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 quyển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Thị Hà Mai NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ ION ĐẾN KHẢ NĂNG THỦY PHÂN VÀ TỒN LƢU CỦA CÁC KIM LOẠI NẶNG CHÍNH CĨ TRONG QUẶNG ĐỒNG SINH QUYỀN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - NĂM 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Vũ Thị Hà Mai NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ ION ĐẾN KHẢ NĂNG THỦY PHÂN VÀ TỒN LƢU CỦA CÁC KIM LOẠI NẶNG CHÍNH CĨ TRONG QUẶNG ĐỒNG SINH QUYỀN Chun ngành : Hóa mơi trường Mã số : 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRẦN HỒNG CÔN HÀ NỘI - NĂM 2015 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, cô giáo khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trang bị kiến thức cho tơi suốt q trình học tập Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến PGS TS Trần Hồng Cơn, tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô, anh chị, bạn làm việc Bộ mơn Hóa môi trường giúp đỡ việc thu thập, tìm tài liệu, tạo điều kiện thuận lợi trình nghiên cứu, cho tơi lời khun q giá để luận văn hồn thiện Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn cha mẹ, anh chị em gia đình, bạn bè ln sát cánh hỗ trợ động viên vật chất lẫn tinh thần để tơi tồn tâm, tồn ý cho công việc Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 26 tháng 12 năm 2014 Học viên Vũ Thị Hà Mai MỤC LỤC Lời cảm ơn Danh mục bảng Danh mục hình Mở đầu Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược trữ lượng quặng đồng Việt Nam mỏ đồng Sinh Quyền .3 1.1.1 Trữ lượng phân bố quặng đồng sunfua Việt Nam 1.1.2 Trữ lượng quặng đồng sunfua mỏ đồng Sinh Quyền 1.1.3 Một số loại quặng đồng sunfua 1.1.4 Các quy trình khai thác quặng Việt Nam 1.2 Nguy ô nhiễm kim loại nặng bãi thải khai thác chế biến khoáng sản 13 1.2.1 Nguồn gây ô nhiễm 13 1.2.2 Con đường phát tán kim loại nặng chất độc hại vào mơi trường 15 1.3 Tình trạng nhiễm khu vực khai thác quặng Việt Nam 16 1.3.1 Tại mỏ quặng Việt Nam 16 1.3.2 Tại khu vực mỏ đồng Sinh Quyền – Lào Cai 18 1.4 Quá trình phong hóa quặng sunfua 19 1.4.1 Phong hóa vật lý 19 1.4.2 Phong hóa hóa học 21 1.4.3 Phong hóa sinh học 24 1.5 Các trình sau phong hóa quặng sunfua 24 1.5.1 Quá trình kết tủa 25 1.5.2 Quá trình tạo phức 26 1.5.3 Quá trình thủy phân 26 1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân tạo kết tủa 27 1.6 Ảnh hưởng kim loại nặng đến thể sống người 28 1.6.1 Sắt 28 1.6.2 Cadmi 29 1.6.3 Chì 30 1.6.4 Coban 31 1.6.5 Crom 32 1.6.6 Đồng 33 1.6.7 Kẽm 34 1.6.8 Mangan 35 1.6.9 Niken 36 Chƣơng THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu 37 2.2 Mục tiêu nghiên cứu 37 2.3 Phương pháp nghiên cứu 37 2.4 Danh mục hoá chất thiết bị cần thiết cho nghiên cứu 38 2.5 Thực nghiệm 41 2.5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới thủy phân kim loại nặng có quặng 41 2.5.2 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Fe 3+ thủy phân kim loại nặng 42 2.5.3 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu 2+ thủy phân kim loại nặng 43 2.5.4 Ảnh hưởng pH tương tác kim loại nặng có thành phần giống quặng thủy phân điều kiện tương tự phong hóa 44 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới thủy phân kim loại nặng có quặng 45 3.2 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Fe 3+ thủy phân kim loại nặng 50 2+ 3.3 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu thủy phân kim loại nặng 61 3.4 Ảnh hưởng pH tương tác kim loại nặng có thành phần giống quặng đến thủy phân tồn lưu điều kiện tương tự phong hóa 72 KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng tích số tan số hidroxit kim loại nặng có Bảng 1.1 quặng đồng Bảng 2.1.a Danh mục hoá chất cần thiết cho nghiên cứu Bảng 2.1.b Danh mục hoá chất cần thiết cho nghiên cứu Bảng 2.2 Danh mục thiết bị cần thiết cho nghiên cứu Bảng 2.3 Tỷ lệ kim loại quặng Kết nồng độ ion kim loại lại sau thủy phân Bảng 3.1 pH thay đổi 3+ Bảng 3.2 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Fe thủy phân 2+ Pb 3+ Bảng 3.3 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Fe thủy phân Co 2+ 3+ Bảng 3.4 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Fe thủy phân Ni 2+ 3+ Bảng 3.5 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Fe thủy phân Cr 3+ Ảnh hưởng pH nồng độ ion Fe Bảng 3.6 Mn2+ Ảnh hưởng pH nồng độ ion Fe 3+ 3+ thủy phân thủy phân Bảng 3.7 Cd2+ 3+ Bảng 3.8 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Fe thủy phân 2+ Zn 2+ Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu thủy phân Bảng 3.9 2+ Pb 2+ Bảng 3.10 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu thủy phân Co 2+ Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu Bảng 3.11 Ni 2+ thủy phân 2+ 2+ Bảng 3.12 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu thủy phân Mn 2+ 2+ Bảng 3.13 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu thủy phân Cr 3+ 2+ Bảng 3.14 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu thủy phân Cd 2+ 2+ Bảng 3.15 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu thủy phân 2+ Bảng 3.16 Zn Ảnh hưởng pH tương tác ion có thành phần, tỷ lệ tương tự quặng thủy phân ion cịn lại Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Cadimi (ppm) Nồng độ Hình 3.14 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu 2+ thủy phân Cd 2+ Từ kết thu được, ta thấy khoảng pH = – 9, pH tăng dần nồng độ Cadimi dung dịch giảm nhanh, khoảng pH này, nồng độ ion đồng tăng trình thủy phân đồng xảy tạo kết tủa Cu(OH) 2, giữ ion Cadimi, đồng thời cộng kết với lượng Cd(OH) tạo thành dung dịch làm nồng độ Cadimi giảm dần Khi pH > 9, nồng độ Cadimi lại dung dịch thấp nên tăng pH hay nồng độ đồng nồng độ Cadimi giảm không đáng kể 3.3.7 Ảnh hƣởng pH nồng độ ion Cu 2+ thủy phân Zn 2+ Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng ion đồng với nồng độ 10 ppm, 20 ppm, 50 ppm 100 ppm giá trị pH thay đổi từ đến 11 tới thủy phân ion kẽm dung dịch với nồng độ ban đầu 10 ppm, ta thu kết nhưsau: 70 2+ Bảng 3.15 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu thủy phân Zn 2+ C 10 20 50 Nồng độ Kẽm (ppm) 100 Hình 3.15 Ảnh hưởng pH nồng độ ion Cu 2+ thủy phân Zn 2+ Từ kết thu được, ta thấy pH tăng dần từ pH = đến pH = 9, nồng độ kẽm dung dịch giảm dần, khoảng pH này, nồng độ ion đồng tăng dần từ 10 ppm đến 50 ppm nồng độ kẽm tăng theo Nồng độ ion Zn 2+ giảm nhiều khoảng từ pH = – bắt đầu chuyển sang môi trường có tính bazơ, đồng thủy phân mạnh tạo hidroxit không tan Đồng thời, khoảng pH này, kẽm bắt đầu thủy phân mạnh, kết tủa Zn(OH)2 tạo thành nhanh hơn, đủ lớn để tách ra, cộng kết với Cu(OH) lắng xuống Khi pH > 8, điều kiện khơng có mặt ion đồng, lượng lớn Zn(OH) bị hòa tan vào dung dịch làm nồng độ kẽm dung dịch tăng nhanh Nhưng có mặt ion Cu 2+ dung dịch, nồng độ kẽm giảm pH tăng dần, giá trị pH định, nồng độ đồng tăng dần nồng độ ion kẽm dung dịch tăng tăng chậm so với khoảng pH trước Như vậy, hàm lượng kẽm dung dịch giảm pH tăng dần, đồng thời nồng độ đồng tăng dần, nồng độ kẽm dung dịch tăng theo Như vậy, nồng độ đồng tăng làm giảm thủy phân ion kẽm dung dịch 3.4 Ảnh hƣởng pH tƣơng tác kim loại nặng có thành phần giống quặng đến thủy phân tồn lƣu điều kiện tƣơng tự phong hóa Nghiên cứu thực với có mặt tất ion chính, tỷ lệ khối lượng kim loại tương tự mẫu quặng đồng mô tả phần 2.5.4, với pH biến thiên từ đến 11, thu kết bảng 3.16 hình 3.16 72 Bảng 3.16 Ảnh hưởng pH tương tác ion có thành phần, tỷ lệ tương tự quặng thủy phân ion lại pH 4, ion Cu 2+ Fe 3+ gần thủy phân hồn tồn nên q trình hấp phụ Fe(OH)3 trình cộng kết hidroxit xảy dễ dàng làm nồng độ ion dung dịch tiếp tục giảm 2+ Đối với ion Mn , Mn(OH)2 có tích số tan bé, khả hấp phụ ion 2+ Mn Fe(OH)3 xảy yếu so với ion kim loại khác, chủ yếu trình cộng kết Vì vậy, nồng độ ion Mn ion khác 2+ dung dịch có giảm chậm so với Đối với số ion kim loại mà hidroxit có tính lưỡng tính Cr(OH) 3, Pb(OH)2, Zn(OH)2, mơi trường có tính bazơ chúng bị hòa tan làm nồng độ ion kim loại tương ứng tăng nhẹ (crom kẽm tăng pH > 9, chì tăng pH > 8) Ta thấy có mặt đầy đủ ion tương tự quặng q trình hịa tan hidroxit lưỡng tính xảy sớm Như vậy, pH tăng thủy phân ion kim loại xảy nhanh (nhất pH > 7), đồng thời có mặt ion đồng sắt ảnh hưởng đến cộng kết hidroxit hấp phụ của ion kim loại nặng vào Fe(OH) Khi kim loại nặng lắng đọng tồn lưu vị trí đó, làm giảm vận chuyển khuếch tán ion vào môi trường 75 KẾT LUẬN Trong trình nghiên cứu khả khả thủy phân ion kim loại 2+ nặng có mặt ion kim loại nặng Cu ,Fe 3+ điều kiện tương tự phong hóa, chúng tơi rút kết luận sau: Thủy phân ion kim loại nặng yếu tố ảnh hưởng tới vận chuyển tồn lưu kim loại nặng môi trường, yếu tố ảnh hưởng đến giải phóng kim loại vào mơi trường nước nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Nghiên cứu điều kiện có mặt ion sắt ion đồng thay đổi nồng độ ion kim loại nặng, ta thấy: Khi có mặt ion sắt, nồng độ ion kim loại nặng giảm nồng độ ion sắt lớn nồng độ ion lại 3+ dung dịch nhỏ khả hấp phụ cộng kết lớn Fe(OH) Fe thủy phân Chì Crom hai kim loại bị hấp phụ mạnh nên nồng độ sắt ảnh hưởng nhiều đến nồng độcòn lại hai kim loại này, kim loại lại sắt có ảnh hưởng Đồng làm giảm nồng độ ion kim loại nặng dung dịch nên có ảnh hưởng đến nồng độ chúng dung dịch không rõ rệt sắt Cu(OH)2 Cu 2+ thủy phân cộng kết yếu với hidroxit Sự giảm nồng độ ion kim loại nặng thủy phân hấp phụ hay cộng kết Như vậy, có mặt sắt đồng khả ion kim loại nặng tồn lưu chỗ nhiều hơn, làm ô nhiễm môi trường chỗ, giảm khả phát tán kim loại nặng vào môi trường Các kim loại loại chịu ảnh hưởng đồng sắt, tùy vào tính chất kim loại mà ảnh hưởng khác Mangan bị đồng sắt ảnh hưởng thủy phân xảy hơn, đồng thời khả hấp phụ Fe(OH)3 mangan không cao nên nồng độ ion mangan dung dịch giảm không đáng kể Một số kim loại mà 76 hidroxit có tính chất lưỡng tính Cr(OH) 3, Pb(OH)2, Zn(OH)2 bị hịa tan pH tăng dần, có mặt ion Cu 2+ Fe 3+ q trình hịa tan xảy chậm hơn, làm nồng độ ion tăng không đáng kể Trong trường hợp có mặt ion kim loại nặng với thành phần tỷ lệ tương tự quặng nồng độ kim loại nặng nước giảm nhanh hơn, khu vực khai thác quặng, kim loại nặng bị tồn lưu, giảm phát tán kim loại nặng vào môi trường, giảm ô nhiễm cho môi trường 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Doãn Văn Kiệt, Một số nguyên tố vi lượng thường gặp nước ảnh hưởng chúng, Đại học tây Bắc Đỗ Thị Vân Thanh – Trịnh Hân (2011), Khoáng vật học, nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Đào Thị Phương Diệp, Đỗ Văn H (2007), Giáo trình hóa học phân tích, Nhà xuất Đại học Sư phạm Đặng Trung Thuận (2000), Giáo trình địa hố học, Đại học quốc gia Hà Nội Hồ Sĩ Giao, Mai Thế Tồn (2011), Những điểm nóng mơi trường hoạt động khai thác mỏ Việt Nam, Hội nghị khoa học kỹ thuật mỏ quốc tế 2010 Hoàng Nhâm(2001), Hố học vơ cơ, tập 2,3, Nhà xuất giáo dục Lâm Ngọc Thụ (2005), Cơ sở Hóa học phân tích, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Thị Kim Dung (2011), Nghiên cứu q trình nhiễm asen mangan nước tác động mơi trường oxi hố khử tự nhiên ứng dụng xử lý chúng nguồn, Luận án tiến sĩ Hoá học, Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Thị Thuỳ Dương (2007), Nghiên cứu mối quan hệ môi trường ni trồng tới khả tích luỹ số kim loại nặng lồi Nghêu(Meretrixlyrata) xóm I-II, xã Nam Thịnh, huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình, Khố luận tốt nghiệp Đại học, Đại học dân lập Hải Phòng 10 Nguyễn Tinh Dung (1998), Hóa học phân tích II, Các phản ứng ion dung dịch nước, Nhà xuất Giáo dục 11 Phạm Ngọc Hồ-Đồng Kim Loan-Trịnh Thị Thanh (2010), Giáo trình sở mơi trường nước, Nhà xuất giáo dục 78 12 Phạm Tích Xuân (2011), Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng bãi thải khai thác chế biến khoáng sản kim loại đến môi trường sức khỏe người đề xuất biện pháp giảm thiểu, Chương trình KHCN cấp nhà nước, Bộ Khoa học Công nghệ 13 Tuấn Nghĩa (2011), Kiểm sốt nhiễm mơi trường mỏ, Báo kinh tế đối ngoại 14 Trần Thị Bính, Phùng Tiến Đạt, Lê Viết Phùng, Phạm Văn Thường (1999), Hóa học Cơng nghệ Môi trường, Nhà xuất Giáo dục 15 Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Nội (2008), Cơ sở Hoá học môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội 16 Trần Tuấn Anh (2010), Nghiên cứu thành phần kèm kiểu tụ khoáng kim loại kim loại quý có triển vọng miền Bắc Việt Nam nhằm nâng cao hiệu khái thác chế biến khống sản bảo vệ mơi trường, Chương trình KHCN cấp nhà nước, Bộ Khoa học Công nghệ Tiếng Anh 17 Bates, M.N., Smith, A.H., and Hopenhayn-Rich, C (1992), Arsenic ingestion and internal cancers a review, Am.J.Epidemiol.135:462-476 18 Churl Gyu Lee,Hyo-Teak Chon, Myung Chae Jung (2011), “Heavy metal contamination in the vicinity of the Daduk Au-Ag-Pb-Zn mine in Korea”, Applied Geochemistry 16 (2011) 1377-1386 19 Cunningham, W.P and Saigo, B.W (2001), Environmental Science: A global