ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Thị Hà Mai NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ ION ĐẾN KHẢ NĂNG THỦY PHÂN VÀ TỒN LƯU CỦA CÁC KIM LOẠI NẶNG CHÍNH CÓ TRONG QUẶNG ĐỒNG SINH QUYỀN Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Trần Hồng Côn Hà Nội - 2014 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Hồng Côn Phản biện 1: PGS.TS Trần Thị Dung Khoa Hóa học - Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Phản biện 2: TS Nguyễn Mạnh Tường Viện Hóa học vật liệu – Viện KHCN Quân Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn thạc sĩ họp tại: Phòng Hội thảo – khoa Hóa – ĐH Khoa học Tự nhiên, lúc 14 00 ngày 27 tháng 01 năm 2015 Có thể tìm thấy luận văn tại: Thư viện trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Hiện nay, với phát triển vũ bão ngành công nghiệp, nhu cầu sử dụng kim loại ngày tăng Ngoài việc nhập lượng kim loại với chi phí cao nước ta tận dụng triệt để trữ lượng tài nguyên khoáng sản tương đối lớn đa dạng Tuy nhiên, việc khai thác khoáng sản để lại hậu nghiêm trọng cho môi trường Kim loại nặng có hầu hết mỏ khoáng sản với hàm lượng khác nhau, tuỳ thuộc vào loại khoáng sản vùng địa chất khác Trong kim loại nặng, có số nguyên tố cần thiết cho thể sống người giới hạn cho phép đấy, hàm lượng vượt giới hạn cho phép đó, chúng gây độc hại nghiêm trọng cho thể Tuy nhiên khả gây độc kim loại nặng hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái tồn chúng Mỏ đồng Sinh Quyền – Lào Cai có trữ lượng gần 100 triệu quặng, nguồn lợi cho nhiều nhà đầu tư việc khai thác Tuy nhiên, chưa đảm bảo quy định bảo vệ môi trường nên sau lấy phần quặng giàu kim loại cần khai thác bỏ toàn phần quặng nghèo khoáng sản Các kim loại nặng có quặng, tác dụng trình phong hóa tự nhiên bị phân hủy, thủy phân, hòa tan kết tủa để vận chuyển tồn lưu, có ảnh hưởng to lớn đến môi trường sinh thái, sức khỏe người động thực vật Vì vậy, lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng số ion đến khả thủy phân tồn lưu kim loại nặng có quặng đồng Sinh Quyền” Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược trữ lượng quặng đồng Việt Nam mỏ đồng Sinh Quyền 1.1.1 Trữ lượng phân bố quặng đồng sunfua Việt Nam 1.1.2 Trữ lượng quặng đồng sunfua mỏ đồng Sinh Quyền 1.1.3 Một số loại quặng chủ yếu mỏ đồng Sinh Quyền 1.1.3.1 Chalcopyrit CuFeS2 1.1.3.2 Pyrotin Fe1-xS 1.1.3.3 Magnetit 1.1.3.4 Pyrit FeS2 1.1.4 Các quy trình khai thác quặng Việt Nam 1.1.4.1 Thăm dò địa chất 1.1.4.2 Khai thác 1.1.4.3 Tuyển quặng 1.1.4.4 Tuyển 1.1.4.5 Tuyển trọng lực 1.1.4.6 Lọc 1.1.4.7 Quản lý chất thải 1.1.4.8 Luyện tinh chế 1.1.4.9 Cải tạo 1.2 Nguy ô nhiễm kim loại nặng bãi thải khai thác chế biến khoáng sản 1.2.1 Nguồn gây ô nhiễm 1.2.2 Con đường phát tán kim loại nặng chất độc hại vào môi trường 1.3 Tình trạng ô nhiễm khu vực khai thác quặng Việt Nam 1.3.1 Tại mỏ quặng Việt Nam 1.3.2 Tại khu vực mỏ đồng Sinh Quyền 1.4 Quá trình phong hoá quặng 1.4.1 Phong hoá vật lý 1.4.2 Phong hoá hoá học 1.4.3 Phong hoá sinh học 1.5 Các trình sau phong hóa quặng 1.5.1 Quá trình tạo kết tủa 1.5.2 