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.
19
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.
20
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. Khi nhiệt độ xuống thấp dưới OoC, nước ở thể lỏng chuyển thành thể rắn (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
21
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
22
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 chứa nhiều CO2 thì tốc độ hoà tan của các muối trong khoáng sẽ nhanh hơn rất nhiều. Đặc biệt là các khoáng cacbonat và muối mỏ.Các khoáng vật và đá bị hoà tan tạo thành các dung dịch thật.
Một ví dụ điển hình về quá trình phong hóa đá cacbonat (CaCO3) được biểu diễn bằng các phản ứng sau:
CO2 + H2O ⇆ H+ + HCO3−
CaCO3 + H+ ⇆ Ca2++ HCO3−
CaCO3 + CO2 + H2O ⇆ Ca2++ 2HCO3−
* Quá trình hyđrat hoá: Là quá trình nước tham gia vào mạng lưới tinh thể của khoáng vật. thực chất đây là quá trình nước kết hợp với khoáng vật làm thay đổi thành phần hoá học của khoáng vật (biến các khoáng vật thành dạng hydrat). Các hydrat được hình thành sau quá trình hydrat hoá thường có độ cứng thấp hơn và thể tích lớn hơn so với quặng, khoáng ở trạng thái bình thường. Vì thế chúng rất dễ bị phá vỡ thành các mảnh vụn nhỏ hơn. Ví dụ: CaSO4 → CaSO4.2H2O Anhyđri Thạch cao Fe2O3 → Fe2O3.nH2O Hematit Limonit
23
* Quá trình oxi hoá khử: Quá trình này phụ thuộc chặt chẽ vào sự xâm nhập của O2 tự do trong không khí và O2 hoà tan trong nước. Quá trình oxi hoá làm cho 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.
Ví dụ:
- Quặng pyrit bị oxi hóa theo một loạt các phản ứng sau [2,14, 20, 21] FeS2 + 3,5O2 + H2O → Fe+2 + 2SO42- + 2H+
Fe2+ + 0,25O2 + H+ → Fe3+ + 0,5H2O Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+
FeS2 + 3,75O2 + 3,5H2O → Fe(OH)3 + 2SO42- + 4H+
Axit H2SO4 và Fe3+ được giải phóng ra trong quá trình oxi hoá sun phua sắt có thể tác dụng lên các khoáng vật sun phua khác và đẩy nhanh quá trình phân huỷ chúng theo phản ứng [6].
MS + H2SO4 → H2S + MSO4
2MS +2Fe2(SO4)3 + 2H2O + 3O2 → 2MSO4 + 4FeSO4 + 2H2SO4
(M là các kim loại hoá trị hai: Cu. Pb. Zn...) - Chancopyrit bị oxy hóa khi có mặt oxy [11]
24
Nhưng khi có mặt Fe3+ thì xáy ra theo phương trình
CuFeS2 + 16Fe3+ + 8H2O → Cu2+ + 17Fe2+ + 2SO42- + 16H+
* Quá trình sét hoá: Các khoáng vật silicat. nhôm silicat do tác động của H2O. CO2 sẽ bị biến đổi tạo thành các khoáng sét (keo sét). Các chất kiềm và kiềm thổ trong khoáng vật bị H+ chiếm chỗ trong mạng lưới tinh thể được tách ra dưới 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:
K2Al2Si6O16 + H2O + CO2 → H2Al2Si2O8.2H2O + K2CO3 + SiO2.nH2O Fenspatkal(orthoclaz) Kaolini Opan
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 gian, rễ to dần phá vỡ đá. Mặt khác rễ cây tiết H2O và CO2 tạo H2CO3 để hoà tan đá 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 tự nhiên chúng bị phong hóa giải phóng ra các kim loại ở dạng ion đi vào trong môi
25
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 sun phát: Fe2+SO4.nH2O, MgSO4.nH2O, CuSO4.5H2O, ZnSO4.7H2O, ZnSO4.H2O, Na2Mg(SO4)2.4H2O [11]. Các oxit và hidroxit cũng được hình thành như α-FeOOH, g-FeOOH, b-FeO(OH.Cl), g-Fe2O3, Zn2Mn43+O8.H2O, Fe2+TiO3. MnO2. Các hợp chất cacbonat. phốt phát và asenat CaMg3(CO3)4, Pb5(PO4)3Cl, H2Ca4Mg(AsO4)4.11H2O, CaHAsO4.2H2O, CaHAsO4.H2O, CaHAsO4, FeAsO4.2H2O.
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 độ của SO42-, Fe, Cu, Zn tương ứng là 7,6.105 mg/l, 8,6.104 mg/l, 120-650 mg/l, 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 tủa. hay khi gặp các ion CO32-, PO43-, S2-... thì các ion này sẽ kết tủa lại và lắng 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.
MS + 2H+ → M2+ + H2S M2+ +OH- → M(OH)+ M2+ + Cl- → MCl+
26
M2+ + CO32- → MCO3
M2+ + S2- → MS
M2+ + GSH → M(GS)+ + H+
1.5.2. Quá trình tạo phức
Thành phần của đất tại khu vực mỏ Sinh Quyền rất đa dạng, ngoài các quặng sun phua và các hợp chất vô cơ còn có các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ động thực vật, cơ thể vi sinh vật.... đặc biệt trong quá trình mùn hóa tạo nên các axit humic và axit fulvic. Các hợp chất humic khi gặp nước và các điều kiện nhất định 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.
M2+ + nL → M(L)n2+
1.5.3. Quá trình thủy phân
Quá trình thủy phân là phản ứng hóa học giữa các chất hóa học với các phân tử nước, được mô tả là sự trao đổi giữa ion OH- và H+ của nước với thành phần các chất hóa học.
Đối với các ion kim loại khi đi ra môi trường nước sau khi phong hóa sẽ bị thủy phân tạo hidroxit không tan hoặc phức hidroxo như sau:
Mn+ + H2O ⇄ MOH(n−1)+ + H+
Mn+ + 2H2O ⇄ M(OH)2(n−2)+ + 2H+
……….………
27
1.5.4. Các yếu tố ảnh hƣởng 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 tính bazơ, xảy ra phản ứng trung hòa với ion H+ của nước, làm quá trình phân ly của nước xảy ra nhanh hơn, đồng thời cũng làm tăng nồng độ ion OH- trong nước làm