Nghiên cứu khả năng giải phóng một số kim
loại nặng từ các bãi thải, quặng đuôi nghèo pyrit
(FeS
2
) Trương Thị Tâm

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn ThS chuyên ngành: Khoa học Môi trường; Mã số: 60 85 02
Người hướng dẫn: PGS.TS Đồng Kim Loan
Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Nghiên cứu khả năng phong hóa giải phóng Kim loại nặng (KLN) từ quặng
đuôi nghèo FeS2 ra môi trường trong điều kiện ngập nước và xung (thấm từng đợt) nước.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phong hóa và các quá trình tương tác
biến đổi cũng như chuyển hóa các sản phẩm sau phong hóa. Đề xuất biện pháp quản lý để
giảm thiểu tác động của việc khai thác khoáng đến môi trường, hệ sinh thái nói chung và
sức khỏe con người nói riêng.

Keywords: Khoa học môi trường; Chất thải; Kim loại nặng; Ô nhiễm môi trường; Bãi
thải quặng

Content
MỞ ĐẦU
Việt nam là quốc gia cú tiềm năng về khai thỏc khoỏng sản với khoảng 5000 mỏ quặng
và 60 loại khoỏng sản khỏc nhau. Tuy nhiờn, việc khai thỏc cũn nhiều bất cập do trỡnh độ quản

1.1.2. Quặng pyrit sắt
1.1.2.1. Giới thiệu
Pyrit hay pyrit sắt (FeS2) là khoỏng vật phổ biến nhất trong cỏc khoỏng vật sunfua và
thường cú mặt nhiều trong cỏc khoỏng vật sunfua.
1.1.2.2. Thành phần húa học, cấu trỳc và đặc tớnh vật lý
Ngoài thành phần chủ yếu của quặng pyrit là sunfua với hàm lượng của S từ 24-30% cũn
chứa cỏc kim loại nặng như Fe, As, Zn, Cu….
Trong thực tế, pyrit thường xuất hiện dưới dạng cỏc khối lập phương, cú mặt như là cỏc
tinh thể đẳng cực. Pyrit cũng hay xuất hiện dưới dạng cỏc tinh thể bỏt diện và dạng diện pyrit (hỡnh thập nhị diện với cỏc mặt ngũ giỏc); Nú cú mặt góy hơi khụng đều và concoit, ỏnh kim, hệ
số phản xạ 53%, độ cứng Mohs khoảng 6–6,5, tỷ trọng riờng khoảng 4,95–5,10 [2]. Pyrit giũn và
cú thể nhận dạng trờn thực địa do cú mựi đặc trưng để phõn biệt, được giải phúng ra khi mẫu vật
bị tỏn nhỏ;
1.1.2.3. Một số mỏ pyrit sắt ở Việt Nam
Mỏ pyrit Giỏp Lai
Mỏ pyrit Giỏp Lai thuộc xó Giỏp Lai, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phỳ Thọ, đó được đoàn địa
chất 25 (cũ) tiến hành tỡm kiếm thăm dũ năm 1962. Trong những năm 1970 đến đầu 1990, mỏ
đó được đưa vào khai thỏc quặng cung cấp cho nhà mỏy supephotphat Lõm Thao. Hiện tại, mỏ
đó ngừng khai thỏc và tạo nờn cỏc hồ nhõn tạo. Sự hỡnh thành cỏc hồ nhõn tạo đó gõy ảnh
hưởng đến mụi trường đất và nước trong vựng; Mỏ pyrit Giỏp Lai cú nguồn gốc thành tạo nhiệt
dịch nhiệt độ trung bỡnh. Thõn quặng pyrit trong khu mỏ cú dạng mạch nằm trong đỏ hoa
đolomit và đỏ hoa tremolit màu trắng, màu trắng xỏm tuổi Proterozoi. Nhỡn chung cỏc thõn
quặng cú hỡnh dỏng phức tạp, dạng mạch, chựm mạch, thấu kỡnh nằm gần song song với nhau
và trựng với phương của đỏ võy quanh. Một số thõn lộ ra trờn mặt, một số thõn ẩn sõu, phõn bố
trờn chiều dài 1.100m, rộng 180m. càng xuống sõu và ra hai đầu mỳt, chiều dài thõn quặng giảm,
quặng xõm tỏn thưa và hàm lượng lưu huỳnh thấp.
Tụ khoỏng Ba Trại
Tụ khoỏng Bản Giụn

2
→ RSO
4
M – kim loại
Trong phức [SO4
2-
], S di chuyển mạnh. Nếu gặp mụi trường khử, dạng sunfat sẽ bị khử
thành H
2
S. Cả dạng (S
+6
) và dạng sunfua (S
2-
) trong mụi trường Eh thớch hợp cú thể chuyển
thành lưu huỳnh tự sinh (S
2-
). Vỡ mụi trường phong húa chủ yếu là oxi húa nờn dạng tồn tại
chĩnh cảu S là (S
+6
) SO4
2-
và HSO4
-
.
1.2.2.2. Quá trình oxy hóa quặng pyrit.
Đối với pyrit xảy ra theo sơ đồ sau:
2FeS
2
+ 4O
2

O
Trong mụi trường nước mang tớnh axit yếu, Fe
2
(SO
4
)
3
dễ dàng bị thủy phõn tạo hydroxyt
theo phản ứng:
Fe
2
(SO
4
)
3
+ 4H
2
O = 2Fe(OOH) + 3H
2
SO
4

Axit H2SO4 và Fe(III) được giải phúng ra trong quỏ trỡnh oxyhoỏ sunfua sắt cú thể tỏc
dụng lờn cỏc khoỏng vật sunfua khỏc và đẩy nhanh quỏ trỡnh phõn huỷ chỳng theo phản ứng: Vỡ vậy, khi pyrit bị oxyhoỏ, giải phúng H
+
làm tăng độ axit của mụi trường sẽ làm thay
đổi độ linh động của ion đi kốm như Cu

+ 2H
2
O + 3O
2
→ 2MSO
4
+ 4FeSO
4
+ 2H
2
SO
4
(M là cỏc kim loại hoỏ trị hai: Cu, Pb, Zn )

Ngoài quỏ trỡnh oxy húa quặng pyrit tự nhiờn đó mụ tả ơ trờn, cỏc sufua cú trong bói
thải trong quỏ trỡnh khai thỏc hoặc trong quặng đuụi của quỏ trỡnh tuyển quặng cũng dễ dàng bị
oxy húa. Quỏ trỡnh này cũng tương tự như quỏ trỡnh tự nhiờn nhưng tốc độ lớn hơn nhiều. Do
vậy đõy là một trong những nguồn phỏt tỏn KLN và chất độc hại vào mụi trường cần được quan
tõm nghiờn cứu.
1.3. Hiện trạng ô nhiễm và các tác động của KLN đến môi trƣờng khu vực khai thác quặng
và vùng lân cận
1.3.1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng
1.3.1.1. Hiện trạng ô nhiễm tại một số điểm khai thác mỏ ở Việt Nam
Khi bị phong húa cỏc đỏ và quặng sẽ giải phúng cỏc kim loại nặng làm tập trung hàm
lượng lớn kim loại nặng vượt quỏ giới hạn cho phộp, gõy ra cỏc bệnh địa phương, cú hại đối với
cõy trồng, vật nuụi. Một trong những điểm “ núng ” về ụ nhiễm mụi trường do khai thỏc quặng
là sự kiện “làng ung thư Thạch Sơn” (Giỏp lai, Thanh Sơn, Phỳ Thọ) [6,15]. Ngoài tỏc động đến
sức khỏe con người do ụ nhiễm từ khai thỏc và chế biến khoỏng sản, cũn phỏt hiện thấy sự tồn
lưu của cỏc KLN trong sản phẩm chố trồng tại vựng mỏ thiếc huyện Đại Từ, tỉnh Thỏi Nguyờn
[16], Mụi trường nhiều điểm như mỏ kẽm, chỡ Làng Hớch (Thỏi Nguyờn), mỏ đồng Sinh

2.2.1. Phƣơng pháp kế thừa
2.2.2. Khảo sát thực địa
2.2.3. Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
2.3. Nội dung nghiên cứu
2.3.1. Danh mục hoá chất, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu
Bảng 1. Danh mục thiết bị cần thiết cho nghiờn cứu
TT
Tờn dụng cụ, thiết bị
Mục đớch
1
Tủ hốt
Phỏ mẫu
2
Mấy khuấy từ, IKA-RH-KT/C
Phục vị cho nghiên cứu khả năng cộng kết
3
Mỏy sục khớ, Việt Nam
Đảm bảo độ hoà tan khớ oxi trong nước
4
Cỏc dụng cụ thuỷ tinh trong PTN
Tiến hành cỏc thớ nghiệm
5
Máy cất nước Aquatron A4000D,
xuất xứ Cộng hoà Liên bang Đức
Nước cất cho nghiên cứu
6
Tủ sấy Model 1430 D, Đức.
Sấy mẫu
7
Mỏy đo độ đục

SO
4

Pha nước mưa, xỏc định hàm lượng sunfat
5
MgCl
2
.6H
2
O
Pha nước mưa
6
(NH
4
)
2
SO
4

Pha nước mưa
7
CaCl
2
.2H
2
O
Pha nước mưa, xỏc định hàm lượng sunfat
8
NaHCO
3

H
3
AsO
4

Xỏc định khả năng hấp phụ của Fe(OH)
3

13
CdSO
4
.2H
2
O
Xỏc định khả năng hấp phụ của Fe(OH)
3

14
ZnSO
4

Xỏc định khả năng hấp phụ của Fe(OH)
3

15
CH
3
COOH
Pha dung dịch đệm xỏc định hàm lượng sunfat
16

1
2
3
4
5
6
A
B
C
Ghi chú
1. Cột chứa cát trộn quặng
pyrit sẳt

Na
+

Cl
-

HCO
3
-
NO
3
-

SO
4
2-

NH
4
+

Nồng độ (mg/L)
5,6
2,7
4,1
4,4
9,2
18,3
4,44
3,29

của chỳng.
Khảo sỏt ảnh hưởng nồng độ sắt(II) đến khả năng cố định một số kim loại nặng Zn, Cu,
Pb, As, Cd, Mn
3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ ion sắt(II) đến khả năng cố định một số kim loại
nặng Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn
Cỏc điều kiện nghiờn cứu như sau:
- Nồng độ Fe(II) ban đầu: 10, 15, 20 và 25 mg/L,
- Nồng độ Cu, Zn và Pb là 10 mg/L,
- Nồng độ Cd, As là 1 mg/L và nồng độ Mn là 4 mg/L.
Kết quả khảo sỏt ảnh hưởng nồng độ Fe(II) đến khả năng tỏch loại một số kim loại nặng
được thể hiện trờn bảng 4 và hỡnh 2.
Bảng 4. Kết quả khảo sỏt ảnh hưởng nồng độ Fe(II) đến khả năng cố định cỏc kim loại Zn,
Cu, Pb, As, Cd, Mn.
[Fe
2+
] ban
đầu
(ppm)
% Zn(II)
được cố
định
% Cu(II)
được cố
định
% Pb(II)
được cố
định
% As(V)
được cố
định

88,94
99,8
99,73
98,7
65,73
60,3

Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ Fe(II) đến hiệu suất tỏch loại ion của cỏc kim loại Zn, Cu, Pb,
As, Cd, Mn
3.1.3. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng kết tủa hydroxit Fe(III) và cộng
kết một số kim loại nặng
Nghiờn cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ và cộng kết cỏc ion Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn lờn
hydroxit Fe(III) được tiến hành trong điều kiện:
- Nồng độ ion sắt(II) là 20 mg/L,
- Nồng độ Cu, Zn và Pb là 10 mg/L,
- Nồng độ Cd, As là 1 mg/L và nồng độ Mn là 4 mg/L,
Điều chỉnh pH ở cỏc mức 3,0; 4,0; 5,5 và 7,0 bằng axit HNO
3
, kết quả thu được thể hiện trờn
bảng 5 và hỡnh 3.
Bảng 5. Kết quả khảo sỏt ảnh hưởng của pH đến khả năng cố định Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn.
pH
Nồng
%Zn(II)
%Cu(II)
%Pb(II)
%As(V)
%Cd(II)
%Mn(II)
0

định
được cố
định
3,0
11,19
6,420
19,64
38,30
34,15
11,84
5,62
4,0
8,73
28,94
40,58
58,63
45,30
35,74
15,8
5,5
0,325
85,87
99,5
99,69
97,80
63,58
60,1
7,0
0,12
97,42

40
60
80
100
120
Nồng độ Fe(II)
Fe
Zn
Cu
Pb
As
Cd
MnBảng 6. Sự biến thiờn pH và nồng độ cỏc KLN trong điều kiện ngập nước
Ngày
Fe
ppm
Cu
ppm
Zn
ppm
Pb
ppm
As
ppb
Cd
ppb
pH pha

10
35,67
32,18
16,91
2,98
8,96
140.20
6,1
4,7
12
24,37
13,04
9,26
1,50
8,74
64.90
6,1
4,7
14
19,35
9,87
6,34
1,23
7,65
40.50
6,0
4,8
16
19,21
3,43

20.10
5,8
5,3
26
17,53
0,42
2,57
0,57
5,03
18.20
5,7
5,4
28
17,47
0,32
2,56
0,56
4,99
18.10
5,7
5,5
30
17,22
0,22
2,16
0,56
3,09
17.50
5,6
5,6

4
2-
cũng biến đổi theo
thời gian. Kết quả được biểu thị trờn bảng 7 và hỡnh 5.

