1.3. Ô nhiễm kim loại nặng và các biện pháp xử lý
1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính linh động của kim loại nặng trong
trong mơi trường đất
Tìm hiểu về các yếu tố chi phối tính linh động và khả năng dễ tiêu đối với thực vật của kim loại trong đất là điều cần thiết để dự đốn tác động mơi
trường của kim loại có trong đất nơng nghiệp. Các phản ứng trong mơi trường đất, ví dụ axit/bazơ, kết tủa/hịa tan, q trình oxy hóa/khử, hấp thụ hoặc q
trình trao đổi ion có thể ảnh hưởng đến sự thay đổi nồng độ và tính linh động kim loại trong mơi trường đất. Độc tính, tính di động và phản ứng phụ thuộc
vào đặc tính của từng kim loại và phụ thuộc vào một số điều kiện như pH, Eh, nhiệt độ, độ ẩm, ... [91].
1.3.4.1. Ảnh hưởng của pH
pH trực tiếp hoặc gián tiếp ảnh hưởng đến một số cơ chế lưu giữ kim
loại trong đất. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng việc hấp phụ các kim loại tăng
không đáng kể cho đến khi pH lớn hơn 7. Sự phụ thuộc vào pH của phản ứng
hấp phụ cation kim loại một phần do sự hấp phụ ưu tiên kim loại thủy phân
hơn so với các ion kim loại tự do [135]. Tỷ lệ thủy phân của các kim loại tăng
với mức tăng của pH.
Sự hấp phụ Cu trong đất phụ thuộc pH nhiều hơn Cd [57]. Phát hiện
này là phù hợp với giả thuyết rằng sự thủy phân của Cu ở pH 6 làm tăng sự
lưu giữ Cu trong đất, trong khi Cd không thủy phân cho đến khi pH 8. Kẽm được chứng minh bị giữ lại ở dạng có thể trao đổi ở độ pH thấp (pH=4) trong đất chứa nhiều Fe và Mn oxit nhưng trở thành dạng cố định khi pH tăng lên
trên 5,5. Các nhà nghiên cứu cho rằng sự thay đổi trong cơ chế hấp phụ là do sự thủy phân của Zn và sự hấp phụ của các loại kim loại bị thủy phân bởi bề mặt của các oxit [135].
Nhiều vị trí hấp phụ của các chất trong đất phụ thuộc vào pH như Fe và Mn oxit, chất hữu cơ, cacbonat và các khống sét. Khi pH giảm, số lượng các vị trí mang điện tích âm sẽ giảm đi trong khi đó số lượng các vị trí cho hấp
phụ anion tăng. Cũng như pH trở nên axit hơn, các cation kim loại cũng phải
đối mặt với sự cạnh tranh của các vị trí có điện tích vĩnh cửu của Al3+ và H+. Các kim loại thường hình thành kết tủa ở dạng hydroxit, oxit, cacbonat, và phốt phát trong điều kiện môi trường kiềm. Sự tan rã của các kết tủa kim loại phụ thuộc rất nhiều vào độ pH của hệ. Oxit ngậm nước của Fe và Mn
đóng vai trị chính trong việc lưu giữ các kim loại trong đất. Độ hòa tan của
Fe và Mn oxit cũng liên quan tới pH. Dưới pH 6, các oxit của Fe và Mn hịa tan, giải phóng ion kim loại hấp phụ vào dung dịch [125].
Nhìn chung, hấp phụ tăng lên cùng với tăng độ pH. Cụ thể, giá trị pH
thấp hơn các kim loại có thể được tìm thấy hơn trong các dung dịch và do đó nhiều kim loại linh động hơn. Khi pH giảm xuống dưới 5, tính di động của kim loại được tăng cường do nồng độ proton tăng lên. Tại các giá trị pH trên 7, một số KLN có xu hướng hình thành phức hydroxy do đó sẽ làm giảm độ hịa tan của kim loại [161].
1.3.4.2. Ảnh hưởng của các phức chất
Các cation kim loại tạo phức với các phối tử vô cơ và hữu cơ. Kết quả của sự kết hợp này dẫn đến phức có điện tích dương thấp hơn so với các ion kim loại tự do và có thể khơng mang điện tích hoặc mang điện tích âm. Ví dụ, kết quả của sự kết hợp giữa catmi với clorua trong loạt sau của catmi tích điện hoặc khơng tích điện: Cd2+, CdCl+, CdCl2o, CdCl3-. Sự tương tác giữa các ion kim loại và phối tử tạo phức có thể dẫn đến phức có tính hấp phụ yếu lên bề mặt đất hoặc thành một phức có sự hấp phụ mạnh hơn so với các ion kim loại tự do. Nhìn chung, việc giảm điện tích dương trên phức kim loại làm giảm sự hấp phụ với tích điện âm bề mặt. Một ngoại lệ được ghi nhận là có sự hấp phụ
ưu tiên các kim loại bị thủy phân (MOH+) hơn so với các kim loại hoá trị hai
tự do. Thực tế hiệu quả của việc hình thành phức lên sự hấp phụ phụ thuộc vào tính chất của kim loại, loại hình và số lượng của các phối tử có mặt, đặc tính bề mặt của đất, thành phần dung dịch đất, pH và điều kiện oxi hóa khử [135].
