2.1. Đối tượng nghiờn cứu:
Trờn cơ sở tỡm hiểu, đỏnh giỏ về hiện tượng phỏt sinh ụ nhiễm cũng như nguyờn nhõn hỡnh thành asen và mangan trong cỏc nguồn nước, nờn nghiờn cứu của luận ỏn tập trung vào đối tượng sau:
1. Nghiờn cứu quỏ trỡnh phong húa giải phúng asen từ khoỏng asenopyrit ra mụi trường nước. Quỏ trỡnh chuyển húa và tương tỏc giữa cỏc dạng asen, sắt và mangan trong hai pha rắn, lỏng và cỏc quỏ trỡnh hấp phụ, kết tủa bề mặt tạo hợp chất ớt tan
2. Nghiờn cứu quỏ trỡnh khử yếm khớ của cỏc hợp chất chứa asenat, mangan đioxit và sắt (III)oxit/hydroxit dưới tỏc động của vớ sinh vật và cỏc chất hữu cơ, quỏ trỡnh giải phúng asen, sắt và mangan cũng như cỏc quỏ trỡnh tương tỏc, chuyển húa của chỳng trong mụi trường yếm khớ.
3. Nghiờn cứu quỏ trỡnh tỏc động của oxy vào mụi trường yếm khớ từ đú đề xuṍt phương án cụ́ đi ̣nh asen, mangan và sắt ngay tại nguồn.
2.2. Phương phỏp luận
Asen là một nguyờn tố đa lượng thứ 20 trong bảng hệ thống tuần hoàn cỏc nguyờn tố húa học. Nguyờn tố asen và cỏc hợp chất của nú như asenua, asenat thường ớt tan và bền vững trong mụi trường nờn bỡnh thường asen ớt cú khả năng gõy độc tới mụi trường, nhưng khi chỳng ở dạng tan trong nước như dạng As (III), As (V) và asen hữu cơ, đặc biệt là As (III) thỡ lại cú độc tớnh cao, gõy ụ nhiễm mụi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động thực vật
Asen và mangan giải phúng vào mụi trường nước chủ yếu theo hai con đường chớnh.
59
Thứ nhất: Do quỏ trỡnh phong húa của quặng chứa asenua, mangan, sắt và sự hũa tan của cỏc sản phẩm tạo thành sau quỏ trỡnh phong húa vào trong mụi trường nước.
Thứ hai: Do quỏ trỡnh khử yếm khớ của cỏc hợp chất chứa asenat, Mn(IV) và Fe(III) là sản phẩm ớt tan của quỏ trỡnh phong húa bị rửa trụi lắng đọng lại trong trầm tớch và phự sa ở cỏc đồng bằng chõu thổ tạo thành cỏc dạng tan vào nước trong lũng đất.
Dựa vào cỏc giả thuyết về sự hỡnh thành của asen và mangan trong tự nhiờn nờu trờn, chỳng tụi đó thiết kế 2 hệ thống thớ nghiệm:
1. Để cú thể nghiờn cứu được cỏc quỏ trỡnh phong húa tự nhiờn, chỳng tụi đó xõy dựng mụ hỡnh thớ nghiệm cú điều kiện tương tự như những bói quặng cú chứa asenopyrit ở điều kiện ngập nước và bói quặng lộ thiờn, sau đú cho nước bóo hũa oxy cú thành phần tương tự như nước mưa đi qua trong cỏc khoảng thời gian, pH, nhiệt độ, tốc độ dũng chảy của nước khỏc nhau. Từ cỏc quỏ trỡnh này sẽ hiểu rừ hiện tượng giải phúng asen, mangan, sắt xảy ra trong mụi trường và cỏc quỏ trỡnh tương tỏc chuyển húa của chỳng.
2. Quỏ trỡnh khử yếm khớ cỏc hợp chất chứa asenat, sắt và mangan ớt tan dưới dạng muối, oxit, hydroxit diễn ra trong lũng đất thường xảy ra khỏ chậm, kộo dài hàng năm, hàng trăm năm thậm chớ đến hàng nghỡn năm phụ thuộc cấu trỳc địa húa và cỏc điều kiện mụi trường. Để cú thể hiểu rừ quỏ trỡnh giải phúng asen, mangan và sắt xảy ra như thế nào, khi nào xảy ra, và tương tỏc của chỳng giữa hai pha rắn và lỏng, chỳng tụi đó thiết kế hệ thống mụ phỏng điều kiện yếm khớ, trong đú khối vật chất trong hệ thống được cấu tạo tương tự như trong tầng ngậm nước tự nhiờn. Tuy rằng cũn đơn giản so với thực tế nhưng đó mụ phỏng điều kiện cơ bản để nghiờn cứu và tỡm hiểu quỏ trỡnh này.
60
- Lớp thứ nhất chứa chất mựn được lấy từ tầng đất mặt nhằm tạo nguồn vi sinh vật và một phần chất hữu cơ.
- Lớp thứ hai là một lớp sỏi hạt to đường kớnh 2- 5mm,
- Lớp thứ 3: Cỏt sạch chứa asen, mangan và sắt, dưới dạng cỏc hợp chất ớt tan của asenat (FeAsO4, Mn3(AsO4)2, Ca3(AsO4)2 mangan đioxit và sắt(III) hydroxit/oxyhydroxit, trộn lẫn 1% phự sa)
- Pha nước cú thành phần tương tự như thành phần nước mưa ngṍm qua đṍt được bơm liờn tục qua cột với tốc độ tương tự như tốc độ ngấm dần của dũng nước xảy ra trong tầng ngậm nước.
Quỏ trỡnh khử yếm khớ của hợp chất chứa asen, sắt và mangan trong tầng ngậm nước chủ yếu do sự cú mặt của cỏc hợp chất hữu cơ cú trong lũng đất. Hợp chất hữu cơ này là sản phẩm của xỏc động, thực vật thối rữa trờn mặt đất rửa trụi và đi xuống tầng ngậm nước. Nồng độ cỏc hợp chất hữu cơ trong tự nhiờn thường rất nhỏ, do đú quỏ trỡnh khử thường diễn rất chậm là như vậy. Để rỳt ngắn thời gian chuyển húa đú đề tài đó bổ sung lượng chất hữu cơ trong nghiờn cứu tăng lờn hàng trăm lần so với thực tế.
Từ kết quả phõn hủy ở điều kiện yếm khớ, dạng tan chủ yếu của asen, sắt và mangan là As(III), Mn(II), Fe(II). Nếu cung cấp oxy vào tầng ngậm nước yếm khớ, Fe(II) sẽ bị oxy húa lờn Fe(III) tạo kết tủa dạng hydroxyt, As(III) và Mn(II) cũng bị oxy húa chuyển thành As(V) và MnO2, xuất hiện hiện tượng As(V) sẽ cộng kết hấp phụ lờn bề mặt của sắt hydroxit và mangan đioxit. Như vậy việc cung cấp oxy vào tầng ngậm nước yếm khớ làm cho asen, mangan và sắt sẽ nằm lại trong cỏc tầng ngậm nước dưới dạng cỏc hợp chất ớt tan và khụng tan vào mụi trường nước. Đõy là ý tưởng mới cho việc xử lý nước ngầm khi khai thỏc nước ngầm là rất tốt.
61
2.3. Thực nghiệm
2.3.1. Thiết kế thiết bị nghiờn cứu
2.3.1.1. Thiết bị nghiờn cứu quỏ trỡnh phong húa quặng asenopyrit a, Thiết bị phong húa quặng trong điều kiện ngập nước a, Thiết bị phong húa quặng trong điều kiện ngập nước
Để nghiờn cứu quỏ trỡnh phong húa quặng trong điều kiện ngập nước, thiết bị nghiờn cứu được lắp đặt như trong hỡnh 2.1.
Cột nhồi cú đường kớnh trong 45 mm, dài 700 mm gồm 2 lớp; lớp thứ nhất dày 50 mm là vật chất vụn, sản phẩm khụng tan sau phong húa nằm phớa trờn bề mặt; lớp tiếp theo dày 650 mm là cỏt đó được rửa sạch và trộn với quặng asenopyrit nghiền cú cựng cỡ hạt với cỏt (khối lượng quặng là 5% so với trọng lượng cỏt khụ). Pha nước được chuẩn bị cú thành phần tương tự như nước mưa như trờn bảng 2.1, được bóo hũa oxy bằng mỏy sục khớ (11) nhằm đảm bảo nồng độ oxy hũa tan khoảng 8mg/l và được bơm nhu động (7) bơm vào cột theo chiều từ trờn xuống. Sau khi qua cột, pha nước lại được đẩy trở về bỡnh chứa (8). Cột luụn được giữ trong điều kiện ngập nước. Trong thớ nghiệm, cột nhồi được cấp nhiệt và bảo ụn nhờ vỏ điều nhiệt (2). Mẫu nước được lấy hàng ngày từ van (1) ở cựng một thời điểm như nhau và đem phõn tớch ngay cỏc chỉ tiờu cần nghiờn cứu.
Thành phần pha nước
Bảng 2.1 . Thành phần nền chủ yếu của pha nước mưa [62]
Thành phần Fe(T) (ppm) Ca2+ (ppm) Amoni (ppm) NO3- (ppm) SO42- (ppm) HCO3- (ppm) Nồng độ 0,087 10,1 0,022 1,5 8,0 50
62
*
Hỡnh 2.1: Hệ thống thiết bị nghiờn cứu phong húa quặng bi ̣ ngập nước.
* Kết quả phõn tớch thành phần quặng asenopyrit:
- Hàm lượng Asen (Tổng): 0,524 g/kg - Hàm lượng Sắt (Tổng): 6,451 g/kg - Hàm lượng Mn(Tổng): 2,838g/kg * Vật liệu nạp trong cột: - Đỏ, sỏi: 100g - Cỏt sạch: 2,0 kg - Quặng asenopyrit: 100g