th concern edt, McGraw-Hill Companies, Inc 20 Global Mining Campaign (2001), “The impact of handrock mining on the environment and human health”, Uccn puplished paper International Meeting, Warrenton, Virginia, USA September 15-19, 2001, 10pp 79 21 Iyengar V, Nair p (2000), “Global outlook on nutrition and the environment: meeting the challenges of the next millennium”, Science Total Environmental; 249; 331-46 22 Jame W Moore, S Ramamoorthy (1984), Heavy metal in natural waters, Springer-Verlag Nework Berlin Heidelberg Tokyo 23 Lacatusu R, Rauta C, Carstea S, ghelase I (1996), “Soil-plant-man relationships in heavy metal polluted area in Romania”, Appl Geochem; 10:105-7 24 Liu H, Probst A, Liao B (2005), “Metal contamination of soils and crops affected by the Chenzhou lead/zinc mine spill” (Human China) science of the Total Environment 339:53-166 25 Manfred Felician Bitala (2008), Evaluation of heavy metals pollution in soil and plants ảccued from gold mining activities in Geita, Tanzana, University of Dar es Salaam th 26 Montgomery CW (2003), Environment Geology, edition McGraw-hill Companies, Inc., 1221 Aveneu of the Americans, New York 27 Moran, J.M, Morgan, M.D and Wiersma, J.H (1980), Introduction to environmental science, W.H.Freeman Company, Sanfrancisco 28 Paul Leslie Brown (1984), Studies on the hydrolysis of metal ions, University of Wollongong 29 Plunket E.R (1987), handbook of industrial toxicity, rd edition, Edward Amold Ltd, Victoria, Australia 30 Robert A Alberty (1968), Effect of pH and metal ion concentration on the Equilibrium hydrolysis of adenosine triphosphate to adenosine diphosphate, The journal of Biological chemistry 243, 1337 – 1343 80 31 Teng Yanguo, Ni Shijun, Jiao Pengcheng, Deng Jian, Zhang Chengjiang, and Wang Jinsheng, “Eco-Environmental Geochemistry ò heavy metal pollution in Dexing Mining Area”, Vol.23 No.4 Chinese journal of geochemistry ’’ 32 Tu rkdogan MK, Kilicel Fevzi, Kara Lazim, tuncer Ilyas, Uygan Ismail (2003), “Heavy metals in soil, vegetables aand fruits in the endemic upper gastrointestinal cancer region of Turkey”, Environ Toxicon Pharmacol; 13(3):175-9 33 UNEP, WWF, EPA, SEDESOL and VROM (1995), Mining support package: metallic Ores and Minerals, Proceedings of the fourth International Conference on environmental compliance and forcement, April 1996, Bankok Thailand 34 WHO, FAO and IAEA (1996), trace elements in human nutrition and health, WHO, Geneva 35 Williams, L.K and Langley, R.L, (2001), Environmental health secrets, Hanley and Belfus, Inc, Philadelphia 81 ... trình thủy phân ion kim loại Ta có giá trị tích số tan số hidroxit kim loại nặng có quặng đồng sau: 27 Bảng 1.1 Bảng tích số tan số hidroxit kim loại nặng có quặng đồng 1.6 Ảnh hƣởng kim loại nặng. .. NHIÊN Vũ Thị Hà Mai NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ ION ĐẾN KHẢ NĂNG THỦY PHÂN VÀ TỒN LƢU CỦA CÁC KIM LOẠI NẶNG CHÍNH CĨ TRONG QUẶNG ĐỒNG SINH QUYỀN Chun ngành : Hóa mơi trường Mã số : 60440120 LUẬN... số kim loại nặng có hàm lượng cao quặng đồng sunfua - Nghiên cứu ảnh hưởng ion Fe, Cu đến đường cong thủy phân kim loại nặng nói - Nghiên cứu điều kiện ảnh hưởng đến khả tạo kết tủa ổn định khả