Quá trình tạo phức 1.5.3 Quá trình thủy phân 1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân tạo kết tủa 1.6 Ảnh hưởng kim loại nặng đến thể sống người 1.6.1 Sắt 1.6.2 Cadimi 1.6.3 Chì 1.6.4 Coban 1.6.5 Crom 1.6.6 Đồng 1.6.7 Kẽm 1.6.8 Mangan 1.6.9 Niken Chương 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 2.3 Các phương pháp nghiên cứu 2.4 Danh mục hoá chất thiết bị cần thiết cho nghiên cứu 2.5 Thực nghiệm 2.5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới thủy phân kim loại nặng có quặng 2.5.2 Ảnh hưởng pH nồng độ Fe3+ thủy phân kim loại nặng 2.5.3 Ảnh hưởng pH nồng độ Cu2+ thủy phân kim loại nặng 2.5.4 Ảnh hưởng pH tương tác kim loại nặng có thành phần giống quặng thủy phân điều kiện tương tự phong hóa Chương KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới thủy phân kim loại nặng có quặng Hình 3.1 Khảo sát ảnh hưởng pH Từ đồ thị ta thấy pH có giá trị - nồng độ ion kim loại giảm không đáng kể Điều giải thích giá trị pH M n+ bị thủy phân tạo phức hydroxo bắt đầu tạo lượng nhỏ kết tủa M(OH) n Dạng tan kim loại pH chủ yếu M n+, phần chứa phức M(OH) (n-1)+ , M(OH) (n-2)+ Khi pH > 4, nồng độ ion kim loại giảm nhiều không giống kim loại khác tích số tan hidroxit tương ứng khác nhau, nên khả thủy phân tạo kết tủa khác Khi môi trường có tính bazơ (pH > 8), đa số kim loại dễ dàng tạo kết tủa M(OH) n theo phương trình: Khi pH > 10, hầu hết kim loại ( Ni, Co, Cd ) nằm kết tủa dạng hidroxit, nồng độ ion kim loại nặng dung dịch giảm, ion kim loại bị lắng đọng chỗ, không phát tán gây ô nhiễm môi trường 10 3.3 Ảnh hưởng pH nồng độ Cu 2+ thủy phân kim loại nặng 3.3.1 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Pb2+ Hình 3.9 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Pb2+ Từ đồ thị ta thấy, pH = 3, nồng độ ion Cu 2+ tăng dần, nồng độ Pb 2+ thay đổi không đáng kể điều kiện này, môi trường axit mạnh, kim loại bị thủy phân Khi pH = – 6, môi trường đột ngột thay đổi chuyển từ môi trường axit sang môi 22 trường trung tính nên Pb 2+ thủy phân đáng kể làm nồng độ ion Pb 2+ dung dịch giảm mạnh Nhưng khoảng pH này, nồng độ Cu 2+ tăng dần, thủy phân Pb2+ xảy chậm Còn khoảng pH = – 11, môi trường có tính bazơ, Cu 2+ thủy phân đáng kể, tạo hidroxit không tan Ở điều kiện này, Pb2+ bị thủy phân toàn kết tủa Pb(OH) hấp phụ hết vào Cu(OH) lắng xuống nên điều kiện môi trường bazơ mạnh, Pb(OH) bị hoàn tan không đáng kể tạo PbO 2-, hàm lượng chì dung dịch tăng không đáng kể khoảng pH 3.2.2 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Co2+ 23 Hình 3.10 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Co2+ Khi pH tăng dần từ pH = – 10, nồng độ ion Co2+ dung dịch giảm dần ion bị thủy phân Tuy nhiên, nồng độ ion Cu2+ tăng dần nồng độ Coban dung dịch lại giảm dần Trong khoảng pH từ 10 – 11, nồng độ Co2+ giảm không đáng kể, nồng độ ion Cu2+ tăng lượng Co2+ lớn bị thủy phân nằm kết tủa khoảng pH trước 24 3.3.3 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Ni2+ Hình 3.11 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Ni2+ Từ đồ thị ta thấy pH tăng dần, nồng độ niken dung dịch giảm dần, khoảng pH này, nồng độ ion đồng tăng trình thủy phân đồng xảy mạnh làm lượng kết tủa Cu(OH) tăng Trong trình kết tủa lắng xuống, cộng kết ion niken dung dịch làm nồng độ niken giảm dần 25 Ta thấy [Cu2+ ] = 100 ppm giá trị pH lớn thí nghiệm (pH = 11) nồng độ niken dung dịch cao nguyên tố khác ([Ni2+ ] = 1,042 ppm) 3.3.4 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Mn2+ Hình 3.12 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Mn2+ Khi chưa có mặt ion đồng dung dịch, nồng độ ion mangan dung dịch lớn bắt đầu giảm pH = Nhưng có mặt ion đồng nồng độ mangan dung dịch giảm pH = nồng độ 26 đồng tăng nồng độ mangan giảm nhanh điều kiện Bắt đầu từ pH = 5, đồng bắt đầu thủy phân tạo hidroxit không tan, kết tủa tạo thành hấp phụ phần ion mangan dung dịch làm nồng độ ion dung dịch giảm nhanh Nồng độ đồng dung dịch lớn, trình thủy phân đồng xảy nhanh hơn, lượng kết tủa tạo thành nhiều cộng kết lượng mangan lớn làm nồng độ mangan dung dịch giảm nhiều Khi pH > 9, mangan thủy phân tạo Mn(OH)2 không tan, lượng kết tủa lắng xuống với Cu(OH)2 làm nồng độ ion Mn2+ dung dịch giảm 3.3.5 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Cr3+ 27 Hình 3.13 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Cr3+ Từ đồ thị ta thấy rằng, có mặt ion đồng dung dịch thủy phân Crom thay đổi không nhiều Có thể giải thích rằng, K s Cr(OH) bé nên thủy phân trước Cu 2+, khoảng pH = – 5, khoảng pH > 5, lượng Cr3+ dung dịch lại nên đồng thủy phân ảnh hưởng không nhiều đến thủy phân crom 3.3.6 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Cd2+ 28 Hình 3.14 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Cd2+ Từ kết thu được, ta thấy khoảng pH = – 9, pH tăng dần nồng độ Cadimi dung dịch giảm nhanh, khoảng pH này, nồng độ ion đồng tăng trình thủy phân đồng xảy tạo kết tủa Cu(OH)2, giữ ion Cadimi, đồng thời cộng kết với lượng Cd(OH)2 tạo thành dung dịch làm nồng độ Cadimi giảm dần Khi pH > 9, tăng pH hay nồng độ đồng nồng độ Cadimi giảm không đáng kể 29 3.3.7 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Zn2+ Hình 3.15 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu2+ thủy phân Zn2+ Từ kết thu được, ta thấy pH tăng dần từ pH = đến pH = 9, nồng độ kẽm dung dịch giảm dần, khoảng pH này, nồng độ ion đồng tăng dần từ 10 ppm đến 50 ppm nồng độ kẽm tăng theo Nồng độ ion Zn2+ giảm nhiều khoảng từ pH = – Khi pH > 8, có mặt ion Cu2+ dung dịch, nồng độ kẽm 30 giảm pH tăng dần, giá trị pH định, nồng độ đồng tăng dần nồng độ ion kẽm dung dịch tăng tăng chậm so với khoảng pH trước 3.4 Ảnh hưởng pH tương tác kim loại nặng có thành phần giống quặng đến thủy phân tồn lưu điều kiện tương tự phong hóa Hình 3.16 Ảnh hưởng pH tương tác ion có thành phần, tỷ lệ tương tự quặng thủy phân ion lại 31 Khi pH = 1, ion chưa bị thủy phân, ta coi nồng độ ban đầu ion dung dịch với tỷ lệ tương tự quặng Nhìn vào đồ thị ta thấy, sắt bị thủy phân sớm nhất, sau đến ion đồng (ngay từ pH < 4) Mặt khác, đồng sắt chiếm tỷ lệ lớn quặng nên lượng Fe(OH)3 Cu(OH)2 tạo thành lớn nên Fe(OH)3 hấp phụ lượng lớn ion kim loại nặng