Bảng 7. Biến thiờn nồng độ của SO
4
2-Ngày
pH
SO
4
2-
mg/l
2
4,8
175,4
6
4,5
195,6
8
4,6
193,5
10
4,7
162,3
12
4,7

điều kiện ngập nƣớc
3.2.3.1. Kết quả nghiờn cứu ảnh hưởng của pH đến sự giải phúng KLN trong điều kiện ngập
nước
Bảng 8. Ảnh hưởng của pH đến quỏ trỡnh giải phúng kim loại từ quặng trong điều kiện
ngập nước
pH
Cr
ppb
Mn
ppb
Fe
mg/l
Co
ppb
Ni
mg/l
Cu
mg/l
Zn
mg/l
As
ppb
Cd
ppb
Pb
mg/l
6,5
72,22
KPH
0,32

84,89
138,9
8,41
33,45
1,789
71,608
11,010
54,63
569,79
8,77
2,0
98,77
260,4
15,8
50,14
2,012
91,671
15,561
103,4
614,56
12,66
0
50
100
150
200
250
2 6 8 10 12 14 16 20 22 24 26 28 30
Ngày
pH, nồng độ sulfat (mg/l)

100
200
300
400
500
600
700
2 3 4 5 6.5
pH
Nồng độ Cr, Mn, Co, As, Cd (ppb)
Cr
Mn
Co
As
CdHỡnh 6b. Ảnh hưởng của pH đến quỏ trỡnh giải phúng Cr, Mn, Co, As, Cd.
3.2.3.1. Kết quả nghiờn cứu ảnh hưởng của ion photphat đến quỏ trỡnh giải phúng KLN
trong điều kiện ngập nước
Để nghiờn cứu ảnh hưởng của ion photphat đến khả năng giải phúng kim loại từ quặng pyrit,
photphat được cho vào pha nước với nồng độ tương ứng cho mỗi lần thực hiện thớ nghiệm là 5
mg/l, 10 mg/l, 15 mg/l, 20 mg/l, 25 mg/l. Thớ nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 27±1
0
C, pH
7±0,1. Quỏ trỡnh được tiến hành như mục 3.1.4. Kết quả được thể hiện trờn bảng 9, hỡnh 7a và
7b.
Bảng 9. Ảnh hưởng của ion photphat đến khả năng giải phúng kim loại từ quặng
Photphat
mg/l

0,56
10
85,6
56,78
2,13
5,32
0,879
3,457
1,265
31,89
13,65
0,46
15
81,8
39,93
1,73
2,62
0,825
1,433
0,782
47,02
8,65
0,36
20
75,2
26,92
0,85
2,23
0,795
1,129

4
5
6
7
5 10 15 20 25
Nồng độ photphat
Nồng độ Fe, Ni, Cu, Zn, Pb (mg/l)
Fe
Ni
Cu
Zn
Pb
0
20
40
60
80
100
120
5 10 15 20 25
Nồng độ photphat
Nồng độ Cr, Mn, Co, As, Cd (ppb)
Cr
Mn
Co
As
Cd3.3. Kết quả nghiên cứu giải phóng KLN trong điều kiện xung có tích lũy
Hình 8b. Biến thiên nồng độ của các kim loại Mn, Co, Ni, As, Cd, Cr trong điều kiện
xung3.3.2. Sự biến thiên nồng độ ion sunfat trong điều kiện xung
Cựng với sự biến đổi nồng độ cỏc kim loại, thỡ nồng độ của anion SO
4
2-
cũng biến đổi
theo thời gian. Kết quả được biểu thị trờn bảng 11 và hỡnh 9.
Bảng 11. Biến thiờn nồng độ ion sunfat trong điều kiện xung
Ngày
pH
SO
4
2-
(mg/l)
1
5,3
312
2
5,1
325
3
4,8
338
4
4,7
345
5
4,5

389
10
3,8
389
11
3,7
399
12
3,6
486,75
14
3,3
533
15
3,5
466,25
16
3,3
553,5
17
3,2
630,75
18
3,1
923,75
19
3,0
1024
21
1,9

2

8

10
12
14
16
22
Điều kiện
Ngập nước
0,917
44,99
32,18
13,04
9,87
3,43
1,05
Xung
4,23
25,81
26,17
32,07
65,74
70,28
136,55
* Sắt
Ngày
2
8

14
16
22
Điều kiện
Ngập nước
0,645
21,68
16,91
9,267
6,34
4,12
3,448
Xung
2,43
10,15
10,5
12,15
21,28
21,16
48,53
* Chỡ
Ngày
2
8

10
12
14
16
22

Ngập nước
76,95
435,07
411,27
356,49
312.,6
209,13
169,7
Xung
92,9
175,1
191,2
204
318,3
298,9
614,3
* Coban
Ngày
2
8

10
12
14
16
22
Điều kiện
Ngập nước
3,54
83,16

36,78
15,67
Xung
39,65
50,25
89,50
124,64
112,14
156,89
344,74
* Asen
Ngày
2

8

10
12
14
16
22
Điều kiện
Ngập nước
10,71
9,11
8,96
8,74
7,65
7,5
6,12