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 (luận án thạc sĩ)

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 (luận án thạc sĩ)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 (luận án thạc sĩ)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 (luận án thạc sĩ)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 (luận án thạc sĩ)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 (luận án thạc sĩ)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 (luận án thạc sĩ)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 (luận án thạc sĩ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

NGÔ THỊ HÀ

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

MỞ ĐẦU

Hiện nay, với sự phát triển như vũ bão của các ngành công nghiệp, nhu cầu

sử dụng kim loại ngày càng tăng Ngoài việc nhập một lượng kim loại với chi phí cao thì nước ta tận dụng triệt để trữ lượng tài nguyên khoáng sản tương đối lớn và

đa dạng Tuy nhiên, việc khai thác khoáng sản đã và đang để lại những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường

Trong tự nhiên có khoảng hơn 70 kim loại nặng, đó là các kim loại có tỉ khối

lượng khác nhau, tuỳ thuộc vào từng loại khoáng sản và từng vùng địa chất khác nhau Trong các kim loại nặng, chỉ có một số nguyên tố là cần thiết cho cơ thể sống

và con người ở một giới hạn cho phép nào đấy, chúng là các nguyên tố vi lượng như: Cu, Zn, Mn, Mo… nhưng khi hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép đó, chúng sẽ gây độc hại nghiêm trọng cho cơ thể Tuy nhiên khả năng gây độc của các kim loại nặng hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái tồn tại của chúng Trong hoạt động khai thác khoáng sản, con người đã làm biến đổi trạng thái tồn tại của các kim loại nặng, chuyển chúng thành các dạng ion tự do đi vào môi trường đất, môi trường nước hoặc các hạt bụi có kích thước nhỏ bé trong không khí có thể xâm nhập vào cơ thể con người thông qua đường tiêu hóa và hô hấp, dẫn đến sự nhiễm độc Đa số các kim loại nặng với đặc tính bền vững trong môi trường, có khả năng gây độc ở liều lượng thấp và tích luỹ lâu dài trong chuỗi thức ăn, vì vậy nó cũng được xem là một

Mỏ đồng Sinh Quyền – Lào Cai có trữ lượng gần 100 triệu tấn quặng, là nguồn lợi cho rất nhiều nhà đầu tư trong việc khai thác Do năng lực có hạn, trang thiết bị đang còn thô sơ, lạc hậu, các quy trình khai thác phần lớn theo thủ công, chưa đảm bảo các quy định về bảo vệ môi trường nên sau khi lấy được phần quặng giàu và các kim loại cần khai thác thì bỏ đi toàn bộ phần quặng nghèo và khoáng sản đi cùng Các kim loại nặng có trong quặng, dưới tác dụng của quá trình phong hóa tự nhiên sẽ bị phân hủy, thủy phân, hòa tan hoặc kết tủa để vận chuyển hoặc tồn

lưu, có ảnh hưởng to lớn đến môi trường sinh thái tại địa phương, ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và động thực vật Vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài:

“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”

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về trữ lượng quặng đồng tại Việt Nam và mỏ đồng Sinh Quyền

1.1.1 Trữ lượng và phân bố quặng đồng sunfua tại Việt Nam

Đồng là nguyên liệu quan trọng của công nghiệp Xét về khối lượng tiêu thụ, đồng xếp hàng thứ ba trong các kim loại, chỉ sau thép và nhôm Do tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, độ bền khá cao nên đồng và hợp kim đồng được sử dụng rộng rãi làm dây dẫn điện trong các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng Ngoài ra, đồng và hợp kim đồng còn được sử dụng nhiều trong chế tạo máy, xây dựng, sản xuất điện cực Các hợp chất đồng như đồng oxit, đồng sunfat, đồng oxyclorua cũng được

sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nông nghiệp, đóng tàu, bảo quản gỗ Vì vậy, việc khai thác quặng đồng luôn được các nhà đầu tư quan tâm và chú trọng phát triển

Quặng đồng Việt Nam thuộc vào 4 loại có nguồn gốc hình thành khác nhau là: magma, thuỷ nhiệt, trầm tích, biến chất Quặng đồng phân tán ở các tỉnh Cao Bằng, Lạng Sơn, Sơn La, Quảng Ninh, Hà Bắc, Quảng Nam-Đà Nẵng, Lâm Đồng… Các mỏ quặng đồng ở những tỉnh này thường có trữ lượng nhỏ, thành phần khoáng đa dạng, bao gồm nhiều loại như quặng sunfua, cacbonat, nhưng thường gặp là quặng chalcopyrit Tổng trữ lượng các mỏ đã thăm dò ước đạt

khoảng 600.000 tấn đồng

Những vùng tụ khoáng quặng đồng quan trọng ở nước ta là: Vùng tụ khoáng Sinh Quyền (Lào Cai); Vùng tụ khoáng Bản Phúc (Sơn La); Vùng tụ khoáng Vạn Sài (Sơn La); Điểm quặng Hổng Thu và Quang Tân Trai (Lai Châu); Điểm quặng Bản Giàng (Sơn La); Vùng tụ khoáng Suối Nùng (Quảng Ngãi) Ngoài các vùng quặng chính như trên, còn có rất nhiều điểm quặng khác phân bố rải rác ở các tỉnh Thanh Hóa, Lạng Sơn, Lào Cai

1.1.2 Trữ lượng quặng đồng sunfua tại mỏ đồng Sinh Quyền

Vùng mỏ đồng Sinh Quyền nằm ở hữu ngạn Sông Hồng, thuộc huyện Bát Xát, tỉnh Lào Cai, bao gồm các mỏ khoáng Sinh Quyền, Cốc Mỳ, Vi Kẽm được đánh giá là vùng quặng hỗn hợp gồm ba thành phần chính là đồng, đất hiếm, vàng Vùng quặng này có 3 dải quặng đồng chính song song và kéo dài gần 40 km theo phương TB-ĐN từ nam Bát Xát đến Lũng Lô sát biên giới Việt Trung, ở tọa độ

Ngang Chải ở phía Tây là dải quặng đồng - đất hiếm - molybđen Dải giữa Sinh Quyền - Nậm Mít là dải quặng chính gồm quặng đồng - đất hiếm Dải Thùng Sáng - Lũng Pô ở phía Đông gồm các mạch quặng thạch anh - sunfua chứa đồng

Khu mỏ Sinh Quyền đã phát hiện được ít nhất 17 thân quặng trong một đới khoáng hóa kéo dài theo phương tây bắc – đông nam với chiều rộng 100 ÷ 300m Trong đó các thân quặng gồm các chùm mạch quặng, mỗi chùm có từ 2 ÷ 5 thấu kính hoặc thân quặng nhỏ khác Các thân quặng của mỏ đồng Sinh Quyền chủ yếu phân bố trong các đá amphibolit và granitogneiss bị migmatit hóa, ngoài ra có một phận nhỏ phân bố trong đá granit và pegmatite.[10]

Trong thiên nhiên, quặng đồng tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như tinh thể, cục, mẩu, tấm.… Về mặt hóa học, đồng tồn tại phổ biến nhất là ở quặng chứa đồng

có gốc sunfua, ngoài ra cũng ở dạng cacbonat hoặc oxit Những quặng đồng quan

Sinh Quyền đã xác định khoáng chứa Cu chủ yếu là chalcopyrit, pyrotin, magnetit, pyrit, melnikovit, orthit; thứ yếu có ilmenit, sphalerit, quặng đồng xám, marcasit, arsenopyrit, conanit; hiếm gặp có molybdenit, galenit, cobaltin, saflorit, vàng tự sinh, calaverit, uraninit, nhóm khoáng vật đất hiếm [10]

Mỏ đã được phát hiện, tìm kiếm và thăm dò từ những năm 1961 với trữ lượng ước tính 52,7 triệu tấn, hàm lượng đồng trung bình khoảng 1,03%, tương

nghìn tấn S Tuy nhiên, đến các năm 1992 – 1994 các công ty khai thác khoáng sản

đã thăm dò bổ sung trữ lượng các nguyên tố trong quặng

Theo TS Phạm Tích Xuân và cộng sự (2011) [12], tại mỏ đồng Sinh Quyền, hàm lượng đồng dao dộng từ 3.153 mg/kg tới 71.942 mg/kg Bên cạnh đó, hàm lượng các nguyên tố dạng vết khác như As, Zn, Ni và Cd cũng khá ổn định Tham khảo tài liệu phân tích mẫu công nghệ của mỏ đồng Sinh Quyền có thể thấy như

0,90% (chủ yếu trong orthit); Au 0,46 ÷ 0,55 g/tấn quặng; Co 0,039 ÷ 0,065 g/tấn; ngoài ra còn có Mo, Ag, Sb, Sn, Se

