung 51 3.3.2. Sự biến thiên nồng độ ion sunfat trong điều kiện xung 56 3.4. So sánh khả năng giải phóng KLN từ hai điều kiện phong hóa bãi thải, quặng đuôi nghèo pyrit 58 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Danh mục thiết bị cần thiết cho nghiên cứu 31 Bảng 2. Danh mục hoá chất cần thiết cho nghiên cứu 32 Bảng 3. Thành phần nƣớc mƣa tự pha [12] 34 Bảng 4. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng nồng độ Fe(II) đến khả năng cố định các kim loại Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn. 37 Bảng 5. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng cố định Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn. 38 Bảng 6. Sự biến thiên pH và nồng độ các KLN trong điều kiện ngập nƣớc 40 Bảng 7. Biến thiên nồng độ của SO 4 2- 45 Bảng 8. Ảnh hƣởng của pH đến quá trình giải phóng kim loại từ quặng trong điều kiện ngập nƣớc 47 Bảng 9. Ảnh hƣởng của ion photphat đến khả năng giải phóng kim loại từ quặng 49 Bảng 10. Biến thiên của pH và nồng độ các KLN trong điều kiện xung 54 Bảng 11. Biến thiên nồng độ ion sunfat trong điều kiện xung 56 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Thiết bị cho quá trình phong hoá giải phóng kim loại trong điều kiện ngập nƣớc 34 Hình 2. Ảnh hƣởng của nồng độ Fe(II) đến hiệu suất tách loại ion của các kim loại Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn 37 Hình 3. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng cố định Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn 39 Hình 4a . Biến thiên của pH và nồng độ Fe, Cu, Zn, Pb trong điều kiện ngập nƣớc 41 Hình 4b. Sự biến thiên pH và nồng độ As, Cd trong điều kiện ngập nƣớc 42 Hình 5. Biến thiên hàm lƣợng sunfat trong điều kiện ngập nƣớc 46 Hình 6a. Ảnh hƣởng của pH đến quá trình giải phóng Zn,Cu, Fe, Pb, Ni. 48 Hình 6b. Ảnh hƣởng của pH đến quá trình giải phóng Cr, Mn, Co, As, Cd. . 48 Hình 7a. Ảnh hƣởng của ion photphat đến khả năng giải phóng kim loại Fe, Ni, Cu, Zn, Pb 50 Hình 7b. Ảnh hƣởng của ion photphat đến khả năng giải phóng kim loại Cr, Mn, Co, As,Cd 50 Hình 8a. Biến thiên của pH và nồng độ các của các kim loại Fe, Cu, Zn, Pb trong điều kiện xung 52 Hình 8b. Biến thiên nồng độ của các kim loại Mn, Co, Ni, As, Cd, Cr trong điều kiện xung 53 Hình 9. Biến thiên nồng độ ion sunfat trong điều kiện xung 58 Hình 10. Biến thiên nồng độ Cu trong điều kiện ngập nƣớc và xung 59 Hình 11. Biến thiên nồng độ sắt trong điều kiện ngập nƣớc và xung 59 Hình 12. Biến thiên nồng độ kẽm trong điều kiện ngập nƣớc và xung 60 Hình 13. Biến thiên nồng độ chì trong điều kiện ngập nƣớc và xung 61 Hình 14. Biến thiên nồng độ mangan trong điều kiện ngập nƣớc và xung 61 Hình 15. Biến thiên nồng độ coban trong điều kiện ngập nƣớc và xung 62 Hình 16. Biến thiên nồng độ niken trong điều kiện ngập nƣớc và xung 62 Hình 17. Biến thiên nồng độ Asen trong điều kiện ngập nƣớc và xung 63 Hình 18. Biến thiên nồng độ cadmi trong điều kiện ngập nƣớc và xung 63 Hình 19. Biến thiên nông độ crom trong điều kiện ngập nƣớc và xung 64 1 MỞ ĐẦU Việt nam là quốc gia có tiềm năng về khai thác khoáng sản với khoảng 5000 mỏ quặng và 60 loại khoáng sản khác nhau. Tuy nhiên, việc khai thác còn nhiều bất cập do trình độ quản lý, ý thức