Nguồn gốc, sự di chuyển và các tương tác của các hợp chất as trong nước ngầm

Nguồn gốc, sự di chuyển và các tương tác của các hợp chất As trong nước ngầm MỤC LỤC 1 Tổng quan 1 1 Giới thiệu chung về Asen 1 2 Phân loại 1 3 Tính chất hóa lý của Asen 1 4 Nguồn hình thành As trong.

Nguồn gốc, di chuyển tương tác hợp chất As nước ngầm MỤC LỤC Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung Asen 1.2 Phân loại 1.3 Tính chất hóa lý Asen 1.4 Nguồn hình thành As nước ngầm 1.4.1 Qtrình oxy hố giải phóng Asen khỏi khống vật, quặng đá mẹ 1.4.2 Q trình giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm 1.4.2.1 Q trình oxy hố 1.4.2.2 Q trình khử 1.4.2.3 Q trình sinh hố (vi khuẩn) Sự di chuyển Asen tự nhiên 2.1 Sự di chuyển Asen từ trầm tích vào nước 2.2 Sự di chuyển Asen nước ngầm Các tương tác hợp chất As nước ngầm dạng tồn As nước ngầm q trình chuyển hóa hợp chất As nước ngầm Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung Asen Asen đứng thứ hai mươi phong phú vỏ trái đất., xuất nhiều loại khoáng vật Nguyên tố nhà bác học Albertus Magnus tìm thấy năm 1250 Asen có ký hiệu As Khối lượng nguyên tử 74,92, số nguyên tử 33 Nó tồn tự nhiên trạng thái oxy hóa +V (arsenat), +III (arsenide), (asen) -III (arsine) Trong môi trường nước asen vô thường xuất trạng thái ôxi hóa +V +III dạng axit asen (As(III)), axit asen (As(V)) muối chúng Asen hợp chất sử dụng thuốc trừ dịch hại, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu loạt hợp kim Nồng độ an toàn cho phép theo tiêu chuẩn WHO 10 microgram/l xâm nhập thể thời gian dài, nồng độ thấp asen có ảnh hưởng đến sức khỏe, ban đầu nhiễm độc mãn tính dẫn đến tích tụ asen da, tóc móng tay, móng chân, dẫn đến tăng sắc tố da, sừng hóa gan bàn tay, bàn chân, rối loạn chức thần kinh sau khoảng 15 đến 30 năm, người nhiễm asen có nguy mắc ung thư da, bàng quang, thận phổi 1.2 Phân loại Trong tự nhiên asen tồn dạng vô hữu Asen vô thường tồn dạng hòa tan nước đất đá Đối với loại thường có hai loại arsenate arsenit Asen hữu thường tìm thấy nhiều mô thịt động vật thực vật Đối với thể người chúng vơ hại Trong nước asen thường tồn chủ yếu dạng asenit, asenat, monometylasonic axit hay dimetylasinic axit có hàm lượng thấp, chủ yếu asen bị thủy phân lắng xuống bùn Từ mô tập trung, asen bị phong hoa kim loại khác sau vận chuyển phân tán môi trường Một phần lớn senat kết tia trở lại hấp phụ hạt kiểu phù sa dịng sơng, suối mang từ núi xuống bồi đắp đồng châu thổ sông Đồng thời với trình giải phóng asen q trình khu As (V) As (III) chúng vào nước ngầm Asen tồn môi trường chủ yếu dạng As 3, Ash, As+3 As+5 dụng vô hữu Trong nước tự nhiên mạch tồn chủ yếu dạng vô cơ, lượng nhỏ asen hữu chủ yếu MMA(V), DMA(V) Các dạng asen vô tồn chủ yếu dạng H.AsO, môi trường chất khử H,AsO, môi trường chất oxi hóa, cịn dạng hữu mơi trường nước tự nhiên vi có chuyển hóa sinh học Trong nước mặt, nước thai asen tồn nhiều dụng khác 1.3 Tính chất hóa lý Asen Asen tồn vài dạng thù hình: dạng kim loại, dạng vàng, dạng xám dụng nâu Asen kim loại asen xám bền điều kiện thường đun nóng Nhìn bề ngồi thấy chúng giống chất có cấu tạo tinh thể giịn có ánh kim vết vừa vơ Asen có nhiệt độ nóng chảy 817C gặp lạnh ngưng thành tinh thể, tỷ trọng asen 5,72 g/cm’ Asen phi kim chất rắn màu vàng, có mạng lưới phân tử mà mắt mạng lưới phân tử As Dạng không bền, nhiệt độ thường tác dụng ánh sáng chuyển nhanh sang dạng kim loại Asen dạng tạo lên ngưng tụ Hơi asen gồm phân tử As,, bắt đầu phân huỷ 1325°C phân huỷ hoàn toàn nhiệt độ 1700C Trong tất hợp chất hợp chất có tính chất thương mại quan trọng asen (III) oxit Ở nhiệt độ khoảng 800C tồn thể hơi, có cơng thức phân tử As,O Hợp chất sản phẩm phụ trình luyện đồng số kim loại màu khác từ quặng sunfua Nó có nhiệt độ sơi khoảng 465°C thăng hoa nhiệt độ thấp Asen khơng hồ tan nước Trong khơng khí nhiệt độ thường bị oxy hố chậm cịn bị đốt nóng mạnh bị cháy tạo thành oxit As,Oy màu trắng có mùi tỏi đặc trưng Ở nhiệt độ cao asen có khả tác dụng với nhiều nguyên tố Trong hợp chất asen thường có số oxi hố -3; +3 +5 Asen tự hợp chất độc ảnh hưởng: 1.4 Nguồn hình thành As nước ngầm Theo lý thuyết As nước ngầm có hai nguồn gốc nguồn gốc tự nhiên nguồn gốc nhân tạo [1, 6, 9, 12, 15, 21] Nguồn gốc tự nhiên bao gồm nguồn gốc trình địa chất trầm tích tạo nên tác động q trình như: q trình oxy hố, qúa trình khử, q trình sinh hố Nguồn gốc nhân tạo bao gồm hoạt động nhân sinh sinh : đốt than, khí thải, nước thải chưa As, sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, nước tưới, chất thải cơng nghiệp, 1.4.1 Q trình oxy hố giải phóng Asen khỏi khống vật, quặng đá mẹ Trong tự nhiên có hàng nghìn khống vật chưa As (bảng 1,phụ lục 3) Riêng nhóm HydroArsenate Asenite có tới 213 khống vật, nhóm sulfuaArsenate có 73 khống vật, Các khống vật có chứa hàm lượng As khác nhau, thường từ vài mg/kg đến hàng trăm mg/kg Trong đất có mảnh khống vật chứa As phức chất chứa As Các khoáng vật chứa As hình thành với trình địa chất tạo núi tạo quặng Theo thời gian cách hàng chục nghìn năm, tác động trình kiến tạo , địa động lực q trình phong hố , bào mịn, rửa lũa, hồ tan đá, quặng khống vật, As vật liệu chứa As dòng nước vận chuyển tới vùng trũng tích tụ, lắng đọng với q trình trầm tích Như giải phóng As khỏi đất đá chứa q trình oxy hố khống vật, quặng , đá chủ yếu Q trình oxy hố quặng Asenopyrite, khoáng vật chứa nhiều As thể qua phương trình: FeAsS(S) + 13 Fe3+ + 8H2O « 14Fe2++ SO42- + 13H+ + H3AsO4 4FeAsS(S) + 13 O2 6H2O « 4SO42- + 4H3AsO4 + Fe3+ + 12H+ 1.4.2 Q trình giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm 1.4.2.1 Q trình oxy hố Trong thành tạp địa chất từ trước, với trình hình thành, phát triển biến đổi trầm tích, As tích luỹ tích trữ tự nhiên đất đá Các vật chất giàu quặng As bị phá huỷ, rửa trôi lắng đọng với trầm tích Điều kiện bảo tồn quặng tốt đất đá ngập nước lâu nước có điều kiện trao đổi, vận động Lúc nước trầm tích có hàm lượng As thấp khống vật chứa As bền vững chưa bị rửa lũ, hoà tan Khi mực nước ngầm lí bị hạ thấp (quá trình khai thác nước, hoạt động kiến tạo trẻ, trình ngăn chặn nguồn cung cấp tầng chứa nước, ) mơi trường khống vật từ điều kiện khử trở thành mơi trường oxy hố Oxy có điều kiện tiếp xúc với quặng chứa As oxy hoá chúng tạo nên As dạng ion dễ tan vào nước Do hàm lượng As nước ngầm tăng lên Quá trình thường gặp vùng khai thác khống sản có chứa khống vật chứa As nơi chịu ảnh hưởng khai thác nước ngầm với quy mô lớn Với đặc điểm nghiên cứu, q trình khống chế giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm có vai trị khơng đáng kể 1.4.2.2 Q trình khử Giả thuyết As bị oxy hố giải thích tăng cao As nước đất mơi trường bị oxy hố Song khơng giải thích tăng cao hàm lượng As nơi có mực nước ngầm khơng lớn thiếu oxy Vì vậy, Rossa Nickson đưa ý kiến cho tăng cao hàm lượng As khơng phải oxy từ khơng khí mà phản ứng khử tự nhiên xảy lớp trầm tích đặc biệt lớp trầm tích chứa vật liệu hữu [1, 6, 9, 12, 14, 15, 19] Trong điều kiện khử, As bị hoà tan giải phóng khỏi keo sắt vật liệu mà bị hấp phụ vào nước ngầm phân huỷ vật chất hữu tác động nhóm vi sinh vật có sẵn đất đá Đây q trình khống chế giải phóng di chuyển As từ trầm tích vào nước ngầm 1.4.2.3 Q trình sinh hố (vi khuẩn) Theo McArthur [2001], vi khuẩn nhóm Geospirillum barnesii kết hợp với As làm tăng di chuyển As vào nước [6, 8, 9] Trong tầng chứa nước cách nước, As thường có mặt với hàm lượng cao khu vực có trầm tích sét bột, sét pha, cát pha giàu vật chất hữu Ví dụ Asenopyrit bị rửa lũa, hoà tan dẫn đến lượng lớn As giải phóng vào mơi trường nước theo phương trình: 4FeAs + 13O2 + 6H2O 4FeSO4 + H3AsO4 (Asenat) Asenat môi trường tự nhiên dễ dàng chuyển hoá thành dạng HAsO 42- HAsO32di chuyển tốt nước [2, 3, 11] Mặt khác, vi khuẩn lên men phân huỷ vật chất hữu giải phóng lượng lớn As vào mơi trường nước theo chế Nếu môi trường có tính khử mạnh, thúc đẩy q trình phân huỷ chất hữu tạo As McArthur [2001] cho hoạt động vi khuẩn động lực q trình khử hồ tan Hfo giải phóng As tạo NH 4+, CH4 , nước Laverman cộng [1995] thông báo chủng vi khuẩn geospirillum barnesii có khả khử đồng thới Fe(III) As(V) có khả giữ As mơi trường nước khơng cho hấp phụ trở lại lên Hfo Tóm lại, q trình giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm, nhiều có đóng góp q trình Song q trình khử q trình sinh hóa hai q trình khống chế giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm khu vực nghiên cứu Sự di chuyển Asen tự nhiên 2.1 Sự di chuyển Asen từ trầm tích vào nước Sự giải phóng di chuyển As từ pha rắn sang pha nước định pH, oxy hóa khử (Eh), DO nhiệt độ môi trường nước nhà khoa học nhân bốn chế di động As từ trầm tích vào nước ngầm, là: 2.1.1 Cơ chế Oxy hóa hịa tan khống vật chứa As Arsenopyrit(FeAsS) [Smedley cs 2002] 4FeAsS + 13O2 + 6H2O 4FeSO4 +4H3AsO4 Q trình oxy hóa hịa tan As xảy mơi trường oxy hóa As tồn nước trạng thái hóa trị Cơ chế phù hợp với tầng chứa nước chịu ảnh hưởng khai thác chế biến quặng Asen nguyên tố có hàm lượng thấp địa nơi có hàm lượng Asen cao thường liên quan đến khoáng vậ sunfua đa kim loại mỏ antimo,thủy ngân, caban, molyden, đồng chì - kẽm Asen đất nước có hàm lượng cao khu vực mỏ than, than bùn, sét giàu vật chất hữu cơ, tích tụ nguồn gốc đầm hồ nước thải, chất thải Theo tác giả, khai thác khống sản đất đá bị phá vỡ khoáng vật nguyên sinh bị phơi lộ, q trình phong hóa phát triển với mức độ cao Arsenopyrit tách khỏi khống vật có điều kiện tiếp xúc mạnh với khơng khí Arsenopyrit bị rửa lũa, dẫn đến lượng lớn Asen đưa vào mơi trường q trình biểu diễn theo phương trình H3AsO4 mơi trường tự nhiên dễ dàng chuyển hóa thành H 2AsO4- HAsO4- di chuyển tốt nước, hấp phụ tốt vào đất, bùn thực vật 2.1.2 Cơ chế Khử hòa tan hydoxit sắt hấp thụ As bề mặt Tiêu biểu goethite tác nhân khử vật chất hữu tụ nhiên có bồi tích phù sa [Ravencroft cs., 2001] 4FeOOH(As) + CH2O + 7H+ = Fe2+ + HCO3- + 6H2O +As (III+V) Nước ngầm trường hợp có hàm lượng Fe(II) cao thông thường hàm lượng As nước đồng biến với hàm lượng Fe 2+ nghịch biến với hàm lượng sulphate 2.1.3 Cơ chế Khử hòa tan hydoxit sắt hấp phụ As bề mặt hoạt động cảu mộ số chủng vi khuẩn Geospirillum banesii [Mcarthur et al, 2001] Enzyme FeOOH(As) +CH2O → Fe2+ +HCO3- +H2O +As (III+V) Trong trường hợp này, nước ngầm ngồi As với hàm lượng cao cịn có NH CH4 hàm lượng nitrate sulphate lại thấp McArthur tác giả thuyết cho tồn ammonium nước ngầm thị tốt hoạt động sinh học phân hủy NOM Nước thải từ cầu tiêu tác nhân quan trọng góp phần tăng cường hoạt đọng quần thể vi khuẩn phân hủy Hfo giải phóng As [McArrthur cs , 2001] 2.1.4 Cơ chế As hấp thụ hydoxit sắt thay bicocbonat [Appelo cs , 2002] Đây chế xảy trnhf tạo phức bề mặt hydoxit sắt Trong trường hợp quan hệ đồng biến hàm lượng As bicarbonat nước, nhân thấy mối quan hệ tượng tự hàm lượng As Mo Theo McArthur [McArthur cs , 2001] Mo nguyên tố hóa học, tự nhiên, tồn dạng oxy anion có liên quan trực tiếp đên q trình hấp phụ vf giải phóng phụ bề mặt Bởi mối tương quan đồng biến As Mo biểu cho trình hấp phụ giải phóng phụ oxy anion FeOOH(As) + HCO3- FeOOH(HCO3-) +As (III+V) 2.2 Sự di chuyển Asen nước ngầm Theo kết nghiên cứu, As tồn môi trường tự nhiên tồn dạng hóa trị: -3; 0; +2; +3; +5 Trong nước đất chủ yếu tồn tai hai dạng As 3+ , As5+ Các dạng khác tồn môi trường nước nữa, kết phân tích cho thấy As chủ yếu Asen vơ Asen hữu thường tồn dạng monomethylAsen axit (MMAA) dimethyl Asen axit (DMAA) Hai loại Asen hữu sinh hoạt đọng vi sinh vật hầu hết chúng tồn môi trường bề mặt đặc biệt đới đất lấp nhân sinh (landfills) Điều kiện oxy hóakhử quan trọng có tính chất định đến tồn Asen nước điều kiện oxy hóa, H2AsO4- chiếm ưu pH thấp (pH