1.1.3 Một số loại quặng chủ yếu ở mỏ đồng Sinh Quyền

1.1.3.1 Chalcopyrit CuFeS 2

Chalcopyrit là khoáng vật nguyên sinh chủ yếu, có mặt trong hầu hết các kiểu quặng, có hàm lượng Cu – 34,6%, ngoài ra còn có Ag, In và một số nguyên tố khác Chalcopyrit thường chứa tạp chất đồng hình Au, Ag Cấu trúc gần giống với cấu trúc của sphalerit, trong đó ô mạng cơ sở gấp đôi lên và vị trí Zn được thay thế bằng Cu, Fe Trong biến thể lập phương talnakhit, sự phân bố Fe và Cu không trật tự

Chalcopyrit có màu vàng đồng thau, có vết vạch đen hoặc đen xanh, ánh kim Chalcopyrit thường có màu sặc sỡ do bị oxi hoá, chalcopyrit khác pyrit về màu sắc và độ cứng thấp

Chalcopyrit có nguồn gốc magma, trong đá mafic, cộng sinh với pyrotin, pentlandit Trong skarn, chalcopyrit cộng sinh với pyrit, pyrotin, sulfua chì, kẽm, đồng Ngoài ra chalcopyrit còn có trong các thành tạo ngoại sinh, trong đá trầm tích

Trong đới oxi hoá, chalcopyrit bị biến đổi, tạo nên đồng tự sinh, chalcosin, covelin, cuprit, malachit, azurit, crysocola

Chalcopyrit có mặt ở Bản Xang, Bản Phúc (Sơn La), mỏ đồng Sinh Quyền (Lào Cai) gần Tạ Khoa

1.1.3.2 Pyrotin Fe 1-x S

Là khoáng vật chính trong quặng, chiếm số lượng chủ yếu của quặng sulfid sắt, nhưng có số lượng ít hơn chalcopyrit, hàm lượng Fe khoảng 58,22% - 63,53%, trong công thức của pyrotin hệ số nguyên tử của Fe = 1-x, với x = 0,1-0,2, pyrotin với công thức trên là một biến thể đa hình kết tinh ở hệ sáu phương, còn biến thể có công thức là FeS là troilit cũng kết tinh ở hệ sáu phương, ngoài ra FeS còn có một biến thể khác kết tinh ở hệ một nghiêng Trong thành phần pyrotin ngoài sắt và lưu huỳnh còn có các đồng hình khác như là Cu, Ni, Co

Khoáng vật kết tinh ở hệ sáu phương, ô mạng cơ sở thuộc hệ nguyên thủy, nhóm đối xứng không gian Mô hình cấu trúc giống với khoáng vật nikenin (NiAs) trong đó Fe đóng vai trò của Ni, còn lưu huỳnh đóng vai trò của As - nhóm đối xứng không gian của khoáng vật Đơn tinh thể pyrotin thường có dạng tấm, tháp hoặc lăng trụ, trên tinh thể thường có các hình đơn như lăng trụ sáu phương, tháp đôi sáu phương, đôi mặt, đôi khi có gắn kết song tinh Các dạng tập hợp phổ biến của pyrotin là tập hợp hạt, khối đặc xít, có khi ở dạng xâm tán Đặc trưng của pyrotin là màu vàng thau, có sắc nâu tối, và có từ tính mạnh, trong số khoáng vật

Pyrotin thành tạo chủ yếu trong quá trinh nội sinh, liên quan tới các thành tao

đá magma bazơ Trong các đá magma bazơ, pyroytin thường cộng sinh với pentlandit, chalcopyrit Ngoài nguốn gốc nêu trên pyrotin còn được tạo thành trong quá trình biến chất trao đổi liên quan tới các thành tạo skarn Các khoáng vật cộng sinh của pyrotin ở nguồn gốc này có: pyrit, chalcopyrit, magnetit, arsenopyrit,

nhiệt dịch, nhiệt độ cao đến trung bình, cộng sinh cùng pyrit, galennit, sphalenit, ascenopyrit, Pyrotin còn có thể được thành tạo ở quá trình biến chất trầm tích nhưng ít gặp

Ở Việt Nam, pyrotin có ở Nam Đông Thừa Thiên Huế, Ba Trại-Hà Tây, Kim Bôi-Hòa Bình

1.1.3.3 Magnetit

ôxít sắt và thuộc nhóm spinel Magnetit là khoáng vật có từ tính mạnh nhất trong các khoáng vật xuất hiện trong thiên nhiên Các mảnh magnetit bị từ hóa tự nhiên được gọi là lodestone sẽ hút các mẫu sắt nhỏ, và đây cũng là cách mà người cổ đại khám phá ra tính chất từ đầu tiên Lodestone được sử dụng trong các la bàn Magnetit thường mang các dấu hiệu từ trong các đá và vì thế nó được xem như là một công cụ để nghiên cứu cổ từ, một khám phá khoa học quan trọng để hiểu được quá trình kiến tạo mảng và dữ liệu lịch sử cho từ thủy động lực học và các chuyên ngành khoa học khác

Các mối quan hệ giữa magnetit và các khoáng vật ôxít giàu sắt khác như ilmenit, hematit, và ulvospinel cũng đã được nghiên cứu nhiều, cũng như các phản ứng phức tạp giữa các khoáng vật này và oxy ảnh hưởng như thế nào đến sự bảo tồn trường từ của Trái Đất

Magnetit có vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu các điều kiện môi trường hình thành đá Magnetit phản ứng với oxy để tạo ra hematit, và cặp khoáng vật hình thành một vùng đệm có thể khống chế sự phá hủy của ôxy Các đá mácma thông thường chứa các hạt của 2 dung dịch rắn, một bên là giữa magnetit và ulvospinel còn một bên là giữa ilmenit và hematit Các hạt magnetit nhỏ có mặt trong hầu đết các đá macma và các đá biến chất Magnetit cũng được tìm thấy trong một số loại

đá trầm tích như trong các thành hệ sắt phân dải

1.1.3.4 Pyrit FeS 2

học của Pirit chứa 46,6% Fe, 53,4% S, có ánh kim và sắc vàng đồng từ nhạt tới thông Pyrit là phổ biến nhất trong các khoáng vật sulfua Pyrit thường chứa các tạp chất hình As, Co, Ni, đôi khi Au, Cu tồn tại ở dạng phi bào thể

Khoáng vật này có mặt như là các tinh thể đẳng cực thường xuất hiện dưới dạng các khối lập phương Cấu trúc tinh thể kiểu NaCl, trong đó vị trí của nguyên tử

hình 8 mặt Các mặt của lập phương có thể có sọc (các đường song song trên mặt tinh thể hay mặt cát khai) do kết quả của sự xen kẽ các khối lập phương với các mặt diện pyrit Pyrit cũng hay xuất hiện dưới dạng các tinh thể bát diện và dạng diện pyrit (hình thập nhị diện với các mặt ngũ giác) Nó giòn và có thể nhận dạng trên thực địa

do có mùi đặc trưng để phân biệt, được giải phóng ra khi mẫu vật bị tán nhỏ

Pyrit thông thường được tìm thấy ở dạng gắn liền với các sulfua hay ôxít khác trong các mạch thạch anh, đá trầm tích, đá biến chất cũng như trong các tầng than, và trong vai trò của khoáng vật thay thế trong các hóa thạch Đôi khi cũng được tìm thấy trong quặng chứa khoáng vật này

1.1.4 Các quy trình khai thác quặng tại Việt Nam

1.1.4.1 Thăm dò địa chất

Đồng là nguyên tố phổ biến rộng rãi trong các loại đá khoáng của vỏ trái đất nhưng số lượng không lớn Đồng chỉ chiếm 0,0058% khối lượng vỏ trái đất Vì tỉ lệ thấp của các khoáng nên phải tìm những mỏ khoáng có nồng độ cao của các kim loại này để khai thác có lợi về mặt kinh tế

Bước đầu tiên của việc khai thác mỏ là tìm mỏ có tỉ lệ khoáng cao và số lượng lớn để khai thác thương mại

Phát hiện ra một hàm lượng khoáng chất cao trong đất tại một vị trí cụ thể, hoặc xác định địa chất của đá và khoáng vật với các đặc tính điện từ của một thân quặng sun phua, có thể dẫn đến tiếp tục thăm dò Trong giai đoạn này, mục tiêu là

để thiết lập mô hình của thân quặng Khoan lõi mở rộng, lấy số mẫu lớn và phân tích Sự phù hợp của các thân quặng hoặc là khai thác hầm lò hoặc khai thác lộ thiên cũng được xác định, chủ yếu dựa vào độ sâu và kích thước của thân quặng

1.1.4.2 Khai thác

Khai thác bao gồm tất cả các hoạt động phải diễn ra trước khi thân quặng có thể khai thác Hoạt động này liên quan đến việc xây dựng các công trình trên mặt đất, đường giao thông, đường điện, và đường sắt Nếu một mỏ lộ thiên được xây dựng, việc khai thác bao gồm việc loại bỏ các loại đá và đất bao quanh các thân quặng Nếu một mỏ dưới lòng đất được xây dựng, sự phát triển sẽ bao gồm xây dựng đường vào và hệ thống thông gió

Dù mỏ lộ thiên hay mỏ ngầm thì trong quá trình khai thác sẽ có sự tích lũy nước từ mực nước ngầm tự nhiên Nước này phải được bơm ra khỏi mỏ để thợ mỏ vào khai thác quặng Việc bơm nước này phải tiến hành liên tục trong quá trình khai thác cho đến khi khai thác xong và đóng cửa mỏ

Bơm nước ngầm từ mỏ, hoặc tháo khô nước, tạo ra sự suy giảm nước ngầm của khu vực xung quanh Điều này có thể làm giảm mực nước trong các nguồn nước gần đó Nếu nước ngầm nối với sông, hồ, mực nước bề mặt cũng có thể được

hạ xuống Khu vực suy giảm và mức độ tác động lên nước mặt sẽ phụ thuộc rất lớn

về địa chất của khu vực

Việc khai thác mỏ sun phua tạo ra một lượng lớn chất thải rắn Phần lớn chất thải rắn từ đá thải và sản phẩm phụ từ quá trình khai thác quặng Đá thải được tạo ra

từ đất, đá, và những vật chất không phải mục đích khai thác phải được loại bỏ để khai thác các khoáng có hàm lượng cao Số lượng đá thải phụ thuộc vào khu vực và

độ sâu của mỏ Sản phẩm phụ của quá trình khai thác, gọi là chất thải, bao gồm

quặng còn sót lại sau khi khoáng vật có ích đã được khai thác Vì vậy, số lượng khoáng chất có hàm lượng cao tương đối nhỏ, phần thải quặng được sinh ra trong khai thác mỏ là lớn

Chất thải được sinh ra từ quá trình khai thác quặng là độc Đá thải có thể chứa chất phóng xạ Chất thải bao gồm kim loại nặng, các chất hóa học và dòng thải axit mỏ, tất cả chúng là độc với môi trường với mức độ khác nhau

Khai thác các thân quặng liên quan đến một chu kỳ khoan, nổ mìn, khai thác quặng, và vận chuyển để các quặng có thể được xử lý và các khoáng chất quan trọng được phục hồi

1.1.4.3 Tuyển quặng

Hầu hết quặng sun phua có hàm lượng khoáng không đủ lớn để đưa trực tiếp

về nhà máy luyện Nó phải qua quá trình tuyển quặng, nơi mà quặng được nghiền

và cô đặc bằng cách sử dụng nhiều chất hóa học khác

Trong khi nghiền, một loạt các máy nghiền quặng thành các hạt mịn, hạt lớn nhất cỡ bằng hạt cát, vì thế nó được tiến hành dễ dàng hơn Khi hạt quặng đạt đến kích thước xử lý hóa học Chúng đưa tới nơi cô đặc Sự cô đặc có thể được tiến hành bằng một số cách

tuyển nổi Các bọt sau đó được khử nước và dày lên, và cô lại được đưa đến một nhà máy luyện để chế biến tiếp

Một số hoá chất được sử dụng trong quá trình tuyển nổi có thể được sử dụng lại để cô đặc quặng hơn Tuy nhiên, các hóa chất này là một sản phẩm phụ của quá trình tuyển quặng mà cuối cùng phải được xử lý

Một số chất hóa học như đồng sun phát, natri cianua và natri đicromat là những chất có độc tính cao với môi trường thủy sinh Các hóa chất khác không gây

ra mối đe dọa môi trường nghiêm trọng như vậy nhưng lại được sử dụng với số lượng lớn

1.1.4.5 Tuyển trọng lực [5, 17]

Dựa trên sự khác nhau về khối lượng riêng giữa thành phần có ích và đất đá tạp được thể hiện qua tốc độ rơi trong môi trường Quặng được tách trong môi trường lỏng có thể ở trạng thái tĩnh hoặc trạng thái động Tỷ lệ tách khác nhau của các chất rắn cho phép khoáng sản mong muốn được chiết xuất

1.1.4.6 Lọc [17]

Lọc bao gồm việc bơm một chất hóa học thông qua quặng đã vỡ hoặc nghiền

để hòa tan các khoáng chất có giá trị Dung dịch, tạo thành từ các chất hóa học và khoáng chất, được biết đến như một cách sản sinh nước thải Khai thác mỏ có thể chọn một trong một số kỹ thuật để phục hồi các khoáng chất từ nước thải, bao gồm chiết dung môi, trao đổi ion, hoặc kết dính

Có bốn loại của các quá trình lọc Bãi lọc diễn ra trên một tấm lót nhưng bề mặt cơ sở không thấm nước Bình lọc, một phương pháp lọc với tỷ lệ cao, được thực hiện trong một hệ thống thùng hoặc bình sử dụng giải pháp chiết xuất tập trung (thường là axit sunphuric) Lọc tập trung diễn ra trên một miếng đệm lót làm bằng vật liệu tổng hợp, nhựa đường, hoặc đất sét Lọc tập trung được sử dụng với cấp

thấp, quặng nghiền nát Cuối cùng, Lọc tại chỗ chiết xuất khoáng sản từ quặng mà vẫn còn trong đất

1.1.4.7 Quản lý chất thải [17]

Tuyển quặng tạo ra chất thải và nước thải như là sản phẩm phụ của việc cô đặc khoáng chất Chất thải là phần còn lại sau khi các khoáng cần thiết được loại

bỏ, bao gồm bùn và các hóa chất sử dụng trong tuyển quặng

Chất thải gây nguy hiểm cho môi trường nên phải được cô lập Chúng thường được lưu trữ và chứa trong hố, hoặc khu vực quản lý chất thải, được lót bằng vật liệu không thấm nước nói chung, chẳng hạn như đất sét hoặc tấm lót tổng hợp

Chất thải được phép lưu trữ tại các hố Ngoài ra, hệ thống thu gom nước rò rỉ bên dưới tấm lót được thiết kế để tránh chất lỏng bị rò rỉ qua Nước thải và dịch lọc thường được tập trung lại, tái sử dụng hoặc xử lý

1.1.4.8 Luyện và tinh chế [17]

Hầu hết các khoáng sun phua đều được nấu chảy Các kim loại được tinh luyện phụ thuộc vào mục đích sử dụng thương mại của chúng Luyện bao gồm 3 bước riêng biệt: nung, nấu chảy và biến đổi

Nung là cần thiết để cô đặc sun phua Nó oxi hóa sắt và chuyển thành sun phua đioxit Nấu chảy các tạp chất còn lại trong quặng vào sỉ bằng cách kết hợp quặng với silicat và đốt nóng chúng ở nhiệt độ cao

Đồng thời, các kim loại kết hợp với lưu huỳnh để tạo thành một hỗn hợp không tinh khiết của các loại khoáng sun phua kim loại Loại bỏ lưu huỳnh từ các sun phua kim loại, ôxi hóa sắt còn lại, và loại bỏ nó Sau khi xỉ silicat được bỏ đi, chỉ có các kim loại gần như tinh khiết vẫn còn Rang, nấu chảy và chuyển đổi có thể đạt tới 99% kim loại nguyên chất

Khi cần kim loại tinh khiết, như đồng sử dụng trong sản xuất dây điện, ta có

Tinh luyện quặng có thể được thực hiện một số cách khác nhau, bao gồm hỏa luyện, điện hơi, áp suất cao

1.1.4.9 Cải tạo [17]

Cải tạo là hoạt động cuối cùng, là việc phục hồi và phục hồi của khu vực dự

án với điều kiện khai thác ban đầu của nó Mục đích là để loại bỏ, giảm thiểu, hoặc giảm thiểu các mối đe dọa môi trường về vật lý hoặc hóa học Trong khi hầu hết cải tạo bao gồm việc loại bỏ tất cả các cấu trúc hỗ trợ khai thác mỏ, và hệ thực vật và

ổn định của khu mỏ Việc thực hiện cải tạo theo nhiều cách khác nhau Mỗi mỏ sẽ khác nhau, và sự lựa chọn các biện pháp cải tạo sẽ bị ảnh hưởng bởi khí hậu, đặc điểm vật lý của các khu mỏ, pháp luật của địa phương cụ thể nơi khu mỏ khai thác,

và tính khả thi kỹ thuật và kinh tế của các dự án cải tạo

1.2 Nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng do các bãi thải khai thác chế biến khoáng sản

1.2.1 Nguồn gây ô nhiễm

Quá trình khai thác và chế biến khoàng sản sẽ hình hình một lượng chất thải lớn, các chất thải này thường được tập trung thành các bãi thải Các bãi thải này thường chứa các khoáng vật sulfid kim loại như pyrit, cholcopyrit, arsenopyrit, galenit, sphalerrit Các khoáng vật này ở điều kiện bề mặt thường bị oxi hóa khi gặp nước và không khí.Quá trình oxi hóa tạo ra dung dịch axit và là môi trường hòa tan các kim loại và các thành phần độc hại có trong thành phần các khoáng vật quặng ở bãi thải, từ đó phát tán chúng vào môi trường, gây ô nhiễm môi trường

Dung dịch axit sinh ra trong quá trình oxy hóa sulfid là một dung môi mạnh, các dòng axit thải từ bãi thải thường là các dung dịch có hàm lượng cao (thậm chí bão hòa) các kim loại nặng và các ion hòa tan Khi dung dịch bị trung hòa, xảy ra sự lắng đọng nhiều hợp chất thứ sinh của Fe, Cu, Zn, Pb và các nguyên tố khác Các hợp chất này lại tương đối dễ tan khi thay đổi các điều kiện pH nên chúng có tính linh động cao, là điều kiện góp phần làm tăng hàm lượng kim loại cao trong khu vực

Lịch sử khai thác mỏ sun phua chỉ ra rằng nguyên nhân gây phá hủy môi trường sinh thái là dòng thải axit mỏ, ô nhiễm kim loại nặng, các hóa chất gây ô nhiễm và lắng cặn Thăm dò khoáng sản đặt ra một số mối đe dọa hệ sinh thái Hoạt động khoan có thể thâm nhập vào nhiều tầng ngậm nước Điều này có thể làm cho nước từ các tầng ngậm nước xáo trộn, thay đổi tính chất hóa học của nước Độ cao tầng nước ngầm cũng có thể thay đổi, làm cho nguồn nước cạn

Khi khoan, bùn và đất được đưa lên trên mặt đất, có thể có cả quặng sun phua, các kim loại nặng và các chất gây ô nhiễm khác Trong quá trình khoan thăm

dò thì đất sẽ bị xáo trộn, số lượng và sự đa dạng thực vật bị ảnh hưởng Nếu một mỏ được triển khai thì đất sẽ bị xáo trộn như một phần của sự tác động tổng thể

Quá trình tuyển quặng cũng phát thải ra môi trường sinh thái một lượng bụi lớn do quá trình nghiền quặng Đồng thời, quá trình tuyển quặng này cũng sử dụng nhiều hóa chất hóa học, lượng hóa chất này thoát ra môi trường tạo ra một mối nguy hại lớn cho hệ sinh thái

Chất thải của quá trình khai thác quặng là mối đe dọa lớn nhất, nó bao gồm các hợp chất sun phua, các kim loại nặng và các hóa chất tuyển quặng Các chất thải này sẽ được đưa về khu vực quản lý Khi chất thải này thoát ra khỏi khu vực quản lý,

nó chứa dòng thải axit, kim loại nặng độc hại, hóa chất của quá trình tuyển quặng Khi mưa lớn thì các chất này sẽ bị tràn ra di chuyển tới các vùng xung quanh

Dòng thải axit sinh ra sẽ làm cho hệ sinh thái chứa kim loại nặng với nồng

độ cao, chất rắn hòa tan, sun phat và axit Sự phá hủy của dòng thải axit mỏ sẽ diễn

ra trong thời gian dài, hằng trăm đến hàng nghìn năm Axit mỏ có thể giết chết cá và

thể giết chết cá và sinh vật thủy sinh khác bằng cách thâm nhập vào mô qua đường

hô hấp và làm độc các tế bào

Đá thải, đất bao quanh thân quặng, bụi, chất thải đều chứa kim loại nặng Kim loại nặng bao gồm: chì, kẽm, asen, antimon, selen, bạc, cadimi, coban, đồng, thủy ngân, mangan, nhôm, niken Nó thoát ra ngoài môi trường thông qua dòng chảy hoặc gió bụi Nước ngầm ô nhiễm kim loại nặng cũng góp phần ô nhiễm nước mặt pH càng thấp thì các ion kim loại càng linh động Chúng đe dọa đến sức khỏe con người về lâu dài và có thể ảnh hưởng, thậm chí là giết chết các sinh vật thủy sinh Con người không chỉ hấp thụ kim loại nặng này qua nước uống, mà còn thông qua các thức ăn hàng ngày bị ô nhiễm kim loại nặng

Quá trình khai thác quặng sẽ bóc tách một lương đất đá rất lớn, lượng đất đá này sẽ làm ảnh hưởng dòng chảy của suối, lấp các hồ nước gần đó và đặc biệt là che phủ các vùng đất canh tác nông nghiệp Việc tháo khô mỏ trong quá trình khai thác

sẽ làm cho mực nước ngầm hạ thấp, đồng thời mực nước của sông hồ gần đó cũng giảm Điều này ảnh hưởng đến một số loại, đặc biết là cây lúa nước

Khai thác quặng sẽ đưa vào môi trường nước nhiều hóa chất độc hại Dầu sử dụng vận hành thiết bị xả vào nước tạo một lớp màng mỏng trên mặt nước, ngăn cản khả năng hòa tan oxi vào trong nước

Trong quá trình khai thác sẽ xảy ra hiện tượng lún hoặc sập mỏ Người ta sẽ

sử dụng chất thải chứa quặng sun phua hoặc chứa hóa chất trong quá trình tuyển quặng để khắc phục Chất thải này khi tiếp xúc với nước thoát ra từ hầm mỏ thì có thể xuất hiện hiện tượng nước mặt và nước ngầm bị ô nhiễm trong thời gian dài

1.2.2 Con đường phát tán kim loại nặng và các chất độc hại vào môi trường

Các nghiên cứu của nhiều tác giả chỉ ra rằng con đường phát tán chủ yếu của các chất độc hại từ các bãi thải là qua môi nước Khác với các chất gây ô nhiễm hữu

cơ, các kim loại không thể tự phân hủy cũng không thể tự biến mất Chúng có khả năng di chuyển theo các dòng nước nhưng trong những điều kiện thích hợp nhất định sẽ lắng đọng, bị giữ lại thông qua việc tạo kết tủa với các anion trong đất như cacbonnat, sulfua, hoặc các chất hữu cơ và bị hấp phụ trên các hạt của keo đất, tạo

thành các nơi tập trung thứ sinh Tùy thuộc vào điều kiện tại chỗ, sự lắng đọng các hợp chất có thể xảy ra dưới dạng bền hoặc kém bền vững Phần lớn các kim loại trong đất tạo phức với chất hữu cơ hoặc keo khoáng mà không ở dạng ion hay hợp chất vô cơ

Trong quá trình di chuyển trong môi trưởng, các kim loại nặng không chỉ bị hấp thụ bằng các keo sét hay lắng đọng ở dạng kết tủa ít tan mà nó còn hấp thụ vào thực vật, cơ thể sinh vật thông qua các chuỗi thức ăn Quá trình phát tán kim loại nặng vào môi trưởng tự nhiên thường trải qua cả một dãy dài các chuỗi biến đổi từ một số hợp chất này sang hợp chất khác Trong bất kỳ giai đoạn nào của chuỗi biến đổi đấy, kim loại nặng đều có thể xâm nhập vào cơ thể sống và tích tụ trong nó Việc giảm thiểu các dòng kim loại nặng là điều mà các nhà khoa học quan tâm Tuy nhiên quá trình di chuyển của các kim loại có thể khống chế được nếu xác định được quy luật của các quá trình oxi hóa, hòa tan và vận chuyển

Điều kiện hóa lý và thành phần ion của dung dịch quyết định dạng tồn tại của kim loại trong quá trình di chuyển Dạng tồn tại của kim loại trong dòng thải các

dung dịch Đối với nhiều ion kim loại khi thế oxi hóa khử cao (điều kiện oxi hóa) chúng bị oxi hóa lên những trạng thái oxi hóa cao và tạo các hợp chất khó tan Khi nồng độ pH thay đổi thấp thì các kim loại bị giải hấp, hoặc khi có các ion cạnh tranh cùng hấp phụ lên keo sét thì lượng kim loại bị hấp phụ giảm và tiếp tục di chuyển trong đất theo mạch nước ngầm Và khi pH thay đổi, trong điều kiện có thể hòa tan các hợp chất này, các kim loại nặng lại tiếp tục phát tán vào môi trường

1.3 Tình trạng ô nhiễm tại các khu vực khai thác quặng ở Việt Nam

1.3.1 Tại các mỏ quặng ở Việt Nam

Việt Nam hiện nay có tới 5000 mỏ và điểm khoáng sản đang khai thác bao gồm 60 loại khoáng sản khác nhau với khoảng 2.000 doanh nghiệp tham gia hoạt

của Việt Nam chiếm khoảng 11% nhưng công nghiệp khai khoáng đang đứng trước nhiều thách thức: khai thác sử dụng chưa có hiệu quả làm cho tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt; đặc biệt tác động xấu tới cảnh quan và môi trường, gây ô nhiễm nguồn nước, không khí, đất đai, ảnh hưởng đến đa dạng sinh học và nhiều nghành kinh tế khác

Từ đầu năm 2007, các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ Môi Trường – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật, Đại học Quốc gia Hà Nội đã lấy hàng trăm mẫu đất và cây tại các vùng mỏ để phân tích thành phần, hàm lượng kim loại nặng Qua phân tích cho thấy, tất cả các mỏ đều là điểm nóng về ô nhiễm, điển hình là mỏ thiếc xã Hà Thượng và mỏ than núi Hồng bị

ô nhiễm asen nghiêm trọng, với hàm lượng asen trong đất gấp 17 – 308 lần tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam, thậm chí có nơi hàm lượng asen trong đất lên đến 15.166 ppm, gấp 1.262 lần theo quy định Mỏ kẽm, chì làng Hích cũng có hàm lượng chì gấp 186 lần tiêu chuẩn và kẽm 49 lần

Việc khai thác mỏ thiếc, đuôi quặng thường chứa arsenopyrit (1 – 2%), chalcopyrit (1%) và pyrit (10 – 15%) [3] Các khoáng vật sulfua này bị oxi hoá tạo

ra dòng thải axit mỏ và dung dịch giàu kim loại Sự lan toả của As và sự oxi hoá các kim loại độc hại như Cu, Cd từ các dòng rỉ từ dòng thải axit mỏ qua các đống thải cũng không được chú ý Có nơi nước thải từ mỏ và xưởng tuyển được thải trực tiếp

ra cánh đồng lúa với hàm lượng asen gấp 30 lần nước bình thường Ở mỏ thiếc Quỳ Hợp, dòng thải của nhà máy được thải trực tiếp ra con suối gần đó Hàm lượng As trong chất thải rắn rất cao (355 mg/kg) so với hàm lượng được coi là không ô nhiễm trên thế giới là 5 – 20 mg/kg

Ngoài việc làm ô nhiễm nguồn nước, các loại bùn thải từ khu vực khai thác

đổ ra các khu vực xung quanh, theo thời gian chúng làm ô nhiễm đất tại các khu vực này, diện tích đất nông nghiệp không những bị thu hẹp mà còn bị hoang hoá, ô nhiễm không sử dụng canh tác được Mặt khác, do sử dụng nguồn nước tương đối lớn nên ngoài việc làm ô nhiễm, giảm chất lượng nguồn nước, việc khai thác

khoáng sản đã làm cho hệ thống tưới tiêu thay đổi, nguồn nước cạn kiệt, do đó, diện tích đất nông nghiệp bị ảnh hưởng rất nhiều

Điển hình về việc bồi lấp sông, suối, ao hồ do khai thác quặng mà trong thời gian gần đây gây bức xúc trong dư luận là việc khai thác mỏ quặng ở các dãy núi xung quanh lưu vực nước chảy về bồi lấp nhanh chóng Hồ Ba Bể Những công trường khai thác bằng nhiều máy móc với công suất lớn đã đưa khối lượng đất lớn dồn xuống chân núi và rìu khe Khuồi Giang Khi có mưa đất bùn sét, hoá chất rửa quặng, dầu mỡ của máy móc thải ra theo các suối chảy vào Hồ Ba Bể làm cho Hồ bồi lấp với tốc độ khủng khiếp Ngoài ra, diện tích đất nông nghiệp cũng bị một lượng mùn đọng lại làm cho cây trồng không phát triển được

Tại mỏ Cromit Cổ Định [4], nguồn nước trong khu vực trước khi khai thác

có 4 suối nhỏ, chảy từ núi Na Sơn đổ vào sông Lê, với tổng lưu lượng xấp xỉ 100 l/s; hệ thống các ao hồ nhỏ nằm rải rác với tổng diện tích mặt nước khoảng 80 ha Sau 40 năm khai thác, 4 suối đã biến mất, bên cạnh đó lại xuất hiện một số hồ lớn như Cổ Định, Hoà Yên, hồ bãi thải quặng đuôi, vì vậy tổng diện tích mặt nước đã tăng 200 ha Khai thác quặng Cromit Cổ Định đã làm tăng lượng nước mặt Nước mặt vùng mỏ có tính axit, khoáng chất, cặn lắng, chất thải cứng và các chất hữu cơ, dầu mỡ…làm ô nhiễm nguồn nước, huỷ hoại thảm thực vật và cây trồng

1.3.2 Tại khu vực mỏ đồng Sinh Quyền – Lào Cai

Khu mỏ Sinh quyền mặc dù có trữ lượng đồng lớn và đa dạng các khoáng vật, được khai thác theo quy mô công nghiệp nhưng trình độ chế biến sâu quặng còn thấp, sản phẩm cuối cùng còn hạn chế Tại khu mỏ này trong giai đoạn 1994 – 2005 chủ yếu mới là tinh quặng đồng, hàm lượng Cu: 18 – 20%, trong đó có chứa 6 – 8 gam/tấn Au, tinh quặng magnetit Fe khoảng 52% Các thành phần có ích khác đi kèm chưa được thu hồi, đều bị đưa vào bãi thải làm nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng

và chất độc hại ngày càng cao

Khu mỏ đồng Sinh Quyền hàng năm thải ra khoảng hàng trăm triệu tấn đất

đá còn lẫn quặng, khoảng một triệu tấn chất thải (dưới dạng bùn quặng) từ khâu tuyển quặng và hàng chục nghìn tấn thải từ khâu luyện quặng Mỏ dự kiến hoạt động trong khảng thời gian 50 năm và tất nhiên sẽ sinh ra một khối lượng khổng lồ chất thải nguy hại cho môi trường.[10]

1.4 Quá trình phong hoá quặng [7,12]

Phong hóa là hiện tượng biến đổi, phá hủy tại chỗ đất đá ở phần trên cùng của vỏ trái đất do các tác nhân trong khí quyển, thủy quyển và sinh quyển (như không khí, nước, nguồn năng lượng bức xạ mặt trời, sự biến đổi nhiệt độ, các quá trình kết tinh và hoạt động của sinh vật ) làm đất đá và khoáng vật bị thay đổi thành phần, cấu trúc và tinh thể

Các đá được tạo thành dưới sâu trong điều kiện giống như điều kiện lúc hình thành, nghĩa là tồn tại cũng ở sâu trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao thì chúng sẽ

ở trạng thái cân bằng Nhưng nếu vì một lý do nào đó, các đá bị phơi ra bề mặt để chịu những điều kiện mới: điều kiện về nhiệt độ, áp suất và các điều kiện vật lý của môi trường xung quanh khác hẳn với môi trường khi chúng còn nằm sâu thì các đá dần dần bị biến đổi

Có 3 loại phong hoá đá và khoáng vật là phong hoá vật lý, phong hoá hoá học và phong hoá sinh học Sự phân chia các loại phong hoá chỉ là tương đối vì trong thực tế các yếu tố ngoại cảnh đồng thời tác động lên đá và khoáng vật, do vậy 3 loại phong hoá đồng thời cùng diễn ra Các quá trình phong hoá liên quan mật thiết

và hỗ trợ cho nhau, tuỳ điều kiện cụ thể mà một trong 3 quá trình xảy ra mạnh hơn

1.4.1 Phong hoá vật lý

Phong hoá vật lý là quá trình làm các đá bị biến đổi mà không kèm sự biến đổi về thành phần khoáng vật mà chỉ biến đổi về kiến trúc, cấu tạo của đá và biến đá

từ nguyên khối thành cục, vụn, hạt

Phong hoá vật lý bao gồm những dạng sau:

* Phong hoá nhiệt: Động lực thúc đẩy các quá trình phong hóa nhiệt là sự nung nóng bởi bức xạ mặt trời và các hoạt động địa chất ngoại lực như nước chảy, gió thổi xảy ra trên bề mặt vỏ Trái Ðất Các lớp đất đá ở những độ sâu khác nhau có nhiệt độ khác nhau, do đó bị giãn nở khác nhau, khiến cho độ liên kết giữa các lớp

bị phá hủy dần rồi vỡ thành nhiều mảnh vụn Các loại đá có cấu tạo tinh thể, có các hạt với thành phần khoáng vật khác nhau, do đó có độ hấp phụ năng lượng mặt trời

và độ giãn nở khác nhau, dẫn đến sự phá hủy các khối đá cứng chắc thành những vụn, như trong trường hợp tạo cát ở các vùng khô nóng Mặt khác, trong những điều kiện đất đá giống nhau thì khi dao động nhiệt độ càng đột ngột và có biên độ càng lớn, hiệu ứng phong hóa nhiệt càng mạnh

Như vậy, đối với loại phong hóa này, dao động nhiệt độ giữa ngày và đêm đáng chú ý hơn cả Phong hóa nhiệt hoạt động rất mạnh ở các khí hậu khô nóng – các vùng sa mạc và bán sa mạc Còn ở các vùng ẩm ướt, do lớp phủ thực vật và thổ nhưỡng phát triển mạnh, bề mặt đá gốc được che phủ, biên độ dao động nhiệt độ giữa ngày và đêm nhỏ nên quá trình xảy ra yếu hơn

Trong đá thường có các lỗ hổng và các vết nứt nguyên sinh chứa đầy khí hay

(nước đóng băng) làm tăng thể tích tạo áp lực lớn lên thành khe nứt Vì vậy, sau mỗi lần nước trong khe nứt hóa băng, bản thân khe nứt lại bị giãn ra thêm một chút Hiện tượng hóa băng và tan băng xảy ra nhiều lần, khối đá bị phong hóa băng giá có thể bị vỡ thành nhiều những tảng và mảnh vụn

* Phong hoá cơ học do muối khoáng kết tinh: Nước trên bề mặt bốc hơi gây

ra sự vận chuyển nước mao dẫn lên mặt đất Trong quá trình này, nước mao dẫn hoà tan các muối khoáng và đưa lên trên bề mặt Tại đây, nước có chứa muối khoáng lại tiếp tục bốc hơi đồng thời muối khoáng bị kết tinh Trong quá trình kết tinh, thành

mao dẫn phải chịu một áp lực lớn khiến cho bề mặt nham thạch bị rạn nứt gây ra giãn nở phá vỡ nham thạch

* Phong hoá cơ học do sinh vật: Trong quá trình sống, các sinh vật đặc biệt

là hệ thống rễ thực vật có khả năng xuyên vào các khe, kẽ nứt của đá Các rễ cây phát triển dần làm kẽ nứt ngày càng rộng, gây nứt vỡ đất đá

Các mảnh vụn sinh ra có thể di chuyển đi nơi khác theo dòng nước chảy hoặc gió thổi sẽ phá huỷ các đá trên đường di chuyển của chúng Phong hoá vật lý

có tính chất tiên phong, tạo điều kiện thuận lợi cho phong hoá hoá học và sinh học

1.4.2 Phong hoá hoá học

Phong hóa hóa học là quá trình phá thủy đất đá do tác động hóa học giữa các khoáng vật của đất, đá với nước, không khí, các chất hóa học chứa trong nước, đất

đá bị biến đổi về thành phần khoáng vật và hóa học

Trong quá trình phong hoá tự nhiên, nhờ tác dụng phá vỡ, chia nhỏ đất đá và nham thạch của các tác nhân vật lý ở quá trình phong hoá vật lý xảy ra trước đó đã làm cho diện tích tiếp xúc của đá với môi trường tăng lên đáng kể Vì vậy các quá trình phong hoá hoá học xảy ra sau đó gặp thuận lợi hơn rất nhiều Khác với quá trình phong hoá vật lý, quá trình phong hoá do tác dụng của các tác nhân hoá học không chỉ làm cho đá vỡ vụn mà còn có thể làm cho thành phần hoá học của khoáng vật và đá thay đổi Các yếu tố như nước, không khí tác động lên các khoáng vật và

đá làm cho chúng bị phá huỷ, thay đổi về hình dạng, kích thước, thành phần và tính chất hoá học Có thể nói, phong hoá hoá học chính là các phản ứng hoá học diễn ra

do sự tác động của nước và không khí lên đá và khoáng vật

Phong hoá hoá học được chia thành 4 quá trình chính là: Oxi hoá, hyđrat hoá, hoà tan và sét hoá

* Quá trình hoà tan: Nước có thể hoà tan nhiều loại khoáng chất, đất đá và nham thạch Quá trình hoà 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 hoà tan như muối clorua, muối sulfat của các cation kim loại kiềm thì khả năng hoà tan của khoáng vật trong nước là rất lớn Nhưng đối với một số loại nham thạch khác như đá vôi và quặng đôlômit thì tốc độ hoà tan của chúng trong nước nhỏ hơn Nếu trong nước có

nhiều Đặc biệt là các khoáng cacbonat và muối mỏ Các khoáng vật và đá bị hoà tan tạo thành các dung dịch thật

* Quá trình oxi hoá khử: Quá trình này phụ thuộc chặt chẽ vào sự xâm nhập

khoáng vật và đá bị biến đổi, bị thay đổi về thành phần hoá học Do trong khoáng vật, đá và quặng thường có chứa các ion mức oxi hoá như Fe(II), Mn(II), Cu(I) nên khi gặp môi trường oxi hoá chúng dễ dàng chuyển thành các dạng có mức oxi hoá cao hơn Trong quá trình đó có thể gây ra những biến đổi về thành phần của quặng, khoáng, đất, đá, dần dần hình thành nên một số các dạng mới bền vững hơn trong môi trường phản ứng Các khoáng vật có chứa Fe(II) khi tiếp xúc với oxi không khí thường bị oxi hoá chuyển thành Fe(III) gây ra những thay đổi về thành phần của quặng

có thể tác dụng lên các khoáng vật sun phua khác và đẩy nhanh quá trình phân huỷ chúng theo phản ứng [6]

(M là các kim loại hoá trị hai: Cu Pb Zn )

- Chancopyrit bị oxy hóa khi có mặt oxy [11]

2-Nhưng khi có mặt Fe3+ thì xáy ra theo phương trình

* Quá trình sét hoá: Các khoáng vật silicat nhôm silicat do tác động của

dạng hoà tan Như vậy thực chất của quá trình sét hoá là các quá trình hoà tan hyđrat hoá chuyển các khoáng vật silicat nhôm silicat thành các khoáng vật thứ sinh các muối và oxít

Ví dụ:

1.4.3 Phong hoá sinh học

Hoạt động của sinh vật bậc thấp, bậc cao cũng tham gia phá huỷ các khoáng vật và đá Rễ cây xuyên vào các khe nứt hút nước và các chất khoáng, theo thời

và khoáng vật Khi chết xác sinh vật bị phân huỷ sinh ra các axit hữu cơ góp phần hoà tan các khoáng vật và đá Do vậy, bản chất của phong hoá sinh học là phong hoá vật lý và hoá học do sự tác động của sinh vật lên khoáng vật và đá Cũng trong quá trình này mẫu chất được tích luỹ chất hữu cơ do cơ thể sinh vật, các loại nấm, tảo, địa y để lại khi còn sống cũng như sau khi chết, tiết ra nhiều loại axit có tác dụng phá hủy đất đá

1.5 Các quá trình sau phong hóa quặng sunfua

Khi khai thác quặng, các loại đá, quặng nghèo, quặng thải và phần thải trong tinh luyện quặng được đổ ra môi trường, theo thời gian, dưới tác dụng của điều kiện

trường nước, di chuyển trong môi trường và gây ảnh hưởng môi trường nghiêm trọng

Quá trình phong hóa quặng sun phua thì sản phẩm thứ cấp chính là các muối

Như vậy sau quá trình phóng hóa do tác động của các yếu tố môi trường thì các kim loại trong sun phua trở thành các ion tự do linh động đi vào môi trường nước; còn sun phua thì biến thành sun phat và nó tạo thành từng dòng axit mỏ Nồng độ kim loại và sun phát trong dòng thải mỏ axit là lớn và pH thấp 0,1-1, nồng

700-2.600 mg/l [11] Khi các ion kim loại đi vào trong môi trường, chúng lại thực hiện một loạt các phản ứng kết tủa, tạo phức, thủy phân

1.5.1 Quá trình tạo kết tủa

Khi gặp môi trường pH cao, các ion này sẽ bị thủy phân về dạng hidroxit kết

xuống bùn hay trầm tích, khi gặp điều kiện môi trường thuận lợi như pH thấp hay chúng tạo phức tan với các axit hữu cơ có trong nước thì chúng sẽ giải phóng khỏi kết tủa và tiếp tục di chuyển trong môi trường

có thể bị phân hủy thành các hợp phần giống protein hay các hợp chất hidrocacbon, các phần có nhân thơm rất bền vững, sẽ tạo hợp chất bền vững với các ion kim loại, mặt khác chúng cũng ảnh hưởng đến pH của đất

1.5.3 Quá trình thủy phân

Quá trình thủy phân là phản ứng hóa học giữa các chất hóa học với các phân

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân và tạo kết tủa

Các ion kim loại nặng phân tán trong nước, tham gia quá trình thủy phân và tạo kết tủa Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thủy phân và tạo kết tủa của chúng gồm có các yếu tố như: nhiệt độ, độ pH, nồng độ ion trong nước và bản chất của từng loại ion

Thật vậy, khi nhiệt độ môi trường tăng lên, cũng như khi tăng nồng độ các ion kim loại trong nước, chuyển động của các ion và mật độ các ion tăng lên, số va chạm có hiệu quả tăng lên thì quá trình thủy phân xảy ra nhanh hơn

Độ pH có ảnh hưởng rất lớn đến sự thủy phân của các ion kim loại nặng Thông thường, ở pH càng cao, sự thủy phân càng xảy ra mạnh mẽ do môi trường có

xảy ra nhanh hơn và hiệu quả hơn

Các ion khác nhau thì sự thủy phân cũng khác nhau Mỗi kim loại đều có tích

số tan của các hidroxit tương ứng khác nhau Do đó, trong quá trình phân ly của

Ngoài các yếu tố trên, trong quá trình hình thành, các kết tủa có khuynh hướng hấp thu các ion lạ mặt có trong dung dịch Sự hấp phụ xảy ra có thể do cộng kết, sự hấp tàng hoặc sự kết tủa sau Một số trường hợp có tạo thành dung dịch keo

mà bản chất là do các phần tử hấp thụ các ion tích điện, tạo nên một lớp điện kép ngăn cản các hạt keo tự đông tụ thành kết tủa, làm giảm quá trình thủy phân của các ion kim loại

Ta có các giá trị tích số tan của một số hidroxit kim loại nặng chính có trong quặng đồng như sau:

Bảng 1.1 Bảng tích số tan của một số hidroxit kim loại nặng

sẽ gắn với các màng tế bào, axit nucleic, protein… Trong cơ thể động vật sắt liên kết trong các tổ hợp heme (là thành phần thiết yếu của cytochromes), là những protein tham gia vào các phản ứng oxi hoá khử và của các protein chuyên chở oxi như hemoglobin và myoglobin

Việc hấp thụ quá nhiều sắt gây ngộ độc, vì các sắt(II) dư thừa sẽ phản ứng với các peroxit trong cơ thể để sản xuất ra các gốc tự do Khi sắt trong giới hạn cho

lượng gây chết người đối với trẻ 2 tuổi là 3 gam Một gam có thể gây ra sự ngộ độc nguy hiểm Mức cao nhất của sắt đối với người lớn là 45 mg/ngày, trẻ em dưới 14 tuổi mức cao nhất là 40 mg/ngày

Giới hạn nồng độ sắt cho phép trong nước uống của WHO là 0,1 mg/l, giới hạn cho phép của Việt nam trong nước sinh hoạt là 1 mg/l

1.6.2 Cadmi [2, 4, 8]

Cadmi (Cd) là kim loại có màu trắng bạc, dễ rèn, dễ dát mỏng thành lá và kéo thành sợi mảnh, Cd bền trong không khí ẩm vì được phủ một lớp vỏ oxit Khi đốt trong không khí tạo thành CdO – oxit rất độc

Trong nước thiên nhiên thường không có cadmi, nhưng trong nước thải công nghiệp thường có cadmi Cadmi từ các nguồn nước thải đó thường nhiễm vào nước thiên nhiên, đặc biệt là nước bề mặt Hoạt động thải nước có chứa cadmi là chất thải công nghiệp mỏ, công nghiệp luyện kim, quá trình lọc dầu, công nghiệp điện tử, sản xuất pin, ác quy, công nghiệp mạ… Trong nước, cadmi ở dạng ion đơn trong môi trường axit, và ở dạng ion phức (xianua, tactrat) hoặc dưới dạng không tan (hidroxit, cacbonat) trong môi trường kiềm

Cadmi vận chuyển thông qua chuỗi thức ăn từ cá thể loài này sang cá thể loài khác Nó có khả năng tích luỹ sinh học rất cao Nó rất dễ bị tích luỹ và tích luỹ nhanh trong động vật, đặc biệt là các vi sinh vật, động vật nhuyễn thể, động vật không xương sống và có thời gian bán huỷ sinh học dài khoảng 10 - 30 năm

, nó có khả

ra ngoài Tuy nhiên, vẫn còn khoảng 1% liên kết với protein trong thận tạo thành metallotionein giữ lại trong thận, và cứ như vậy ngày càng được tích tụ dần trong

thận theo tuổi, đến một lúc nào đó lượng Cd2+ này đủ lớn có thể thay thế Zn2+ trong các enzym và gây ra rối loạn trao đổi chất

Nhiễm độc cadmi gây nên chứng bệnh giòn xương, rối loạn chức năng của thận, thiếu máu, tăng huyết áp, phá huỷ tuỷ xương và gây ung thư (ung thư tinh hoàn, ung thư tiền liệt tuyến, ung thư phổi) Hít phải cadimi làm hỏng các tế bào phế nang, gây phù phổi và các bệnh về phổi

tụ trong cơ thể sinh vật Chì vào cơ thể con người chủ yếu qua đường hô hấp và thức ăn Khả năng hấp thụ chì ở trẻ em cao hơn người trưởng thành

Sự hấp thụ chì vào cơ thể phân bố không đồng đều Trước tiên nó đi vào máu

và đến các mô, sau đó là xương và tích tụ trong xương, khi đó nó đóng vai trò là nguồn nội chì Thời gian bán huỷ của chì trong máu và mô mềm từ 28 – 36 ngày Thời gian lưu trong xương dài hơn nhiều và tích luỹ lại trong đó có thể đến cả đời

Sự vận chuyển chì vào bào thai xảy ra dễ dàng, thông qua suốt thời kỳ thai nghén

Chì và các hợp chất của chì đều độc Chúng rất nguy hiểm ở chỗ khó có những phương tiện để cứu chữa khi bị nhiễm độc lâu dài cho nên cần hết sức cẩn thận khi tiếp xúc với chúng

Khi cơ thể bị nhiễm độc chì sẽ gây ức chế một số enzim quan trọng của quá trình tổng hợp máu gây cản trở quá trình tạo hồng cầu Chẳng hạn chì gây ức chế một trong các sản phẩm trung gian trong quá trình tạo hồng cầu, đó là sản phẩm delta-amini levulinic axit nó là thành phần quan trọng để tổng hợp porphobilinogen Khi hàm lượng chì trong máu đạt khoảng 0,3 ppm thì nó ngăn cản quá trình sử dụng oxi để oxi hoá glucozơ, tạo năng lượng cho quá trình sống, do đó làm cho cơ thể mệt mỏi Ở nồng độ cao hơn (> 0.8 ppm) có thể gây nên bệnh thiếu máu do thiếu sắc tố hồng cầu Hàm lượng chì trong máu nằm trong khoảng 0,5 – 0,8 ppm gây ra sự phá huỷ chức năng của thận và phá huỷ tế bào não Điều ít được biết đến là chì làm tăng huyết áp ở phụ nữ mang thai Chì ở liều lượng thấp cũng có thể ngăn cản sự phát triển sinh lý và trí tuệ của trẻ sơ sinh và trẻ em Liều độc của axetat chì là 1mg và của cacbonat chì là 2 – 4 g đối với người lớn Việc điều trị nhiễm độc chì rất phức tạp, tỷ lệ khỏi bệnh rất thấp

1.6.4 Coban [12]

Coban là kim loại màu trắng xám, cứng và giòn hơn sắt và niken, có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao Ở điều kiện thường nó hoạt động hoá học kém do có màng oxit bảo vệ

Trong nước sinh hoạt và nước tự nhiên thường không có coban, hay nếu có thì cũng ở dạng vết Coban chỉ có trong nước ở một số hồ, sông mà nguồn nước của

nó chảy qua những núi, mỏ có coban Coban trong nước chủ yếu do một số ngành công nghiệp thải ra như công nghiệp mạ, luyện kim, hoá chất

Coban có vai trò sinh học rất lớn và là nguyên tố vi lượng trong thực vật Nhiều sinh vật sống (kể cả con người) phải cần đến một lượng nhỏ coban trong cơ thể để tồn tại Cho vào đất một lượng nhỏ coban từ 0,13 – 0,3 mg/kg sẽ làm tăng

sức khoẻ của động vật ăn cỏ Coban là một thành phần trung tâm của vitamin cobalamin, hoặc vitamin B-12

Các hợp chất của coban có độc tính nhẹ

1.6.5 Crom [2, 4, 8]

Crom là kim loại màu trắng bạc có ánh kim, độ cứng cao và nhiệt độ nóng chảy cao, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt Crom bền vững với không khí, hơi ẩm và khí cacbonic do được bảo vệ bởi màng oxit mỏng và bền ở trên bề mặt

Nguồn thải chính vào trong nước tự nhiên chính là nước thải công nghiệp Những nghành công nghiêp thải ra nhiều crom như: tạo màu, nhuộm, tananh hoá, điện cực nhôm và các quá trình mạ kim loại và mạ điện khác; trong các nghành

Crom kim loại và các hợp chất crom(III) thông thường không được coi là nguy hiểm cho sức khoẻ, nhưng các hợp chất crom(VI) lại độc hại nếu nuốt, hít phải Liều tử vong của các hợp chất crom(VI) độc hại là khoảng nửa thìa trà Phần lớn các hợp chất crom(VI) gây kích thích mắt, da và màng nhầy Phơi nhiễm lâu ngày trước các hợp chất crom(VI) có thể gây tổn thương mắt vĩnh viễn, nếu không được xử lý đúng cách Nó còn là tác nhân gây ưng thư ở người Crom khi vào cơ thể người nó được tích luỹ trong gan thận gây tổn thương gan thận và làm tổn thương các cơ quan khác

1.6.6 Đồng [2, 4, 6, 8]

Trong tự nhiên, đồng là nguyên tố tương đối phổ biến và chủ yếu tồn tại ở dạng tự do Đồng có một lượng bé trong thực vật và động vật Trong cơ thể con người, đồng có trong thành phần của một số protein, enzim và tập trung chủ yếu ở gan Hợp chất của đồng là cần thiết đối với quá trình tổng hợp hemoglobin và

Hàm lượng đồng trong các loại nước thiên nhiên và trong các nguồn nước sinh hoạt dao động trong khoảng 0,001 đến 1mg/l Các nguồn nước ở gần xí nghiệp tuyển quặng có thể lên đến 1000 mg/l Trong nước, đồng thường tồn tại ở dạng cation hoá trị II hoặc dưới dạng các ion phức với xianua, tactrat… Nguồn thải chính của đồng trong nước thải công nghiệp là nước thải quá trình mạ và nước thải quá trình rửa, ngâm trong bể có chứa đồng

Đồng là nguyên tố có độc tính cao đối với hầu hết các thực vật thuỷ sinh, ở nồng độ thấp ≤ 0,1 mg/l nó đã gây ức chế không cho các thực vật này phát triển Với khuẩn lam khi hàm lượng đồng là 0,01 mg/l đã làm chúng chết Với thực vật, khi hàm lượng đồng là 0,1 mg/l đã gây độc Đối với cá nước ngọt thì đồng cũng gần như là kim loại có độc tính nhất chỉ sau thuỷ ngân với hàm lượng 0,002 mg/l cũng

đã làm cho cá chết Đối với con người, khi hàm lượng đồng trong cơ thể là 10 g/kg thể trọng gây tử vong, liều lượng 60-100 mg/kg gây buồn nôn Tiếp xúc thường xuyên với đồng dẫn đến xơ gan, tổn thương não, mắc các bệnh về thận…

Giới hạn cho phép của đồng trong nước sinh hoạt là 2 mg/l

1.6.7 Kẽm [4, 6, 8]

Kẽm là kim loại màu trắng bạc, nhưng ở trong không khí ẩm, chúng dần dần

bị bao phủ bởi màng oxit nên mất ánh kim Kẽm mềm và dễ nóng chảy

Kẽm thường có trong những quặng đa kim cùng với chì và đồng Kẽm còn có lượng đáng kể trong thực vật và động vật Cơ thể con người chứa kẽm đến 0,001% Kẽm

có trong enzim cacbanhidrazơ là chất xúc tác quá trình phân huỷ của hidrocacbonat

ở trong máu, và do đó đảm bảo tốc độ cần thiết của quá trình hô hấp và trao đổi khí Kẽm có trong insulin là hocmon có vai trò điều chỉnh độ đường ở trong máu

Trong nước tự nhiên hàm lượng kẽm thường rất nhỏ nằm trong khoảng từ 0,0001 – 5,77 mg/l Lượng kẽm trong nước tự nhiên chủ yếu do các nguồn nước

thải đưa vào, đặc biệt nước thải của các nhà máy luyện kim, công nghiệp hoá chất, các nhà máy sợi tồng hợp Trong nước, kẽm tồn tại ở dạng ion đơn hay các ion phức xianua, cacbonat, sulfua…

Kẽm là nguyên tố vi lượng cần thiết cho mọi hình thái của sự sống Kẽm tham gia vào thành phần của 300 enzym khác nhau, được xem như chất xúc tác không thể thiếu của ARN-polimerase trong qúa trình nhân bản ADN và tổng hợp chất đạm

Kẽm và hợp chất của chúng khá ít độc tính, chúng ít ảnh hưởng đến các động vật thân nhiệt ổn định mà chỉ ảnh hưởng đến động vật biến nhiệt Ăn vào cơ thể hơn

150 mg Zn mỗi ngày có thể gây rối loạn chuyển hoá đồng và sắt Một liều rất cao (450 mg/ngày) làm thiếu đồng và gây thiếu máu nguyên bào sắt Liều quá cao có thể gây suy giảm chức năng miễn dịch Quá liều có thể gây buồn nôn, nôn, phát ban, sự khử nước và loét dạ dày Nếu đưa vào cơ thể lượng lớn kẽm 2 - 4 gam có thể gây chết người sau 10 - 48 giây Kẽm làm giảm hấp thu tetracycline Nên tránh điều trị kẽm trong thai kỳ và cho con bú

1.6.8 Mangan [4, 6, 8]

Mangan là kim loại màu trắng bạc, khó nóng chảy và khó sôi Mangan tinh khiết dễ cán và dễ rèn nhưng khi chứa tạp chất thì trở nên cứng và giòn Mangan là kim loại quan trọng trong các hợp kim công nghiệp, đặc biệt là thép không gỉ

Trong thiên nhiên mangan là nguyên tố tương đối phổ biến chiếm 0,1 % khối lượng vỏ trái đất Đất chứa 7 – 9000 ppm mangan với hàm lượng trung bình 440

lượng này còn phụ thuộc vào nguồn nước và khu vực nước chảy qua Các nguồn nước thải từ nhà máy luyện kim, công nghiệp hoá chất, nhà máy pin…có hàm lượng mangan cao Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng mangan dao động trong khoảng 0,47 – 0,5 mg/l

1.6.9 Niken [4, 8]

Niken là kim loại màu trắng bạc dễ rèn, dễ rát mỏng, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao Ở điều kiện thường, niken phản ứng chậm do có màng oxit bảo vệ Trong tự nhiên, niken là nguyên tố ít phổ biến, hàm lượng trung bình trong vỏ trái đất là 0,02% Các khoáng vật chứa niken là nikelin (NiAs), milerit (NiS) và penlađit

Niken có độc tính cao với cá, nồng độ niken trên 0,03 mg/l gây tác hại cho các cơ thể sống bậc thấp trong nước Đối với một số gia súc, thực vật, vi sinh vật niken được xem là nguyên tố vi lượng Niken có tác dụng một số enzym Hiện nay, người ta vẫn chưa quan sát thấy hiện tượng ngộ độc niken qua đường miệng thức ăn

hại và có thể gây ung thư

Chương 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Để góp phần tìm hiểu về hiện tượng ô nhiễm kim loại nặng tại các bãi thải, đuôi quặng nghèo đồng sunfua Đối tượng nghiên cứu là quặng chalcopyrit và các kim loại nặng có hàm lượng cao trong quặng

2.2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu quá trình thủy phân và tạo kết tủa bền của một số kim loại nặng

có hàm lượng cao trong quặng đồng sunfua

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các ion chính như Fe, Cu đến đường cong thủy phân của các kim loại nặng nói trên

- Nghiên cứu điều kiện ảnh hưởng đến khả năng tạo kết tủa ổn định và khả năng hòa tan của các hydroxit kim loại nặng nói trên

- Đánh giá khả năng vận chuyển và tồn lưu của một số kim loại nặng nói trên trong điều kiện tương tự như phong hóa tự nhiên đối với quặng đồng Sinh Quyền

2.3 Các phương pháp nghiên cứu

- Nhóm phương pháp mô hình hóa và thử nghiệm: Xây dựng các mô hình lý thuyết tương tự trong điều kiện có ảnh hưởng đến sự thủy phân và tồn lưu của các kim loại nặng chính trong quặng đồng

- Nhóm phương pháp phân tích: Xác định hàm lượng kim loại nặng còn lại trong mẫu thí nghiệm bằng phương pháp phổ khối plasma (ICP-MS), phổ hấp thu nguyên tử (AAS)

- Phương pháp chuyên gia: Tư vấn và trao đổi kinh nghiệm để tranh thủ kiến thức và kinh nghiệm của các chuyên gia về vấn đề nghiên cứu

2.4 Danh mục hoá chất thiết bị cần thiết cho nghiên cứu

Bảng 2.4.1.a Danh mục hoá chất cần thiết cho nghiên cứu

Bảng 2.4.1.b Danh mục hoá chất cần thiết cho nghiên cứu

2

đến sự thủy phân các ion kim loại nặng

3

đến sự thủy phân các ion kim loại nặng

4

đến sự thủy phân các ion kim loại nặng

5

6

Bảo vệ một số chất bị oxy hóa trong môi trường

7

Bảo vệ một số chất bị oxy hóa trong môi trường

Bảng 2.4.2 Danh mục thiết bị cần thiết cho nghiên cứu

7

Các dụng cụ thuỷ tinh phổ biến

trong PTN như : bình tam giác,

bình định mức, cốc thủy tinh, đũa

thủy tinh, pipet, phễu lọc, giấy

với khối lượng như sau: