Luận văn thạc sĩ ảnh hưởng của silic hòa tan đến đặc tính keo của oxit sắt trong nước thải mỏ khai thác pyrite

Nghiên cứu ảnh hưởng của silic hòa tan đến đặc tính keo của oxit sắt trong nước thải mỏ khai thác pyrite, cung cấp thông tin hữu ích cho quản lý môi trường.

• Tác giả: Hoàng Thị Nhung
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Ngọc Minh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Ảnh Hưởng Silic Hòa Tan Đến Đặc Tính Keo Của Oxit Sắt Trong Nước Thải Mỏ Khai Thác Pyrite
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 0.1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 0.2. Pyrite và nước thải mỏ
• 0.3. Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành nước thải mỏ
• 0.4. Tác động của nước thải mỏ tới môi trường
• 0.5. Biện pháp xử lý nước thải mỏ
• 0.6. Đặc tính keo của các khoáng vật Fe dưới ảnh hưởng của silic hòa tan
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Pyrite và nước thải mỏ khai thác pyrite
• 1.2. Các loại khoáng vật có liên quan đến sự hình thành của nước thải mỏ
• 1.3. Các khoáng vật thứ sinh chính trong đới oxy hóa sulfite
• 1.4. Phản ứng oxy hóa pyrite và sự hình thành nước thải mỏ
• 1.5. Nguồn và đặc điểm nước thải mỏ
• 1.6. Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành nước thải mỏ
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Thành phần và đặc tính của nước thải mỏ Minh Quang
• 3.2. Ảnh hưởng của Si hòa tan đến đặc tính keo của oxit sắt trong dung dịch nước thải mỏ Minh Quang
• 3.3. Mức độ Fe bị oxi hóa và Si bị hấp phụ dưới ảnh hưởng của sự thay đổi pH
• 3.4. Điện tích bề mặt và tính chất keo dưới ảnh hưởng của sự thay đổi pH
• 3.5. Điện tích bề mặt và tính chất keo dưới sự tác động của cường độ ion
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1 – Kết quả thực nghiệm
• Phụ lục 2 – Một số máy được sử dụng

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của silic hòa tan đến keo oxit sắt

Silic hòa tan là một yếu tố quan trọng trong môi trường nước thải, đặc biệt là trong nước thải mỏ khai thác pyrite. Nghiên cứu cho thấy silic hòa tan có thể ảnh hưởng đến tính chất keo của oxit sắt, từ đó tác động đến khả năng xử lý nước thải. Việc hiểu rõ mối quan hệ này là cần thiết để phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả hơn.

1.1. Silic hòa tan và vai trò của nó trong nước thải

Silic hòa tan có mặt trong nhiều nguồn nước, đặc biệt là trong nước thải mỏ. Nó có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và ổn định của các hạt keo oxit sắt, từ đó tác động đến chất lượng nước thải.

1.2. Đặc tính keo của oxit sắt trong môi trường nước thải

Oxit sắt có tính chất keo đặc biệt, ảnh hưởng đến khả năng lắng đọng và kết tủa trong nước thải. Sự tương tác giữa silic hòa tan và oxit sắt có thể làm thay đổi các đặc tính này, dẫn đến những thay đổi trong quá trình xử lý nước thải.

II. Vấn đề và thách thức trong xử lý nước thải mỏ

Nước thải mỏ chứa nhiều kim loại nặng và axit, gây ra ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường. Việc xử lý nước thải này gặp nhiều khó khăn do tính chất hóa học phức tạp của nó. Silic hòa tan có thể làm tăng độ ổn định của các hạt keo, gây khó khăn trong việc lắng đọng.

2.1. Tác động của nước thải mỏ đến môi trường

Nước thải mỏ không chỉ gây ô nhiễm nước mà còn ảnh hưởng đến đất và không khí. Các kim loại nặng trong nước thải có thể tích tụ trong chuỗi thức ăn, gây hại cho sức khỏe con người và động vật.

2.2. Thách thức trong việc xử lý nước thải

Các phương pháp xử lý hiện tại thường không hiệu quả do tính axit cao và sự hiện diện của silic hòa tan. Cần có các giải pháp mới để cải thiện hiệu quả xử lý nước thải mỏ.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của silic hòa tan

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp phân tích hóa học và thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của silic hòa tan đến tính chất keo của oxit sắt. Các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện kiểm soát để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.

3.1. Thiết kế thí nghiệm và phương pháp phân tích

Thí nghiệm được thiết kế để kiểm tra ảnh hưởng của nồng độ silic hòa tan và pH đến tính chất keo của oxit sắt. Các phương pháp phân tích như đo điện tích bề mặt và độ truyền qua được sử dụng để thu thập dữ liệu.

