Có nhiều thành phần khác nhau của đất hấp thu kim loại nặng, trong đó quan trọng nhất là chất hữu cơ, ôxít sắt tự do và khoáng sét.. đích của nghiên cứu này nhằm xác định được khả năng h
Trang 1NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP THU KIM LOẠI NẶNG
CỦA ĐẤT PHÙ SA VÀ ĐẤT XÁM BẠC MÀU TẠI HÀ NỘI
Bùi Thị Phương Loan1, Nguyễn Quang Hải2, Kazuhiko Egashira3
Summary
Heavy Metal Adsorption by Soils and Soil Components of Alluvial Soils
and Grey Degraded Soils in Hanoi, VIET AM
Heavy metal adsorption is considered as the most important mechanism for controlling the metal concentration in soil Heavy metals are bound to various soil components such as organic matter (OM), free iron oxides (Feoxs), and clay minerals (CMs) The present study is purposed to examine the adsorption of heavy metals by soils and different adsorbing soil components of alluvial soils and grey degraded soils in Hanoi
Two surface soil samples were collected from each of soil types in Hanoi and examined for the adsorption of three heavy metals (Cu, Pb and Zn) by the soils and their three adsorbing components (organic matter, free iron oxides and clay minerals)
It was found that adsorption of heavy metals by the alluvial soil was distinctly larger than by the grey degraded soil, and decreased in the sequence of Pb >> Cu > Zn for the former and of Pb >>
Zn > Cu for the latter
Pb was adsorbed by all three components with the largest adsorbed amount Zn was adsorbed selectively by organic matter and clay minerals, while Cu was selectively by organic matter and free iron oxides The amount of heavy metals adsorbed per unit mass of soil components reduced
in the sequence of organic matter > clay minerals > free iron oxides for Pb and Zn and organic matter > free iron oxides > clay minerals for Cu
Keywords: Heavy metal, adsorption, alluvial soil, grey degraded soil, Hanoi - Vietnam
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Hà Nội là thành phố chịu tác động mạnh
mẽ của quá trình công nghiệp hóa và đô thị
hoá Bên cạnh lợi ích thúc đNy phát triển
kinh tế xã hội, vấn đề ô nhiễm môi trường
trong đó có môi trường đất, nước và không
khí đang gây tác động không nhỏ đến đời
sống và nền nông nghiệp của thủ đô Một
trong những vấn đề rất đáng được quan tâm
trong sản xuất nông nghiệp đó là mức độ ô
nhiễm các kim loại nặng có nguồn gốc khác
nhau trong đất ngày càng gia tăng, cản trở
quá trình sản xuất nông sản an toàn
Khả năng hấp thu của đất được coi là yếu tố quyết định hay cơ chế quan trọng nhất chi phối hàm lượng kim loại nặng trong đất Có nhiều thành phần khác nhau của đất hấp thu kim loại nặng, trong đó quan trọng nhất là chất hữu cơ, ôxít sắt tự
do và khoáng sét Do đó, các loại đất khác nhau có thể có khả năng hấp thu khác nhau đối với cùng một kim loại nặng
Tuy nhiên cho đến nay chưa có kết quả nghiên cứu cụ thể nào về khả năng hấp thu kim loại nặng trong các loại đất và vai trò của mỗi thành phần đất đối với khả năng hấp thu kim loại nặng Chính vì vậy mục
1 Viện Môi trường N ông nghiệp
2
Viện Thổ nhưỡng N ông hóa
3
Trường Đại học Kyushu - N hật Bản
Trang 2đích của nghiên cứu này nhằm xác định
được khả năng hấp thu kim loại nặng và các
thành phần chủ yếu trong đất (đất phù sa và
đất xám bạc màu) từ đó giúp cho việc quản
lý và sử dụng hiệu quả các vùng đất trên
phục vụ sản xuất nông sản an toàn
II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠN G PHÁP
N GHIÊN CỨU
1 Mẫu đất và địa điểm lấy mẫu
Đất phù sa của hệ thống sông Hồng
(được bồi từ trầm tích sông Hồng và phần
phía trên của Sông Đuống) được lấy ở xã
Minh Khai, huyện Từ Liêm và đất xám bạc
màu phát triển trên nền phù sa cũ của hệ
thống sông Hồng và đất feralít được lấy ở
xã Phú Minh, huyện Sóc Sơn Cả 2 mẫu đất
đều được lấy trên nền canh tác lúa nước và
gần đây là rau màu hoặc lúa - màu
Mẫu được lấy ở độ sâu 0 - 15 cm, phơi
khô không khí và rây qua rây 2 mm Các
tính chất lý hóa học, khoáng sét và khả
năng hấp thu kim loại nặng được phân tích
tại Trường Đại học Tổng hợp Kyushu,
N hật Bản
2 Xác định khả năng hấp thu của các
kim loại trong đất
Phương pháp thử nghiệm trạng thái cân
bằng đồng loạt (batch equilibrium test)
được sử dụng để xác định đường đẳng nhiệt
mô tả khả năng hấp thu kim loại nặng của
đất ChuNn bị dung dịch muối nitrate của
các kim loại nặng ở 7 mức nồng độ khác
nhau đối với Pb, Cu và Zn bao gồm: 50,
100, 250, 500, 1000, 1500 và 2000 mg/L
ChuNn bị 7 bộ ống ly tâm 50 - mL, cân
chính xác 2,0 g đất khô không khí vào các
ống ly tâm và thêm 20 mL các dung dịch
trên Lắc hỗn hợp trong vòng 24 giờ ở nhiệt
độ trong phòng (25oC) để đạt đến trạng thái
cân bằng về mặt trao đổi, sau đó ly tâm với
tốc độ 2.000 vòng/phút trong vòng 15 phút
và tiến hành lọc mẫu N ồng độ kim loại ở trạng thái cân bằng trong dung dịch được xác định bằng máy quang phổ hấp phụ nguyên tử Thí nghiệm được lặp lại 2 lần để đảm bảo độ chính xác
Lượng kim loại hấp thu được tính theo công thức:
qa =
m
)V C -(Ci f
Trong đó: Qa là lượng kim loại hấp thu trong 1 đơn vị khối lượng đất (mg/kg); Ci là nồng độ ban đầu (mg/L) của dung dịch muối nitrate kim loại trước khi thí nghiệm;
Cf là nồng độ ở trạng thái cân bằng trao đổi (mg/L) của kim loại trong dung dịch sau khi thí nghiệm; V là thể tích dung dịch muối nitrate kim loại (mL) và m là khối lượng đất (g) sử dụng trong thí nghiệm
3 Xác định khả năng hấp thu kim loại trong các thành phần đất
Một bộ gồm 3 mẫu chứa 2,0 g đất khô được đánh số là M - 1, M - 2 và M - 3, trong
đó với M - 1 chỉ cho 50 mL nước để xác định lượng hấp thu toàn bộ các thành phần của đất, cho 50 mL H2O2 7% vào M - 2 và M
- 3 để loại bỏ hữu cơ, tiếp tục cho 2,0 g bột hydrosulfite natri và 25 mL dung dịch citrate vào ống chứa M - 3 để loại bỏ sắt tự do ChuNn bị 3 bộ, mỗi bộ gồm 3 mẫu được
xỷ lý như mô tả ở trên để dùng cho thí nghiệm xác định khả năng hấp thu của 3 kim loại nặng Cu, Pb và Zn trong các thành phần đất (Sử dụng muối nitrate của từng kim loại nặng ở nồng độ 1500 ppm)
Lượng kim loại hấp thu trong từng thành phần đất được tính theo công thức:
qa =
m
)V C -(Ci f
Trong đó: Lượng kim loại hấp thu tính được từ M - 1, M - 2 và M - 3 lần lượt là qa -
1, qa - 2 và qa - 3 Trong đó qa - 1 tương ứng
Trang 3với lượng kim loại hấp thu bởi toàn bộ các
thành phần của đất, lượng hấp thu do chất
hữu cơ được tính bằng cách lấy qa - 1 trừ đi qa
- 2 và lượng hấp thu do ôxít sắt tự do bằng qa
- 2 trừ qa - 3 Vì M - 3 đã được loại chất hữu
cơ và ôxít sắt tự do nên qa - 3 chính là lượng
hấp thu kim loại nặng chủ yếu do khoáng sét
III KẾT QUẢ N GHIÊN CỨU VÀ
THẢO LUẬN
1 Một số tính chất lý hóa học của đất
Tính chất của đất phù sa như sau: PH
(H2O): 7,7; hàm lượng hữu cơ: 17,2 g/kg;
ôxít sắt tự do: 43,3 g/kg; sét (cấp hạt <
2 µm) trong phần khoáng: 17,2%; và khoáng
sét hoạt động loại hình 2:1 (bao gồm tổng
hàm lượng mica, chlorite, vermiculite và smectite): 63% Các giá trị tương ứng của đất xám bạc màu là: 5,7; 13,8 g/kg; 4,3 g/kg; 6,7% và 35% (bao gồm tổng hàm lượng mica, chlorite, khoáng hỗn hợp mica/vermiculite/smectite ~ mica/smectite
và dạng quá độ chlorite - vermiculite)
2 Khả năng hấp thu kim loại nặng trong đất phù sa và đất xám bạc màu
Khả năng hấp thu của mỗi một kim loại (Cu, Pb, Zn) trong đất phù sa và đất xám bạc màu được biểu diễn bằng đường đẳng nhiệt tuân theo mô hình Freudlich với hệ số tương quan rất cao
Hình 1 Đường đẳng nhiệt biểu diễn khả năng hấp thu Cu, Pb, Zn của đất phù sa và đất xám bạc màu (Đồ thị giữa lượng kim loại nặng hấp thu (q a 10 - 1 ) và nồng độ cân bằng (C f )
được xây dựng theo mô hình Freudlich)
Trong tất cả các trường hợp, tại các
nồng độ ban đầu như nhau thì lượng hấp
thu đối với bất kỳ kim loại nào trong đất
phù sa cũng luôn cao hơn rõ rệt so với đất
xám bạc màu Điều này chứng tỏ khả
năng hấp thu kim loại nặng của đất phù sa cao hơn nhiều so với đất xám bạc màu Mức độ chênh lệch về lượng hấp thu đối với cùng 1 kim loại nặng giữa 2 loại đất ở các nồng độ Ci thấp là không đáng kể,
Trang 4nhưng ở nồng độ Ci cao hơn thì mức
chênh lệch này cao hơn và phụ thuộc vào
các kim loại khác nhau: Cao nhất là đối với Pb, tiếp đến là Cu và Zn
C f (mg/L)
Alluvial soil
Pb
C f (mg/L)
Grey degraded soil
Cu Zn
Pb
Zn
Cu
q a
-1 (
q a
-1 (
C f (mg/L)
Alluvial soil
Pb
C f (mg/L)
Grey degraded soil
Cu Zn
Pb
Zn
Cu
q a
-1 (
q a
-1 (
Hình 2 Đường đẳng nhiệt biểu diễn khả năng hấp thu Cu, Pb và Zn trong đất phù sa và đất xám bạc màu (Đồ thị giữa lượng kim loại nặng hấp thu (q a 10 - 1 ) và nồng độ cân bằng (C f )
được xây dựng theo mô hình Freudlich)
Kết quả hình 2 cho thấy, khả năng hấp
thu của cùng 1 loại đất đối với các kim loại
khác nhau là khác nhau Đối với đất phù sa,
tốc độ hấp thu được giữ ở mức cao trong khi
nồng độ cân bằng còn lại rất thấp khi thí
nghiệm ở các nồng độ Ci từ 50 - 100 mg/L
đối với Zn, 50 - 250 mg/L với Cu và 50 -
1.000 mg/L với Pb Điều này có nghĩa là gần
như toàn bộ lượng kim loại nặng trong dung
dịch đã bị đất hấp thu hết và căn cứ vào
khoảng nồng độ Ci được ghi nhận ở trên thì
khả năng hấp thu kim loại nặng giảm theo
thứ tự Pb >> Cu > Zn Đối với đất xám bạc
màu thì tốc độ hấp thu giảm nhanh khi vượt
qua ngưỡng nồng độ Ci là 50 mg/L đối với
Cu và Zn và 250 mg/L với Pb Tốc độ hấp
thu của Cu giảm mạnh hơn Zn nên ở nồng
độ Ci = 2.000 mg/L thì lượng Cu hấp thu
thấp hơn lượng Zn Do đó khả năng hấp thu
kim loại nặng trong đất xám bạc màu giảm
theo thứ tự Pb >> Zn > Cu
3 Khả năng hấp thu kim loại nặng trong
các thành phần hấp thu của đất
Kết quả cho thấy ngưỡng hấp thu tối đa
của chất hữu cơ, ôxít sắt tự do và khoáng
sét đối với Pb cao hơn so với Cu và Zn
Giữa Cu và Zn thì lượng hấp thu Zn của
chất hữu cơ và khoáng sét cao hơn Cu, trong khi đó lượng hấp thu Zn của ôxít sắt
tự do thấp hơn nhiều Như vậy khi trong đất phù sa có hàm lượng ôxít sắt tự do cao thì tổng lượng Cu hấp thu trong cả 3 thành phần đất cao hơn so với Zn Điều này trái ngược so với đất xám bạc màu là loại đất có hàm lượng ôxít sắt tự do thấp Khoáng sét
có hàm lượng cao nhất trong 3 thành phần hấp thu của đất nên lượng kim loại chúng hấp thu chiếm tới 57,2 - 85,4% tổng lượng hấp thu tùy thuộc vào loại đất và loại kim loại nặng khác nhau Chất hữu cơ hấp thu 14,0 - 40,5%, ngược lại ôxít sắt tự do chỉ hấp thu lượng kim loại nhỏ hơn 10% so với tổng lượng hấp thu, trừ trường hợp đối với
Cu trong đất phù sa (27,1%) (hình 3) Lượng Cu, Pb và Zn hấp thu bởi 1 đơn
vị khối lượng hữu cơ và lượng Cu và Pb hấp thu bởi 1 đơn vị khối lượng ôxít sắt tự
do trong đất phù sa cao hơn trong đất bạc màu Ngược lại, lượng kim loại nặng hấp thu bởi 1 đơn vị khối lượng khoáng sét trong đất xám bạc màu lại cao hơn trong đất phù sa Điều này có thể do sự khác nhau về loại hình chất hữu cơ, dạng ôxít sắt tự do hoặc thành phần khoáng sét giữa 2 loại đất
Trang 5Liên quan đến loại hình chất hấp thu,
lượng hấp thu giảm theo thứ tự chất hữu cơ
> khoáng sét > ôxít sắt tự do đối với Pb và
Zn và chất hữu cơ > ôxít sắt tự do > khoáng sét đối với Cu
Hình 3 Tỷ lệ phần trăm lượng hấp thu của một kim loại trong mỗi thành phần đất so với
tổng hấp thu trong thành phần đó
0%
20%
40%
60%
80%
100%
: ô-xít sắt tự do; : Chất hữu cơ; : khoáng sét
Đất xám bạc màu Đất phù sa
Trang 6T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam
6
IV KẾT LUẬN
1 Đất phù sa có pH, hàm lượng chất hữu cơ, ôxít sắt tự do, hàm lượng sét và khoáng sét hoạt động loại hình 2:1 cao hơn so với đất xám bạc màu Nhờ đó, khả năng hấp thu kim loại nặng (Cu, Pb, Zn) của đất phù sa cao hơn hẳn so với đất xám bạc màu Trong cùng 1 loại đất khả năng hấp thu có quan hệ với thuộc tính của kim loại và các thành phần hấp thu của đất Đối với đất phù sa, khả năng hấp thu kim loại nặng giảm theo thứ
tự Pb >> Cu > Zn, còn đối với đất xám bạc màu là Pb >> Zn > Cu
2 Lượng kim loại nặng hấp thu bởi chất hữu cơ và khoáng sét giảm theo thứ tự Pb
>> Zn > Cu, bởi ôxít sắt tự do theo thứ tự Pb > Cu >> Zn Trong khi đó, lượng Pb và Zn hấp thu bởi 1 đơn vị khối lượng của thành phần đất giảm theo thứ tự chất hữu cơ > khoáng sét > ôxít sắt tự do và lượng Cu giảm theo thứ tự chất hữu cơ > ôxít sắt tự do > khoáng sét Sự khác nhau về khả năng hấp thu mỗi kim loại bởi 1 đơn vị khối lượng thành phần của đất phù sa và đất xám bạc màu là do sự khác biệt về loại hình chất hữu
cơ, dạng ôxít sắt tự do và thành phần khoáng sét của 2 loại đất này
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Bradl, H.B 2004 Adsorption of heavy metal ions on soils and soils constituents
Journal of Colloid and Interface Science, 277: 1 - 18
2 Do, O.H., Q.H Trinh and K Egashira, 2002 Mineralogy and clay degradation in
grey degraded soils of Vietnam Clay Science, 11: 535 - 547
3 Egashira K., A Kaieda, and Đo Oguyen Hai, 2002 General chemical fertility and chemical processes of grey degraded soils as a problem soils in Vietnam Journal of the
4 Ho Thi Lam Tra and K Egashira, 2000 Heavy metal characterization of river
sediment in Hanoi, Vietnam Communication in Soil Science and Plant analysis, 31:
2901 - 2916
5 Oguyễn Mạnh Khải, Phạm Quang Hà và I Oborn, 2006 Phương pháp cân bằng nguyên
tố để đánh giá rủi ro ô nhiễm môi trường đất: Một nghiên cứu về Cu và Zn trong đất vùng
ngoại ô Hà Nội Tạp chí Hội Khoa học Đất, 26: 112 - 118
6 Oguyen Quang Hai, Ho Thi Lam Tra, A.Z.M Moslehuddin and K Egashira, 2007 Clay
mineralogy of alluvial soils and grey degraded soils derived from the same river sediment
in the Red River Delta, northern Vietnam Clay Science, in press
7 Oguyen Quang Hai and K Egashira, 2005a Particle - size distribution and free iron oxides of alluvial soils from different agro - ecological regions in Vietnam Journal of the
Faculty of Agriculture, Kyushu University, 50: 243 - 254
8 Oguyen Quang Hai and K Egashira, 2005b Clay mineralogical composition of alluvial
soils from different river systems/agro - ecological regions in Vietnam in reference to
origin, regional distribution and soil quality Clay Science, 12: 349 - 360
gười phản biện: guyễn Hồng Sơn