con ngƣời, công nghệ khai thác non kém và lạc hậu nên đã để lại những hệ lụy xấu cho môi trƣờng. Đa số các mỏ khai thác hiện nay là bán thủ công, chỉ lấy các phần quặng giàu, bỏ đi toàn bộ các phần quặng nghèo và khoáng sản đi cùng. Đây là nguyên nhân chính làm ô nhiễm nghiêm trọng môi trƣờng tự nhiên và hệ sinh thái, mà điển hình là khu vực quanh bãi chứa đất đá thải và quặng đuôi- một lƣợng chất thải rắn khổng lồ đã mang theo nhiều các kim loại nặng (KLN), dòng thải lỏng mang tính axit và các tác nhân hóa học thải vào môi trƣờng. Trong các KLN, chỉ có một số nguyên tố là cần thiết cho các sinh vật ở một ngƣỡng nồng độ tới hạn nào đấy nhƣ Cu, Zn, Mn, Mo…; còn đa số với đặc tính bền vững trong môi trƣờng đều có khả năng gây độc ở liều lƣợng thấp và tích lũy lâu dài trong chuỗi thức ăn. Tuy nhiên khả năng gây độc của các KLN hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái tồn tại của chúng. Nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ Đức, Anh, Pháp đã thành lập các bản đồ địa hóa các nguyên tố độc hại trên diện tích đã khai thác mỏ, có tập trung đông dân, chăn nuôi và trồng trọt hoa màu, cây ăn quả. Ở Việt Nam các nghiên cứu về vấn đề này hầu nhƣ chƣa có, nhƣng bằng chứng về các tác động xấu tới sức khỏe con ngƣời, hủy diệt và làm suy thoái hệ sinh thái khu vực thì quá nhiều. Một trong những điểm “ nóng ” về ô nhiễm môi trƣờng do khai thác quặng là sự kiện “làng ung thƣ Thạch Sơn” (Giáp lai, Thanh Sơn, Phú Thọ) [6,15]. Ngoài tác động đến sức khỏe con ngƣời do ô nhiễm từ khai thác và chế biến khoáng sản, còn phát hiện thấy sự tồn lƣu của các KLN trong sản phẩm chè trồng tại vùng mỏ thiếc huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên [16], Môi trƣờng nhiều điểm nhƣ mỏ kẽm, chì Làng Hích (Thái Nguyên), mỏ đồng Sinh Quyền (Lào Cai), khai trƣờng của các nhà máy xi măng Bút Sơn, Bỉm Sơn, Tam Điệp đều bị ô nhiễm nặng nề. 2 Nồng độ các KLN nhƣ đồng, chì, kẽm, sắt… trong các nguồn nƣớc tiếp nhận ở xung quanh nhiều điểm mỏ đều cao hơn mức cho phép nhiều lần (từ 1,5 đến 7 lần) [1]. Ngoài ra, một số khu vực có khả năng hình thành dòng thải axit mỏ trong khai thác quặng sunfua do chất độc tồn dƣ trong quặng thải [5]. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu khả năng giải phóng một số kim loại nặng từ các bãi thải, quặng đuôi nghèo pyrit (FeS 2 )” đã đƣợc lựa chọn nhằm mục đích: - Nghiên cứu khả năng phong hóa giải phóng KLN từ quặng đuôi nghèo FeS 2 ra môi trƣờng trong điều kiện ngập nƣớc và xung (thấm từng đợt) nƣớc. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phong hóa và các quá trình tƣơng tác biến đổi cũng nhƣ chuyển hóa các sản phẩm sau phong hóa. Trên cơ sở đó đề xuất biện pháp quản lý để giảm thiểu tác động của việc khai thác khoáng đến môi trƣờng, hệ sinh thái nói chung và sức khỏe con ngƣời nói riêng. 