Chu trình của Arsen trong tự nhiên và nguyên gây nhân ô nhiễm Arsen

Từ rất lâu,con người đã biết tới Arsen và độc tính của nó.Độc tính của Arsen có thể gây chết cho gia súc, gia cầm chủ yếu liên quan tới nguồn gốc tự nhiên.

Mục lục

Mở đầu 2

I Giới thiệu tổng quan về Arsen 3

II Khảo sát Arsen trong tự nhiên 5

1 Dạng tồn tại của arsen trong đá và quặng gốc 5

2 Arsen trong đới quặng phong hoá 7

3 Arsen trong nước ở các khu vực mỏ quặng giàu arsen 8

4 Arsen ở vùng đồng bằng: 10

III Chu trình của Arsen trong tự nhiên và nguyên gây nhân ô nhiễm Arsen 12

1 Nguyên nhân từ tự nhiên 14

2 Nguyên nhân từ con người 15

IV Nhiễm độc Arsen ở người 17

1 Những con đường xâm nhập của Arsen vào cơ thể người 17

2 Tác hại của Arsen đến sức khỏe con người 18

a Nhiễm độc cấp tính 19

b Nhiễm độc mãn tính 19

3 Cơ chế gây độc của Arsen 21

4 Nhận biết as trong đời sống hàng ngày 22

V Các phương pháp xử lý Arsen 23

1 Keo tụ-Kết tủa 23

2 Keo tụ bằng hóa chất 24

3 Phương pháp oxy hóa 24

4 Hấp phụ 25

5 Trao đổi Ion 26

Kết luận 27

Tài liệu tham khảo 28

Arsen vào cơ thể con người chủ yếu thông qua con đường hô hấp và tiêuhóa, đặc biệt thông qua việc sử dụng nước ngầm bị ô nhiễm Arsen Arsen cóthể gây ra các bệnh kinh niên như u hắc tố, ung thư biểu bì, hoại thư da…Nó

đã gây ra những đợt nhiễm độc do tích tụ Arsen lớn nhất trong lịch sử loàingười (ở Bangladesh) Theo nghiên cứu ở Nhật Bản, qua các xét nghiệm lâmsang đã cho thấy, trong số 29 người uống nước giếng bị ô nhiễm Arsen có

23 người (93%) có biểu hiện nhiễm hắc tố (melanosis) và 22 người (26%)mắc bệnh tăng sừng hóa bẩm sinh gan bàn chân (palmoplantarhyperkeratoris)

Ở Việt Nam, nước tại 1 số khu vực lớn và đông dân cư sinh sống như HàNội, Việt Trì-Lâm Thao, thượng nguồn sông Mã…có hàm lượng Arsen vượtquá tiêu chuẩn cho phép, thậm chí có nơi vượt hơn 10 lần so với TCVN(hàm lượng Arsen cho phép trong nước sinh hoạt của VN là 0,05mg/l) Do ởViệt Nam, một số lượng lớn người dân còn sử dụng nước uống, nước sôngsuối để sinh hoạt, ăn uống nên vấn đề ô nhiễm Arsen thật sự rất cấp bách.Với việc sử dụng nước phức tạp như hiện nay,cũng như việc ô nhiễm Arsentiềm ẩn chưa phát hiện được hay chưa khảo sát được thì việc nhiễm độc tiềmtàng rất có thể xảy ra Đặc biệt, càng nguy hiểm hơn khi hiện nay, hầu hếtcác bệnh gây ra bởi nhiễm độc Arsen vẫn chưa có thuốc đặc trị.

Để giải quyết những yêu cầu vô cùng cấp bách trong việc xử lí ô nhiễmArsen trong nguồn nước, chúng ta phải có sự hiểu biết cặn kẽ về chu trìnhhóa học của Arsen trong tự nhiên để đưa ra những biện pháp thích hợp nhằmngăn chặn và hạn chế việc ô nhiễm Arsen trong nguồn nước

I Giới thiệu tổng quan về Arsen

Arsen (còn được gọi là thạch tín) là nguyên tố số 33 trong bảng tuần hoànhóa học Mendeleep, có tên tiếng anh là Arsenic (kí hiệu là As) Arsen là 1thành phần tự nhiên của vỏ Trái Đất, khoảng 1-2mg As/kg (khoảng0,0001%) nhưng lại phân bố rộng rãi trong tự nhiên As tồn tại dưới nhiềudạng khác nhau trong tự nhiên như arsenopyrite hoặc các hợp chất với lưuhuỳnh.Arsen hiện diện trong nước ngầm trong trạng thái yếm khí dưới dạngAs(III) và dạng trung tính.Arsen có 3 dạng thù hình: Alpha-màu vàng; beta-màu đen;gamma-màu xám.Dạng vô cơ độc hơn dạng hữu cơ.Khi tiếp xúcvới không khí(nước mặt),một phần lớn As(III) sẽ bị chuyển hóa thành

As(V);hợp chất hóa trị III có độc tính cao hơn.Trong điều kiện ẩm ướt, arsensunfua dễ bị hòa tan,rửa trôi và xâm nhập vào đất,nước,không khí.

1 số hợp chất của arsen như:

+Arsenic (III) florua AsF3

+Arsenic( V ) floride AsF5

+Arsenic(III) hidide AsH3

+Arsenic (III) oxide As2O3

+Arsenic( V ) oxide As2O5

+Arsenic(III) sulphide As2S3…

As(III): Trong môi trường sinh thái, các dạng hợp chất As hoá trị 3 có độctính cao hơn hợp chất As có hoá trị 5 Môi trường khử là môi trường thuậnlợi để cho nhiều hợp chất As(V) chuyển sang As(III) Trong những hợp chất

As thì H3AsO3 độc hơn H3AsO4 Dưới tác dụng của các yếu tố oxi hoá trongđất thì H3AsO3 có thể chuyển thành H3AsO4 Thế oxi hoá khử, độ pH củamôi trường và lượng kaolit giàu Fe3+ là những yếu tố quan trọng tác độngđến quá trình oxi hoá – khử các hợp chất Arsen trong tự nhiên Những yếu tốnày có ý nghĩa làm tăng hay giảm sự độc hại của các hợp chất Arsen trongmôi trường sống

As(V) : As(V) có thể được chuyển thành As(III) và gây độc giống nhưAs(III), có cấu trúc giống phosphate hữu cơ và có thể thay thế cho phosphatetrong sự thuỷ phân glucose và sự hô hấp của tế bào

II Khảo sát Arsen trong tự nhiên

Arsen có thành phần từ quá trình hình thành địa chất trong tự nhiên

1 Dạng tồn tại của arsen trong đá và quặng gốc

Arsen trong các mỏ quặng nhiệt dịch tồn tại dưới dạng các khoáng vật như:arsenopyrit (FeAsS), realgar (AsS), oripigmen (As2O3), scorodit(FeAsO4.2H2O), loellingit (FeAs2), grexdorfit (NiAsS), glaucodot(CuFeAsS), cobaltin (CoAsS), prustit (Ag3AsS), enargit (CuAsS4), tennantit(Cu12As4S13), nickelin (NiAs), rammensbergit (NiAs2), chloantit (NiAs3), ,trong đó khoáng vật chứa arsen phổ biến nhất trong các mỏ nhiệt dịch làarsenopyrit Đại đa số các trường hợp gặp arsen trong các vùng quặng sulfur

đa kim, trong các mỏ vàng, antimon, thuỷ ngân, cobalt, molybden, đồng,thiếc

Bảng 1 Hàm lượng arsenopyrit và arsen trong một số vùng quặng ởViệt Nam.

tích

Arsenopyrit(%)

Arsen

(g/t hoặc

%)1

0,5-4,5%2-12,4%

19,12%

2 Arsen trong đới quặng phong hoá

Các loại quặng gốc có chứa arsen khi bị phong hoá thường tạo thành những đới đỏ nâu và nhẹ hơn quặng gốc (do một số thành phần trong quặng bị rửa trôi) Qua nghiên cứu cụ thể

ở vùng quặng listvenit thuộc đới Sông Mã (tỉnh Sơn La) ta thấy các đới quặng bị phong hoá có màu đỏ nâu cũng có hàm lượng arsen rất cao (Bảng 2) Điều đó chứng tỏ arsen trong đới quặng nhiệt dịch (hoặc đới biến đổi nhiệt dịch) ít bị di chuyển trong quá trình phong hoá.; phần lớn chúng bị giữ lại trong tầng phong hoá Có lẽ chỉ một lượng nhỏ arsen được di chuyển đi bởi nước bề mặt (nước mưa, nước suối, nước lũ) và nước dưới đất.

Bảng 2 Hàm lượng arsen trong các đới biến đổi nhiệt dịch bị phong hoá đỏ

nâu ở thượng nguồn sông Mã

3 Arsen trong nước ở các khu vực mỏ quặng giàu arsen

Một số nghiên cứu nước ở các khu mỏ cho thấy chúng cũng cao dị thường.Các kết quả khảo sát phân tích nước bề mặt và các nguồn lộ ở 11 khe suối

đổ ra sông Mã dọc vùng ĐN Bản Phúng (khu mỏ listvenit) cho thấy các khesuối ở đây đều là các khe nhỏ, mùa khô (11/1990) chỉ có nước ở gần cửa khevới lưu lượng 0,02-3,5 l/s Ở hữu ngạn mật độ suối thưa hơn, lưu lượng 0,2-

25 l/s Điều đáng lưu ý là hàm lượng arsen của nước ở khác khe trong khuvực nói trên đều cao (0,43-113 mg/l) (Bảng 4), so với chỉ tiêu hàm lượngarsen trong nước sinh hoạt (<0,05 mg/l) thì ở đây hàm lượng arsen trongnước ở các khe đều vượt quá chỉ tiêu cho phép Điều này chứng tỏ mộtlượng nhỏ arsen trong đới quặng được di chuyển vào nước, làm cho nước ởcác khe suối trở nên không an toàn cho mục tiêu nước sinh hoạt, đặc biệt ởmùa khô

Hình minh hoạ khu mỏ (hoặc đới biến đổi nhiệt dịch) có hàm lượng arsen

cao có ảnh hưởng xấu tới môi trường sống

Hình 2 Mô hình diễn giải khả năng ô nhiễm arsen trong nước dưới đất ởđồng bằng

Ghi chú: 1 Đới chứa quặng (hoặc đới biến đổi nhiệt dịch giàu arsen) chưa

xuất lộ trong các vùng magma kế cận; 2 Các vùng đá xâm nhập kế cận đồngbằng; 3 Các vùng đá phun trào kế cận đồng bằng; 4 Các đứt gãy cắt quavùng quặng giàu arsen chưa xuất lộ; 5 Trầm tích Đệ tứ

III. Chu trình của Arsen trong tự nhiên và nguyên gây nhân ô nhiễm Arsen

Chu trình arsen đơn giản

Hình mình họa chu trình arsen trong tự nhiên

1 Nguyên nhân từ tự nhiên

Arsen là một nguyên tố khá phổ biến trong tự nhiên, có thể tìm thấy ở vỏ tráiđất, một lượng nhỏ trong đá, đất, nước và không khí Ngoài ra Arsen còn cóthể tìm thấy trong mọi dạng cơ thể sống Nguồn Arsen tự nhiên chủ yếu xuấtphát từ các mỏ quặng chứa sulfur, mà đi kèm là arsenopyrite Lượng arsentrong đất và nước phụ thuộc rất nhiều vào địa chất và các quá trình phonghóa, trong khi lượng arsen trong thực vật và động vật thì phụ thuộc vào từngloài Một số loài thực vật biển, như là rong biển và tảo, hay các loài động vậtbiển như động vật giáp xác và một số loài cá thường chứa nồng độ arsen rấtcao

Một số nghiên cứu của các nhà khoa học chỉ ra rằng, nồng độ arsen trong tảobiển có thể lên đến 9ppm, trong khi ở các thực vật thông thường không quá0.5 ppm Ở một số loài giáp xác, nồng độ arsen còn đạt mức 100ppm

Trong tự nhiên, Arsen được phân tán vào đất thông qua hoạt động phun tràocủa núi lửa Sau đó, các quá trình bào mòn đá núi, hòa tan khoáng chất vàhòa tan Arsen có sẵn trong đất của nước ngầm là nguyên nhân của sự xâmnhập Arsen vào nguồn nước Arsen trong nước lại tiếp tục xâm nhập vào các

cơ thể sống, qua các quá trình sinh học chuyển thành dạng các hợp chất dễbay hơi và phát tán vào không khí

Arsen xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau và một số dạng có thể di chuyểngiữa các môi trường khác nhau và thay đổi trạng thái Arsen trong đất đá cóthể di chuyển nhờ nước và gió Nhiều hợp chất Arsen dính vào đất và chỉ dichuyển một khoảng cách ngắn khi nước thấm qua đất Nếu Arsen được giảiphóng vào khí quyển qua quá trình công nghiệp hoặc hoạt động núi lửa, nó

sẽ dính kết với các hạt trong không khí và nhờ gió quay trở lại đất Vi trùngtrong đất và trầm tích cũng phát thải các chất chứa Arsen vào khí quyển Cácchất này sẽ chuyển hoá thành các hợp chất Arsen khác và quay trở lại đất.

Arsen được giải phóng vào môi trường nước do quá trình oxi hóa cáckhoáng sunfua hoặc khử các khoáng oxi hidroxit giàu Arsen Về cơ chế xâmnhiễm các kim loại nặng, trong đó có Arsen vào nước ngầm cho đến nay đã

có nhiều giả thiết khác nhau nhưng vẫn chưa thống nhất Một trong số cácgiả thiết là thông qua các quá trình thủy địa hóa và sinh địa hóa, các điềukiện địa chất thủy văn mà Arsen có thể xâm nhập vào môi trường nước

Hàm lượng Arsen trong nước dưới đất phụ thuộc vào tính chất và trạng tháimôi trường địa hóa Arsen tồn tại trong nước dưới đất ở dạng H3AsO4-1

(trong môi trường pH axit đến gần trung tính), HAsO4-2 (trong môi trườngkiềm) Hợp chất H3AsO3 được hình thành chủ yếu trong môi trường oxi hóa-khử yếu Các hợp chất của Arsen với Na có tính hòa tan rất cao Nhữngmuối của Arsen với Ca, Mg và các hợp chất Arsen hữu cơ trong môi trường

pH gần trung tính, nghèo Ca thì độ hòa tan kém hơn các hợp chất hữu cơ,đặc biệt là Arsen-axit fulvic thì rất bền vững, có xu thế tăng theo độ pH và tỷ

lệ Arsen-axit fulvic Các hợp chất của As5+ hình thành theo phương thứcnày

2 Nguyên nhân từ con người

Tuy nhiên, chỉ khoảng một phần ba Arsen trong khí quyển đến từ các nguồn

tự nhiên và phần còn lại là từ các nguồn nhân tạo Các quy trình công nghiệpnhư khai thác mỏ, nấu quặng và sử dụng than đá cho nhiệt điện góp phần

sinh ra Arsen trong không khí, nước và đất Arsen cũng có thể gây ô nhiễmmôi trường vì Arsen được sử dụng trong các loại thuốc diệt côn trùng dùngtrong nông nghiệp và trong các hóa chất bảo quản gỗ.

Nguồn arsen thải ra môi trường do con người chủ yếu sinh ra từ quá trìnhsản xuất các kim loại màu Nguồn thải arsen ra môi trường lớn nhất nằm ởThụy Điển, quốc gia sản xuất đồng đứng đầu thế giới

Arsen được con người sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực hóa chất nôngnghiệp, như thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt côn trùng, chất làm khô

và bảo quản gỗ, phụ gia thức ăn…Arsenic trioxit là nguyên liệu chính củanhiều loại thuốc diệt côn trùng vô cơ, ví dụ như chì arsenate, sodiumarsenite, monosodium, disodium methane arsenate và axit cacodylic…

Arsen là nguyên tố có mặt trong nhiều loại hóa chất sử dụng trong nhiềungành công nghiệp khác nhau như: hóa chất, phân bón (lân - phốt phát, đạm-nitơ), thuốc bảo vệ thực vật, giấy, dệt nhuộm

Nhiều ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp ximăng, nhiệt điện, Công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễmkhông khí, nước bởi Arsen

Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng, nhất là quặngsunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm Arsen Việc khai đào ở các mỏnguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua, làm gia tăng quá trình phong hóa,bào mòn và tạo ra khối lượng lớn đất đá thải có lẫn Arsenopyrit ở lân cậnkhu mỏ Tại các nhà máy tuyển quặng, Arsenopyrit được tách ra khỏi các

khoáng vật có ích và phơi ra không khí Arsenopyrit bị rửa lũa, dẫn đến hậuquả là một lượng lớn Arsen được đưa vào môi trường xung quanh Nhữngngười khai thác tự do khi đãi quặng đã thêm vào axit sunphuric, xăng dầu,chất tẩy Arsenopyrit sau khi tách khỏi quặng sẽ thành chất thải và được chấtđống ngoài trời và trôi vào sông suối, gây ô nhiễm tràn lan.

Đó là những nguồn phát thải Arsen gây ô nhiễm nước, đất, không khí

IV Nhiễm độc Arsen ở người

1 Những con đường xâm nhập của Arsen vào cơ thể người

Arsen đi vào cơ thể bằng tất cả các con đường có thể như: hít thở, ăn uống

và thẩm thấu qua da Trong đó, uống nước nhiễm arsen là con đường chính

để arsen xâm nhập vào trong cơ thể

2 Tác hại của Arsen đến sức khỏe con người

Arsen tự do cũng như hợp chất của nó rất độc Trong hợp chất thì hợp chấtcủa As(III) là độc nhất Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã xếp As vào nhómđộc loại A gồm: Hg, Pb, Se, Cd, As Người bị nhiễm độc As thường có tỷ lệ

bị đột biến nhiễm sắc thể rất cao Ngoài việc gây nhiễm độc cấp tính As còngây độc mãn tính do tích luỹ trong gan với các mức độ khác nhau, liều gây

tử vong là 0,1g ( tính theo As2O3) Từ lâu, arsen ở dạng hợp chất vô cơ đãđược sử dụng làm chất độc (thạch tín), một lượng lớn arsen loại này có thểgây chết người Nếu bị nhiễm độc cấp tính, Arsen có thể gây tử vong trongvòng vài giờ đến một ngày, mức độ nhiễm nhẹ hơn có thể thương tổn các

mô hay các hệ thống của cơ thể Arsen có thể gây 19 loại bệnh khác nhau,trong đó có các bệnh nan y như ung thư da, phổi

Sự nhiễm độc Arsen được gọi là arsenicosis Đó là một tai họa môi trườngđối với sức khỏe con người Những biểu hiện của bệnh nhiễm độc Arsen làchứng sạm da (melanosis), dày biểu bì (kerarosis), từ đó dẫn đến hoại thưhay ung thư da, viêm răng, khớp Hiên tại trên thế giới chưa có phươngpháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc Arsen Tổ chức Y tế thế giới đã hạ thấpnồng độ giới hạn cho phép của arsen trong nước cấp uống trực tiếp xuống 10

‡g/l USEPA và cộng đồng châu Âu cũng đã đề xuất hướng tới đạt tiêu

chuẩn arsen trong nước cấp uống trực tiếp là 2-20 ‡g/l Nồng độ giới hạncủa arsen theo tiêu chuẩn nước uống của Đức là 10 ‡g/l.

Nhiễm độc Arsen thường qua đường hô hấp và tiêu hoá dẫn đến các thươngtổn da như tăng hay giảm màu của da, tăng sừng hoá, ung thư da và phổi,ung thư bàng quang, ung thư thận, ung thư ruột Ngoài ra, Arsen còn có thểgây các bệnh khác như: to chướng gan, bệnh đái đường, bệnh sơ gan Khi

cơ thể bị nhiễm độc Arsen, tuỳ theo mức độ và thời gian tiếp xúc sẽ biểuhiện những triệu chứng với những tác hại khác nhau, chia ra làm hai loạisau:

a Nhiễm độc cấp tính

• Qua đường tiêu hoá: Khi anhydrit arsenous hoặc chì arsenate vào cơthể sẽ biểu hiện các triệu chứng nhiễm độc như rối loạn tiêu hoá (đaubụng, nôn, bỏng, khô miệng, tiêu chảy nhiều và cơ thể bị mất nước ) Bệnhcũng tương tự như bệnh tả có thể dẫn tới tử vong từ 12-18 giờ Trường hợpnếu còn sống, nạn nhân có thể bị viêm da tróc vảy và viêm dây thần kinhngoại vi Một tác động đặc trưng khi bị nhiễm độc Arsen dạng hợp chất vô

cơ qua đường miệng là sự xuất hiện các vết màu đen và sáng trên da

• Qua đường hô hấp (hít thở không khí có bụi, khói hoặc hơi Arsen): cócác triệu chứng như: kích ứng các đường hô hấp với biểu hiện ho, đau khihít vào, khó thở; rối loạn thần kinh như nhức đầu, chóng mặt, đau các chi;hiện tượng xanh tím mặt được cho là tác dụng gây liệt của Arsen đối với cácmao mạch Ngoài ra còn có các tổn thương về mắt như: viêm da mí mắt,viêm

kết mạc