Mặt khác, Fe(OH)3 Cu(OH)2 tạo thành cộng kết với số hidroxit ion kim loại tạo thành bị thủy phân làm nồng độ nguyên tố giảm từ khoảng pH Khi pH > 4, ion Cu2+ Fe3+ gần thủy phân hoàn toàn nên trình hấp phụ Fe(OH)3 trình cộng kết hidroxit xảy dễ dàng làm nồng độ ion dung dịch tiếp tục giảm Đối với số ion kim loại mà hidroxit có tính lưỡng tính Cr(OH)3, Pb(OH)2, 32 Zn(OH)2, có mặt đầy đủ ion tương tự quặng trình hòa tan hidroxit lưỡng tính xảy sớm Như vậy, pH tăng thủy phân ion kim loại xảy nhanh (nhất pH > 7), đồng thời có mặt ion đồng sắt ảnh hưởng đến cộng kết hidroxit hấp phụ của ion kim loại nặng vào Fe(OH)3 Khi kim loại nặng lắng đọng tồn lưu vị trí đó, làm giảm vận chuyển khuếch tán ion vào môi trường 33 KẾT LUẬN Trong trình nghiên cứu, rút kết luận sau: Thủy phân ion kim loại nặng yếu tố ảnh hưởng tới vận chuyển tồn lưu kim loại nặng môi trường, yếu tố ảnh hưởng đến giải phóng kim loại vào môi trường nước nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Nghiên cứu điều kiện có mặt ion sắt ion đồng thủy phân ion kim loại nặng, ta thấy: Khi có mặt ion sắt, nồng độ ion kim loại nặng giảm nồng độ ion sắt lớn nồng độ ion lại dung dịch Đồng làm giảm nồng độ ion kim loại nặng dung dịch nên có ảnh hưởng đến nồng độ chúng dung dịch không rõ rệt 34 sắt Như vậy, có mặt sắt đồng khả ion kim loại nặng tồn lưu chỗ nhiều hơn, làm ô nhiễm môi trường chỗ, giảm khả phát tán kim loại nặng vào môi trường Các kim loại loại chịu ảnh hưởng đồng sắt, tùy vào tính chất kim loại mà ảnh hưởng khác Một số kim loại mà hidroxit có tính chất lưỡng tính Cr(OH)3, Pb(OH)2, Zn(OH)2 bị hòa tan pH tăng dần, có mặt ion Cu2+ Fe3+ trình hòa tan xảy chậm hơn, làm nồng độ ion tăng không đáng kể Trong trường hợp có mặt ion kim loại nặng với thành phần tỷ lệ tương tự quặng nồng độ kim loại nặng nước giảm nhanh hơn, khu vực khai thác quặng, kim loại nặng bị tồn lưu, giảm 35 phát tán kim loại nặng vào môi trường, giảm ô nhiễm cho môi trường 36 [...]... sau: 1 Thủy phân của các ion kim loại nặng là một trong những yếu tố ảnh hưởng tới sự vận chuyển và tồn lưu các kim loại nặng trong môi trường, là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến sự giải phóng kim loại vào môi trường nước và là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường 2 Nghiên cứu trong điều kiện có mặt ion sắt hoặc ion đồng đối với sự thủy phân của các ion kim loại nặng, ta thấy: Khi có mặt ion sắt,... pH tăng thì sự thủy phân của các ion kim loại xảy ra nhanh hơn (nhất là khi pH > 7), đồng thời sự có mặt của các ion đồng và sắt ảnh hưởng đến sự cộng kết các hidroxit và hấp phụ của của các ion kim loại nặng vào Fe(OH)3 Khi đó các kim loại nặng sẽ lắng đọng và tồn lưu tại các vị trí đó, làm giảm sự vận chuyển và khuếch tán các ion này vào môi trường 33 KẾT LUẬN Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi... 3.4 Ảnh hưởng của pH và tương tác của các kim loại nặng có thành phần giống quặng đến sự thủy phân và tồn lưu trong điều kiện tương tự phong hóa Hình 3.16 Ảnh hưởng của pH và tương tác của các ion có thành phần, tỷ lệ tương tự quặng đối