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Khoáng vật sunfua 1.1.1. Đặc điểm chung các khoáng vật sunfua [12] Hiện nay, số lƣợng các khoáng vật sunfua và các hợp chất tƣơng tự đƣợc tìm thấy lên tới 350 loại. Theo tính toán của Vernadsky, chúng chiếm 0,15% trọng lƣợng toàn bộ vỏ Trái đất. Các kim loại đặc trƣng trong khoáng sunfua là Fe, Cu, Pb, Zn, Sb, Ag, Bi, Co, Ni, trong đó Fe thƣờng chiếm tỷ trọng lớn. Một số các kim loại trong sunfua thƣờng có số phối trí là 6, nhƣ Fe trong khoáng vật pyrotin Fe 1-n S; một số khác có số phối trí 3 nhƣ Pb trong galenit PbS hay As, Sb, Bi cũng thƣờng có số phối trí 3; Hg, Cu, Ag có số phối trí 4, đôi khi có số phối trí 2 (trong trƣờng hợp này sẽ tạo nên mạch xoắn). Trong sunfua tồn tại liên kết cộng hoá trị - phân tử, các nguyên tố thƣờng có cùng số phối trí, ví dụ trong realgar (As 4 S 4 ) Sunfua có thể là những hợp chất đơn giản, nhƣng cũng có thể tạo thành hợp chất kép hoặc những hợp chất chứa nhiều nguyên tố khác nhau gọi là sulfo – muối nhƣ một số khoáng vật sunfua dƣới đây: Sunfua kép Sulfo – muối Covelin Cu 2 S.CuS 2 Pyrargyrit Ag 3 SbS 3 Chalcopyrit Cu 2 S.Fe 2 S 3 Burnonit PbCuSbS 3 Trong một số sunfua, lƣu huỳnh bị mất đi khi nung nóng nhƣ pyrit (FeS 2 ), arsenopyrit (FeAsS). Vernadsky coi những khoáng vật này là các hợp chất của H 2 S 2 . Đa số khoáng vật sunfua đều kết tinh ở các hệ tinh thể hạng cao, trừ một số khoáng vật và sulfo – muối kết tinh ở các hệ tinh thể hạng thấp. Khoáng vật sunfua thƣờng có dạng tinh thể đẹp, đặc biệt là sunfua và disunfua của sắt, niken, coban, kẽm và chì. Các loại sulfo - muối và sunfua của nguyên tố bán kim loại thƣờng có dạng tập hợp hạt, sợi, vảy. Các sunfua thƣờng gặp đa phần là các loại song tinh đa hợp, liên tinh song song, liên tinh của các khoáng vật khác nhau nhƣ liên tinh của pyrit – marcasit, tetrahedrit – sphalerit, tetrahedrit – chalcopyrit. [...]... PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu -Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là các kim loại nặng bị phong hóa từ quặng pyrit sắt (FeS2) vào môi trƣờng nƣớc và đất -Phạm vi nghiên cứu của luận văn là đất đá thải và quặng đuôi nghèo pyrit của điểm khai thác mỏ quặng pyrit Giáp Lai, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Phƣơng pháp kế thừa Thu thập các công trình,... nghèo có chứa pyrit Từ đó, đánh giá khả năng phong hoá của loại quặng này, hiểu đƣợc hiện tƣợng giải phóng các kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc và các quá trình tƣơng tác chuyển hoá của chúng 2.2.2 Khảo sát thực địa Đây là phƣơng pháp bắt buộc trong nghiên cứu về tài nguyên và môi trƣờng Tác giả đã điều tra khảo sát hiện trạng ô nhiễm của bãi thải, quặng đuôi nghèo pyrit để tìm hiểu các yếu tố có... vật Các nguyên tố kim loại nặng giải phóng vào môi trƣờng nƣớc theo nhiều cách khác nhau Trong đó có nguồn từ quá trình phong hoá các bãi thải, quặng đuôi nghèo tại các khu vực khai thác quặng và sự hoà tan của các sản phẩm tạo thành sau quá trình phong hoá vào môi trƣờng nƣớc và đất Trên cơ sở đó, chúng tôi đã thiết kế một hệ thống thí nghiệm có điều kiện tƣơng tự nhƣ tại những bãi thải, quặng đuôi nghèo. .. hòa tan nhiều loại khoáng chất, đất đá và nham thạch Theo một số nghiên cứu, quá trình hòa tan phụ thuộc nhiều vào thành phần của nham thạch và các khoáng vật Đối với các khoáng vật có chứa các muối dễ bị hòa tan nhƣ muối clorua, muối sunfat của các cation kim loại kiềm thì khả năng hòa tan của các khoáng vật trong nƣớc là rất lớn Nhƣng đối với một số loại nham thạch khác nhƣ đá vôi và quặng đôlômit... hoà tan; Từ đó, tạo thành nên một loạt khoáng vật thứ sinh: oxit, cacbonat, sunfat, arsenat, silicat và các kim loại tự sinh Trong quá trình oxyhóa quặng sunfua xảy ra quá trình phân dị kim loại, vì các kim loại tạo thành các sunfat khó tan sẽ bị giữ lại trong đới oxyhóa lâu hơn so với các kim loại tạo hợp chất sunfat dễ tan.Hƣớng chung của quá trình phong hoá khoáng vật sunfua là dẫn tới giải phóng lƣu... gấp 49 lần Việc khai thác mỏ thiếc, quặng đuôi thƣờng chứa arsenopyrit (1 – 2%), chalcopyrit (1%) và pyrit (10 – 15%) [1, 5, 6] Các khoáng vật sunfua này bị oxi hoá tạo ra dòng thải axit mỏ có nồng độ các kim loại cao Sự lan toả của As và sự oxyhoá các kim loại độc hại nhƣ Cu, Cd từ các dòng thải axit mỏ qua các đống thải cũng đã không đƣợc chú ý Có nơi nƣớc thải từ mỏ và xƣởng tuyển đƣợc thải trực... hai loại quặng: eluvi-deluvi và quặng gốc Năm 1984, chùm thân quặng số 4 đƣợc thăm dò tỉ mỉ Pyrit trong các lớp eluvi- deluvi nằm gần song song với nhau, theo thứ tự từ trên xuống gồm các thân 4, 4a, 4b, 4c Tụ khoáng có 20 thân quặng gốc, trong đó có 4 thân chứa asenopyrit Hàm lƣợng quặng giàu đạt tới 20 %, xâm tán trong đá hoa là 5-6 % Khoáng vật quặng chủ yếu là pyrit, pyrotin, arsenopyrit; Trong pyrit. .. nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép Ngoài ra, các mẫu đất tại cánh đồng lúa và rừng cũng đƣợc nghiên cứu đều thu đƣợc kết quả đất mặt tại khu vực này có mức độ ô nhiễm ít hơn so với khu vực bãi thải nhƣng nồng độ của các kim loại trên đều vƣợt qua tiêu chuẩn cho phép từ 3 đến 7 lần Không chỉ có đất mặt có nồng độ kim loại cao mà khả năng tích luỹ kim loại cũng rất lớn trong cây trồng Trong đậu tƣơng... khoáng sản là một trong những nguồn gây ô nhiễm có tác động mạnh nhất lên tất cả các hệ sinh thái trên mặt đất và con ngƣời, mà đặc biệt là tác động của các kim loại nặng Ô nhiễm KLN là một trong các loại hình ô nhiễm rất nguy hiểm của môi trƣờng Bản thân đất đá và các mạch quặng, thân quặng khu vực mỏ đã có hàm lƣợng tập trung cao của các KLN Trong quá trình tồn tại, chúng chịu tác động của các quá trình... Cu2SO4 + Ag2S (Argentit) Do đó ở mỏ sunfua, tại ranh giới với quặng nguyên sinh có một đới làm giàu quặng chứa hàm lƣợng lớn các kim loại và sunfua thứ sinh, đới này có giá trị lớn Một số nguyên tố nhƣ Ag, Cu tập trung trong đới làm giàu quặng nhiều hơn trong đới quặng nguyên sinh 1.2.2.2 Quá trình oxy hóa quặng pyrit Quá trình oxy hóa pyrit xảy ra theo sơ đồ sau: 2FeS2 + 4O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4 . Nghiên cứu khả năng giải phóng một số kim loại nặng từ các bãi thải, quặng đuôi nghèo pyrit (FeS 2 )” đã đƣợc lựa chọn nhằm mục đích: - Nghiên cứu khả năng phong hóa giải phóng KLN từ quặng đuôi. Thị Tâm NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢI PHÓNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TỪ CÁC BÃI THẢI, QUẶNG ĐUÔI NGHÈO PYRIT (FeS 2 ) Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng Mã số: 60 8502 LUẬN. KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trƣơng Thị Tâm NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢI PHÓNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TỪ CÁC BÃI THẢI, QUẶNG ĐUÔI NGHÈO PYRIT (FeS 2 ) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC