Nghiên cứu khả năng hấp thụ kim loại nặng của đất phù sa và đất bạc màu tại Hà Nội doc

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP THU KIM LOẠI NẶNG CỦA ĐẤT PHÙ SA VÀ ĐẤT XÁM BẠC MÀU TẠI HÀ NỘI Bùi Thị Phương Loan 1 , Nguyễn Quang Hải 2 , Kazuhiko Egashira 3 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 (Fe oxs ), 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 cnh li ích thúc Ny phát trin kinh t xã hi, vn  ô nhim môi trưng trong ó có môi trưng t, nưc và không khí ang gây tác ng không nh n i sng và nn nông nghip ca th ô. Mt trong nhng vn  rt áng ưc quan tâm trong sn xut nông nghip ó là mc  ô nhim các kim loi nng có ngun gc khác nhau trong t ngày càng gia tăng, cn tr quá trình sn xut nông sn an toàn. Kh năng hp thu ca t ưc coi là yu t quyt nh hay cơ ch quan trng nht chi phi hàm lưng kim loi nng trong t. Có nhiu thành phn khác nhau ca t hp thu kim loi nng, trong ó quan trng nht là cht hu cơ, ôxít st t do và khoáng sét. Do ó, các loi t khác nhau có th có kh năng hp thu khác nhau i vi cùng mt kim loi nng. Tuy nhiên cho n nay chưa có kt qu nghiên cu c th nào v kh năng hp thu kim loi nng trong các loi t và vai trò ca mi thành phn t i vi kh năng hp thu kim loi nng. Chính vì vy mc 1 Vin Môi trưng N ông nghip. 2 Vin Th nhưng N ông hóa. 3 Trưng i hc Kyushu - N ht Bn. ích ca nghiên cu này nhm xác nh ưc kh năng hp thu kim loi nng và các thành phn ch yu trong t (t phù sa và t xám bc màu) t ó giúp cho vic qun lý và s dng hiu qu các vùng t trên phc v sn xut nông sn an toàn. II. VT LIU VÀ PHƯƠN G PHÁP N GHIÊN CU 1. Mẫu đất và địa điểm lấy mẫu t phù sa ca h thng sông Hng (ưc bi t trm tích sông Hng và phn phía trên ca Sông ung) ưc ly  xã Minh Khai, huyn T Liêm và t xám bc màu phát trin trên nn phù sa cũ ca h thng sông Hng và t feralít ưc ly  xã Phú Minh, huyn Sóc Sơn. C 2 mu t u ưc ly trên nn canh tác lúa nưc và gn ây là rau màu hoc lúa - màu Mu ưc ly   sâu 0 - 15 cm, phơi khô không khí và rây qua rây 2 mm. Các tính cht lý hóa hc, khoáng sét và kh năng hp thu kim loi nng ưc phân tích ti Trưng i hc Tng hp Kyushu, N ht Bn. 2. Xác định khả năng hấp thu của các kim loại trong đất Phương pháp th nghim trng thái cân bng ng lot (batch equilibrium test) ưc s dng  xác nh ưng ng nhit mô t kh năng hp thu kim loi nng ca t. ChuNn b dung dch mui nitrate ca các kim loi nng  7 mc nng  khác nhau i vi Pb, Cu và Zn bao gm: 50, 100, 250, 500, 1000, 1500 và 2000 mg/L ChuNn b 7 b ng ly tâm 50 - mL, cân chính xác 2,0 g t khô không khí vào các ng ly tâm và thêm 20 mL các dung dch trên. Lc hn hp trong vòng 24 gi  nhit  trong phòng (25 o C)  t n trng thái cân bng v mt trao i, sau ó ly tâm vi tc  2.000 vòng/phút trong vòng 15 phút và tin hành lc mu. N ng  kim loi  trng thái cân bng trong dung dch ưc xác nh bng máy quang ph hp ph nguyên t. Thí nghim ưc lp li 2 ln  m bo  chính xác. Lưng kim loi hp thu ưc tính theo công thc: q a = m )VC-(C fi Trong ó: Q a là lưng kim loi hp thu trong 1 ơn v khi lưng t (mg/kg); C i là nng  ban u (mg/L) ca dung dch mui nitrate kim loi trưc khi thí nghim; C f là nng   trng thái cân bng trao i (mg/L) ca kim loi trong dung dch sau khi thí nghim; V là th tích dung dch mui nitrate kim loi (mL) và m là khi lưng t (g) s dng trong thí nghim. 3. Xác định khả năng hấp thu kim loại trong các thành phần đất Mt b gm 3 mu cha 2,0 g t khô ưc ánh s là M - 1, M - 2 và M - 3, trong ó vi M - 1 ch cho 50 mL nưc  xác nh lưng hp thu toàn b các thành phn ca t, cho 50 mL H 2 O 2 7% vào M - 2 và M - 3  loi b hu cơ, tip tc cho 2,0 g bt hydrosulfite natri và 25 mL dung dch citrate vào ng cha M - 3  loi b st t do. ChuNn b 3 b, mi b gm 3 mu ưc x lý như mô t  trên  dùng cho thí nghim xác nh kh năng hp thu ca 3 kim loi nng Cu, Pb và Zn trong các thành phn t (S dng mui nitrate ca tng kim loi nng  nng  1500 ppm). Lưng kim loi hp thu trong tng thành phn t ưc tính theo công thc: q a = m )VC-(C fi Trong ó: Lưng kim loi hp thu tính ưc t M - 1, M - 2 và M - 3 ln lưt là q a - 1, q a - 2 và q a - 3. Trong ó q a - 1 tương ng vi lưng kim loi hp thu bi toàn b các thành phn ca t, lưng hp thu do cht hu cơ ưc tính bng cách ly q a - 1 tr i q a - 2 và lưng hp thu do ôxít st t do bng q a - 2 tr q a - 3. Vì M - 3 ã ưc loi cht hu cơ và ôxít st t do nên q a - 3 chính là lưng hp thu kim loi nng ch yu do khoáng sét. III. KT QU N GHIÊN CU VÀ THO LUN 1. Một số tính chất lý hóa học của đất Tính cht ca t phù sa như sau: PH (H 2 O): 7,7; hàm lưng hu cơ: 17,2 g/kg; ôxít st t do: 43,3 g/kg; sét (cp ht < 2 µm) trong phn khoáng: 17,2%; và khoáng sét hot ng loi hình 2:1 (bao gm tng hàm lưng mica, chlorite, vermiculite và smectite): 63%. Các giá tr tương ng ca t xám bc màu là: 5,7; 13,8 g/kg; 4,3 g/kg; 6,7% và 35% (bao gm tng hàm lưng mica, chlorite, khoáng hn hp mica/vermiculite/smectite ~ mica/smectite và dng quá  chlorite - vermiculite). 2. Khả năng hấp thu kim loại nặng trong đất phù sa và đất xám bạc màu Kh năng hp thu ca mi mt kim loi (Cu, Pb, Zn) trong t phù sa và t xám bc màu ưc biu din bng ưng ng nhit tuân theo mô hình Freudlich vi h s tương quan rt 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 tt c các trưng hp, ti các nng  ban u như nhau thì lưng hp thu i vi bt kỳ kim loi nào trong t phù sa cũng luôn cao hơn rõ rt so vi t xám bc màu. iu này chng t kh năng hp thu kim loi nng ca t phù sa cao hơn nhiu so vi t xám bc màu. Mc  chênh lch v lưng hp thu i vi cùng 1 kim loi nng gia 2 loi t  các nng  C i thp là không áng k, nhưng  nng  C i cao hơn thì mc chênh lch này cao hơn và ph thuc vào các kim loi khác nhau: Cao nht là i vi Pb, tip n 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 0 - 1 ( mg/ kg ) q a 1 0 - 1 ( mg/ kg ) C f (mg/L) Alluvial soil Pb C f (mg/L) Grey degraded soil Cu Zn Pb Zn Cu q a 1 0 - 1 ( mg/ kg ) q a 1 0 - 1 ( mg/ kg ) 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) Kt qu hình 2 cho thy, kh năng hp thu ca cùng 1 loi t i vi các kim loi khác nhau là khác nhau. i vi t phù sa, tc  hp thu ưc gi  mc cao trong khi nng  cân bng còn li rt thp khi thí nghim  các nng  C i t 50 - 100 mg/L i vi Zn, 50 - 250 mg/L vi Cu và 50 - 1.000 mg/L vi Pb. iu này có nghĩa là gn như toàn b lưng kim loi nng trong dung dch ã b t hp thu ht và căn c vào khong nng  C i ưc ghi nhn  trên thì kh năng hp thu kim loi nng gim theo th t Pb >> Cu > Zn. i vi t xám bc màu thì tc  hp thu gim nhanh khi vưt qua ngưng nng  C i là 50 mg/L i vi Cu và Zn và 250 mg/L vi Pb. Tc  hp thu ca Cu gim mnh hơn Zn nên  nng  C i = 2.000 mg/L thì lưng Cu hp thu thp hơn lưng Zn. Do ó kh năng hp thu kim loi nng trong t xám bc màu gim theo th t Pb >> Zn > Cu. 3. Khả năng hấp thu kim loại nặng trong các thành phần hấp thu của đất Kt qu cho thy ngưng hp thu ti a ca cht hu cơ, ôxít st t do và khoáng sét i vi Pb cao hơn so vi Cu và Zn. Gia Cu và Zn thì lưng hp thu Zn ca cht hu cơ và khoáng sét cao hơn Cu, trong khi ó lưng hp thu Zn ca ôxít st t do thp 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. Đất phù sa Đất xám bạc màu Liên quan n loi hình cht hp thu, lưng hp thu gim theo th t cht hu cơ > khoáng sét > ôxít st t do i vi Pb và Zn và cht hu cơ > ôxít st t do > khoáng sét i vi 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 s ắt tự do; : Chất hữu cơ; : khoáng sét Cu Pb Zn Cu Pb Zn Đ ất xám bạc m àu Đ ất ph ù sa T¹p 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, .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 guyen Hai, 2002. General chemical fertility and chemical processes of grey degraded soils as a problem soils in Vietnam. Journal of the Faculty of Agriculture, Kyushu University, 47: 437 - 445 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 guyễn Mạnh Khải, Phạm Quang Hà và I. Oborn, 2006. Phương pháp cân bng nguyên t  ánh giá ri ro ô nhim môi trưng t: Mt nghiên cu v Cu và Zn trong t vùng ngoi ô Hà Nội. Tạp chí Hội Khoa học Đất, 26: 112 - 118 6 guyen 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 guyen 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 guyen 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 . NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP THU KIM LOẠI NẶNG CỦA ĐẤT PHÙ SA VÀ ĐẤT XÁM BẠC MÀU TẠI HÀ NỘI Bùi Thị Phương Loan 1 , Nguyễn. 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,