1.3.4.3. Ảnh hưởng của cường độ ion
Lượng kim loại bị hấp phụ giảm khi gia tăng cường độ ion của khống
chất có mật độ điện tích bề mặt vĩnh cửu. Sự hấp phụ của Zn không phụ thuộc vào pH, khả năng hấp phụ của Zn là ln ln tốt hơn trong dung dịch CaCl2 pha lỗng. Điều này cho thấy phản ứng diễn ra trên bề mặt âm của chất keo.
Việc giảm cường độ ion làm cho điện tích bề mặt tiềm năng âm hơn và do đó hấp phụ cation lớn hơn.
Sự hấp phụ có liên quan với CEC, điều này là hiển nhiên có ảnh hưởng
đến hấp phụ ở mỗi giá trị của cường độ ion. Bên cạnh đó, tăng cường độ ion
làm giảm hấp phụ kim loại vì tăng khả năng cạnh tranh của các cation khác nhau tại vị trí hấp phụ. Loại đất có cường độ ion cao hơn có thể có nhiều nguy
cơ rửa trơi kim loại sang loại đất có cường độ ion thấp hơn [161].
1.3.4.4. Ảnh hưởng của quá trình oxy hóa khử
Gần một nửa số kim loại có nhiều hơn một trạng thái ơxi hóa trong mơi
trường đất và bị ảnh hưởng trực tiếp bởi những thay đổi trong q trình oxy
hóa khử (redox) tiềm năng của đất. Thế oxi hóa khử của hệ đất là thước đo về tiềm năng điện hóa hoặc các electron sẵn có bên trong hệ.
Trong đất, điều kiện khử xảy ra bởi sự vắng mặt của oxy (kỵ khí). Điều
này gây ra bởi lượng oxy trong đất bị sử dụng hoặc tiêu thụ với tốc độ lớn
hơn mức nó được vận chuyển vào hệ thống đất. Điều kiện khử xảy ra ở các
loại đất ngập nước hoặc đất bị nhiễm các hợp chất tiêu thụ nhiều oxy. Việc tiêu thụ ơxy có thể là hóa học hoặc sinh học. Việc tiêu thụ sinh học của oxy là kết quả của các vi khuẩn sử dụng các chất gây ô nhiễm hữu cơ có trong hệ thống đất. Điều kiện háo khí (aerobic) thường xảy ra ở trong đất thoát nước
tốt cũng như đất chưa bị ô nhiễm các chất hữu cơ [161].
Mức độ oxy hóa hay khử được thể hiện phép đo oxi hóa khử tiềm năng. Bốn khoảng về điều kiện oxi hóa khử được đưa ra theo đề nghị của Patrick và Mahapatra (1968) mà có thể gặp phải trong đất ở pH 7, đất bị oxy hóa > +400
mV; đất khử vừa từ +400 đến +100 mV; đất khử từ +100 đến -100 mV; đất có
tính khử cao từ -100 đến -300 mV. Trạng thái oxi hóa khử của đất thường liên quan chặt chẽ đến hoạt động của vi sinh vật và các loại chất nền có sẵn cho các sinh vật.
Phản ứng oxi hóa khử có thể ảnh hưởng rất lớn đến sự vận chuyển chất gây ơ nhiễm. Ở mơi trường có tính axit nhẹ đến kiềm, Fe (III) kết tủa như một
chất rắn có sự hút bám cao (hydroxit sắt), trong khi Fe (II) là rất dễ hịa tan và khơng giữ lại các kim loại khác. Việc khử Fe(III) thành Fe(II) sẽ giải phóng các kim loại bị hấp phụ ở bề mặt hydroxit sắt đến vùng chứa trầm tích. Nói chung, điều kiện oxy hóa có lợi cho duy trì của các kim loại trong đất, trong khi các điều kiện khử tăng sự linh động của kim loại [135].
1.3.4.5. Ảnh hưởng của thành phần cơ giới của đất
Thành phần cơ giới của đất đóng một vai trị quan trọng tới tính linh
động của kim loại trong đất. Thành phần cơ giới phản ánh sự phân bố kích thước hạt của đất và trong đó hàm lượng của các hạt mịn như các oxit và sét
có vai trị rất lớn. Các hợp chất này là thành phần quan trọng để hấp phụ KLN
trong đất. Đất sét giữ số lượng lớn kim loại khi so sánh với đất cát. Thành
phần cơ giới của đất mịn có chứa hàm lượng Pb cao (3889 mgkg-1) và đất hạt thô chứa hàm lượng Pb thấp hơn (530 mgkg-1). Hàm lượng kim loại của lớp
đất mặt và lớp đất giữa là tương đối cao hơn so với lớp dưới cùng của đất
[161].