với sự thủy phân của các ion còn lại 31 Khi pH = 1, các ion chưa bị thủy phân, ta coi đây là nồng độ ban đầu của các ion trong dung dịch với tỷ lệ tương tự như trong quặng. .. của các ion kim loại nặng 3.2 Ảnh hưởng của pH và nồng độ ion Fe 3+ đối với sự thủy phân của các ion kim loại nặng 3.2.1 Ảnh hưởng của pH và nồng độ ion Fe3+ đối với sự thủy phân của Pb2+ Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH và nồng độ ion Fe3+ đối với sự thủy phân của Pb2+ 12 Từ kết quả thu được, ta thấy trong khoảng pH = 3 – 5, và nồng độ của Fe 3+ thay đổi từ 10 – 20 ppm thì thấy sự giảm nồng độ chì trong dung... độ của các ion kim loại nặng giảm đi và nồng độ ion sắt càng lớn thì nồng độ các ion còn lại trong dung dịch càng Đồng cũng làm giảm nồng độ các ion kim loại nặng trong dung dịch nên cũng có ảnh hưởng đến nồng độ của chúng trong dung dịch nhưng không rõ rệt 34 như sắt Như vậy, khi có mặt sắt và đồng thì khả năng các ion kim loại nặng tồn lưu tại chỗ nhiều hơn, làm ô nhiễm môi trường tại chỗ, giảm khả. .. tại chỗ, giảm khả năng phát tán của kim loại nặng vào môi trường 3 Các kim loại loại đều chịu ảnh hưởng của đồng và sắt, tùy vào tính chất của kim loại mà sự ảnh hưởng khác nhau Một số kim loại mà hidroxit có tính chất lưỡng tính như Cr(OH)3, Pb(OH)2, Zn(OH)2 có thể bị hòa tan khi pH tăng dần, nhưng khi có mặt các ion Cu2+ và Fe3+ thì quá trình hòa tan xảy ra chậm hơn, làm nồng độ các ion tăng nhưng không... tan hơn, đồng thời một lượng lớn ion kẽm bị hấp phụ bởi Fe(OH)3 vẫn ở dạng ion nên không bị hòa tan ở môi trường bazơ 21 3.3 Ảnh hưởng của pH và nồng độ Cu 2+ đối với sự thủy phân của các kim loại nặng 3.3.1 Ảnh hưởng của pH và nồng độ ion Cu2+ đối với sự thủy phân của Pb2+ Hình 3.9 Ảnh hưởng của pH và nồng độ ion Cu2+ đối với sự thủy phân của Pb2+ Từ đồ thị ta thấy, tại pH = 3, khi nồng độ ion Cu 2+... = 100 ppm và tại giá trị pH lớn nhất trong thí nghiệm (pH = 11) thì nồng độ của niken trong dung dịch vẫn cao hơn các nguyên tố khác ([Ni2+ ] = 1,042 ppm) 3.3.4 Ảnh hưởng của pH và nồng độ ion Cu2+ đối với sự thủy phân của Mn2+ Hình 3.12 Ảnh hưởng của pH và nồng độ ion Cu2+ đối với sự thủy phân của Mn2+ Khi chưa có mặt ion đồng trong dung dịch, nồng độ ion mangan trong dung dịch khá lớn và bắt đầu... trong quặng Nhìn vào đồ thị ta thấy, sắt bị thủy phân sớm nhất, sau đó đến ion đồng (ngay từ pH < 4) Mặt khác, đồng và sắt chiếm tỷ lệ khá lớn trong quặng nên lượng Fe(OH)3 và Cu(OH)2 tạo thành khá lớn nên Fe(OH)3 hấp phụ một lượng khá lớn các ion kim loại nặng Mặt khác, Fe(OH)3 và Cu(OH)2 tạo thành cộng kết với một số hidroxit của các ion kim loại tạo thành do bị thủy phân làm nồng độ các nguyên tố giảm... pH và nồng độ ion Cu2+ đối với sự thủy phân của Cr3+ Từ đồ thị ta thấy rằng, khi có mặt ion đồng trong dung dịch thì sự thủy phân của Crom thay đổi không nhiều Có thể giải thích rằng, K s của Cr(OH) 3 khá bé nên đã thủy phân trước cả Cu 2+, ngay trong khoảng pH = 4 – 5, và ở các khoảng pH > 5, lượng Cr3+ trong dung dịch còn lại khá ít nên khi đồng thủy phân cũng ảnh hưởng không nhiều đến sự thủy phân