1.3. Ô nhiễm kim loại nặng và các biện pháp xử lý
1.3.5. Mối quan hệ giữa kim loại nặng trong môi trường đất và nước
Tính chất hóa học và vật lý của chất ô nhiễm ảnh hưởng đến sự di
chuyển của kim loại trong đất và nước. KLN tồn tại ở ba dạng trong kết cấu
đất: các chất ô nhiễm hòa tan trong dung dịch đất, chất ô nhiễm hấp phụ trên
bề mặt đất và chất ô nhiễm cố định hóa học dạng hợp chất rắn. Các tính chất hóa học và vật lý của đất sẽ ảnh hưởng đến các dạng kim loại và tính linh động của nó, từ đó có thể lựa chọn cơng nghệ phù hợp để xử lý [80].
1.3.5.1. Mối quan hệ giữa các tính chất hóa học
Sự có mặt của các anion vô cơ (muối cacbonat, phốt phát, sulfit) trong dung dịch đất có thể ảnh hưởng đến khả năng cố định hóa học các kim loại trong đất. Các anion có thể tạo ra các phức tương đối khó tan với các ion kim
thường giá trị pH đất trong khoảng giữa 4,0 và 8,5 với khả năng đệm bởi Al ở
pH thấp và khả năng đệm bởi CaCO3 ở pH cao [179]. Các cation kim loại linh
động trong điều kiện có tính axit trong khi các anion có xu hướng hấp phụ các
khoáng oxit trong khoảng pH này [73]. Tại pH cao, các cation kết tủa hoặc hấp phụ bề mặt khoáng chất và các anion kim loại lại trở nên linh động. Sự
hiện diện của các oxit kim loại ngậm nước của Fe, Al, Mn có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến nồng độ kim loại vì các khống chất này có thể loại bỏ các
cation và anion từ dung dịch bằng cách trao đổi ion, hấp phụ và kết tủa bề mặt [73]. Sự hấp phụ của các cation kim loại với các oxit ngậm nước thường tăng khá mạnh với pH và tăng đáng kể tại các giá trị pH ở trên mức trung tính, trong khi đó hấp phụ các anion kim loại lớn ở pH thấp và giảm khi pH tăng.
Khả năng trao đổi cation (CEC) liên quan đến sự tập trung của các cation dễ
dàng trao đổi trên một bề mặt khoáng chất và thường được sử dụng để chỉ ra
mối quan hệ của đất với sự hấp thu của các cation như kim loại. Khả năng trao đổi anion (AEC) liên quan đến các mối quan hệ của đất về sự hấp thu của
các anion và thường là thấp hơn đáng kể so với CEC của đất. Ngồi các oxit ngậm nước, khống sét cũng là vật liệu trao đổi ion quan trọng đối với kim loại [164]. Sự hiện diện của các chất hữu cơ tự nhiên đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến hấp phụ các ion kim loại cho bề mặt khoáng chất. Chất hữu
cơ đã được nghiên cứu khảo sát về tăng cường hấp phụ của Cu2+ ở pH thấp và
ức chế hấp phụ Cu2+ ở pH cao [80]. Chất hữu cơ, đặc biệt là humic, có thể tạo phức với các kim loại và loại bỏ chúng ra khỏi dung dịch [37]. Humic chứa các nhóm chức cacboxylic và phenol có thể tạo phức với các ion kim loại.
1.3.5.2. Mối quan hệ giữa các tính chất vật lý đất
Kích thước cấp hạt của đất có thể ảnh hưởng đến mức độ ơ nhiễm kim
loại trong đất. Cấp hạt mịn (<100 µm) có phản ứng mạnh hơn và có diện tích bề mặt cao hơn so với cấp hạt thô. Dẫn đến, phần cấp hạt mịn của đất thường
chứa phần lớn chất ơ nhiễm. Việc xác định kích thước cấp hạt của đất bị ơ
nhiễm kim loại có thể xác định hiệu quả của công nghệ xử lý kim loại, ví dụ
như, cơng nghệ rửa đất [73]. Độ ẩm của đất ảnh hưởng đến các tính chất hóa
học của đất bị ô nhiễm. Khả năng hịa tan các khống, pH và tiềm năng oxy
hóa khử của đất nước phụ thuộc vào độ ẩm của đất. Kết cấu của đất thể hiện
kích thước, hình dạng, sắp xếp và mức độ phát triển của đất. Kết cấu của đất
có thể ảnh hưởng đến tính di động chất gây ô nhiễm bằng cách hạn chế mức
độ tiếp xúc giữa nước ngầm và chất gây ô nhiễm [73].
1.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hút thu kim loại nặng của thực vật
Khả năng dễ tiêu và hút thu KLN của thực vật bị ảnh hưởng bởi các đặc tính lý hóa của mơi trường đất như: pH, hàm lượng khoáng sét, chất hữu cơ,
CEC và hàm lượng KLN trong đất. Thông thường pH thấp, thành phần cơ
giới nhẹ, độ mùn thấp, thực vật hút KLN mạnh [68].
Sự hấp phụ vào các hạt đất sẽ làm giảm hoạt tính của kim loại. Vì vậy, đất có CEC cao, sự hấp phụ và cố định kim loại càng lớn. Trong đất chua, H+ tham
gia đẩy các KLN khỏi liên kết với các hạt keo sét của đất, đưa chúng trở vào
dung dịch đất. Vì vậy, pH đất khơng chỉ ảnh hưởng đến khả năng tiếp xúc sinh học của kim loại mà còn ảnh hưởng gián tiếp đến quá trình hút kim loại vào
trong rễ.
Khả năng tích lũy kim loại trong thân với hàm lượng cao có thật sự
quan trọng đối với quá trình xử lý kim loại trong đất hay không đã được bàn luận [59, 67, 160]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, thực vật có sinh khối cao trồng trong mơi trường đất ô nhiễm và pH thấp, khả năng hút thu Zn tăng và tính độc của Zn đã làm giảm 50% sản lượng. Ví dụ như ngơ và cải trong điều
kiện thuận lợi, các loài thực vật có thể đạt 20 tấn sinh khối khô/ha. Trong
cây trồng bị giảm sản lượng đáng kể khi hàm lượng Zn trong thân đạt 500
mg.kg-1 lúc thu hoạch. Khi sản lượng giảm 50% (10 tấn.ha-1), sinh khối khô chứa 500 mg.kg-1, thực vật chỉ loại bỏ 5 kg Zn/ha/năm. Cây cải xoong (T.caerulescens) có thể loại bỏ cả Zn và Cd, mặc dù có sản lượng thấp hơn
các lồi trên nhưng có thể chống chịu cao đến 25.000 mg Zn.kg-1 mà khơng bị giảm sản lượng. Thậm chí khi sản lượng thấp (5 tấn.ha-1), điểm bắt đầu giảm sản lượng, Zn được loại bỏ cũng tới 125 kg.ha-1. Như vậy, có thể kết luận
rằng khả năng siêu tích tụ và chống chịu cao quan trọng hơn khả năng cho
sinh khối cao.
Trong một số trường hợp, để xử lý một nguyên tố trong đất bằng thực vật
đòi hỏi phải bổ sung vào đất các yếu tố khác, bởi vì hóa tính đất hoặc thực vật
làm giảm khả năng hút thu và chuyển hóa lên thân. Khi thêm yếu tố tạo phức như HEDTA (hydroxyethyl ethylenediamine triacetic acid), EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) vào đất làm khả năng hòa tan và linh động của
KLN tăng, do vậy việc tiếp xúc với thực vật dễ dàng hơn [49, 97].