Quá trình trao đổi ion và hấp phụ có vai trò quan trọng khi nghiên cứu sự vận chuyển các chất ô nhiễm trong các tầng chứa nước và đất.
As được tìm thấy trong nước ở dạng As(V) và As(III). Các axit tương ứng của chúng là H3AsO4 có pKa1 = 2,24, pKa2 = 6,9 và pKa3 = 11,5 và H3AsO3 có pKa1 = 9,2, pKa2 = 12,1 và pKa3 = 12,7. Theo các kết quả nghiên cứu cho thấy pH của nước ngầm thường có giá trị trung tính hoặc hơi kiềm. Như vậy các dạng chính As tồn tại trong nước ngầm là H2AsO4-, HAsO42-, H3AsO3 [1, 38].
Các chất hấp phụ chính trong đất được chia thành 3 loại chính: các khoáng sét, các oxit kim loại (chủ yếu oxit Fe) và các chất hữu cơ [38].Với các anion chứa oxi như AsO43-, AsO33- các kết quả nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng: các oxi hidroxit Fe (gọi tắt là các oxit Fe) là nguồn khoáng chính lưu giữ As trong trầm tích bởi do có ái lực lớn đối với As. Các khoáng sắt oxit phổ biến bao gồm: hematite (α- Fe2O3), goethite(α- FeOOH), maghetite (γ- Fe2O3), lepidocrocite (γ- FeOH), amorphous (Fe(OH)3) hay ferrihydrite (5Fe2O3. 9 H2O). Khoáng bền vững nhất đó chính là hematite va goethite với cấu trúc tinh thể bền vững, kế tiếp là maghetite (γ- Fe2O3), lepidocrocite (γ- FeOH) với cấu trúc tinh thể kém bền hơn và cuối cũng là các tinh thể vô định hình như ferrihydrite ( 5Fe2O3. 9 H2O). Do khoáng goethite là chiếm chủ yếu trong trầm tích, hơn nữa là khoáng bền và dễ tổng hợp nên có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện trên pha khoáng này [18, 19]. Tuy nhiên, bên cạnh các oxit sắt thì các oxit nhôm (khoáng sét), khoáng silicat cũng có khả năng hấp phụ As tuy nhiên với dung lượng hấp phụ kém hơn nhiều lần so với các oxit sắt.
Sự hấp phụ của As phụ thuộc vào giá trị pH. Bởi điện tích bề mặt chất hấp phụ (tiêu biểu là sắt oxit) chuyển đổi từ điện tích dương, không mang điện, điện tích âm khi pH tăng do nhóm OH trên bề mặt khoáng xảy ra sự đề proton khiến cho bề mặt khoáng chứa nhóm chức hoạt động tương ứng là OH2+, OH và O-. Giá trị pH mà
điện tích bề mặt chất hấp phụ bằng không được gọi là pHPZC. Như chúng ta đã biết các anion chứa oxi sẽ bị hút bởi nhóm OH2+ bề mặt mang điện tích dương và bị đẩy bởi nhóm O- bề mặt mang điện tích âm. Do đó, sự hấp phụ của các anion chứa oxi lớn ở pH thấp và nhỏ khi pH cao. Điều này giải thích vì sao sự hấp phụ của dạng H3AsO3 không mang điện tích lại kém hơn so với các dạng mang điện tích âm của As(V) là H2AsO4-, HAsO42- ở pH < pHPZC.
Các nghiên cứu về ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ của As(III) và As(V) trên các khoáng goethite, khoáng vô định hình - HFO đều chỉ ra rằng: sự hấp phụ As(V) giảm tuyến tính khi pH tăng bởi do điện tích bề mặt dương giảm và dạng HAsO42- tăng, trong khi đó sự hấp phụ của As(III) đạt giá trị cực đại ở pH 6-9 với sự hấp phụ giảm dần ở pH nhỏ hơn và lớn hơn [53]. Tuy nhiên trong nghiên cứu này tác giả tiến hành nghiên cứu với hàm lượng As hòa tan rất cao (0,27mM As tương đương với 20mgAs/L), cao hơn rất nhiều so với nồng độ As thực có trong nước ngầm (hình 1.13).
Hình 1.12. Sự hấp phụ của As (III) và As(V) trên khoáng goethite phụ thuộc vào pH [53]
Bên cạnh đó, sự hấp phụ của As không chỉ phụ thuộc vào pH, mà còn phụ thuộc vào chất hấp phụ với các đại lượng đặc trưng như diện tích bề mặt, cấu trúc tinh thể. Trong nghiên cứu của mình, tác giả Dixit Hering báo cáo mật độ As(V) hấp phụ tối đa của HFO là 2100 µmol/g lớn hơn nhiều so với goethite là 140 µmol/g [18]. Kết quả này là khá phù hợp với sự tương đương mật độ hấp phụ bề mặt trên đơn vị diện tích của HFO và goethite (hình 1.14). Điều này ngụ ý rằng sự chuyển dạng của các oxit sắt (từ HFO sang goethite) làm giảm diện tích bề mặt, làm giảm mật độ hấp phụ và do đó làm tăng sự di động As từ trầm tích vào nước ngầm.