3.2. Kết quả và phân tích dữ liệu

Kết quả cho thấy rằng nồng độ silic hòa tan có ảnh hưởng đáng kể đến điện tích bề mặt và tính chất keo của oxit sắt. Sự thay đổi pH cũng có tác động lớn đến quá trình này.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh nồng độ silic hòa tan có thể cải thiện hiệu quả xử lý nước thải mỏ. Các kết quả này có thể được áp dụng trong thực tiễn để phát triển các phương pháp xử lý nước thải hiệu quả hơn.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải mỏ

Các phương pháp xử lý mới có thể được phát triển dựa trên các phát hiện từ nghiên cứu này, giúp giảm thiểu ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước.

4.2. Kết quả nghiên cứu và tác động đến chính sách

Kết quả nghiên cứu có thể cung cấp cơ sở cho các chính sách bảo vệ môi trường và quản lý nước thải, từ đó góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về ảnh hưởng của silic hòa tan đến keo oxit sắt trong nước thải mỏ là một lĩnh vực quan trọng cần được tiếp tục khai thác. Các kết quả đạt được sẽ mở ra hướng đi mới cho việc xử lý nước thải hiệu quả hơn.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã xác định được mối quan hệ giữa silic hòa tan và tính chất keo của oxit sắt, từ đó đề xuất các phương pháp xử lý nước thải hiệu quả hơn.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải, đặc biệt là vai trò của silic hòa tan trong các điều kiện khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nước thải mỏ khai thác pyrite là một trong những nguồn ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt tại các khu vực khai thác mỏ bỏ hoang như mỏ pyrite Minh Quang, Ba Vì, Hà Nội. Nước thải tại đây có pH rất thấp, dao động khoảng 2 – 3, chứa hàm lượng sắt hòa tan cao (73,75 mg L-1) cùng nhiều kim loại và ion khác như Ca (343,8 mg L-1), Mg (136,4 mg L-1), Si (87,78 mg L-1) và As (0,048 mg L-1). Tính axit mạnh của nước thải gây ra bởi quá trình oxy hóa pyrite và sự bổ sung axit sulfuric trong khai thác đã làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nước, đất và hệ sinh thái xung quanh.

Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của silic hòa tan đến đặc tính keo của oxit sắt trong nước thải mỏ, nhằm tìm ra khoảng pH tối ưu cho sự kết tủa và keo tụ oxit sắt khi có mặt silic hòa tan. Qua đó, đề xuất các giải pháp xử lý nước thải mỏ hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành khai thác khoáng sản. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu nước thải thực tế tại mỏ Minh Quang và dung dịch mô phỏng trong phòng thí nghiệm, với các chỉ số đo lường như điện tích bề mặt, độ truyền qua và khả năng hấp phụ silic. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển kỹ thuật xử lý nước thải mỏ giàu oxit sắt, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các biện pháp quản lý môi trường tại các khu vực khai thác mỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về quá trình oxy hóa pyrite và sự hình thành nước thải mỏ axit, trong đó phản ứng oxy hóa Fe (II) thành Fe (III) và sự kết tủa oxit sắt đóng vai trò trung tâm. Các khái niệm chính bao gồm:

• Điện tích bề mặt oxit sắt: Phụ thuộc vào pH và ảnh hưởng đến tính chất keo tụ, ổn định huyền phù của oxit sắt.
• Điểm đẳng điện (pHiep): Giá trị pH tại đó điện tích bề mặt oxit sắt bằng 0, ảnh hưởng đến sự hấp phụ ion và keo tụ.
• Ảnh hưởng của silic hòa tan: Silic tồn tại chủ yếu dưới dạng axit silicic (H4SiO4) trong dung dịch, có thể hấp phụ lên bề mặt oxit sắt, làm thay đổi điện tích bề mặt và đặc tính keo.
• Động học oxy hóa Fe (II): Quá trình oxy hóa Fe (II) không đồng nhất được xúc tác bởi oxit Fe (III), ảnh hưởng bởi nồng độ silic và pH.

Các lý thuyết này giúp giải thích cơ chế tương tác giữa silic hòa tan và oxit sắt trong nước thải mỏ, từ đó đánh giá ảnh hưởng đến quá trình kết tủa và keo tụ oxit sắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mẫu nước thải thực tế thu tại mỏ pyrite Minh Quang và dung dịch mô phỏng từ muối FeSO4.7H2O để tái tạo thành phần nước thải giàu Fe và pH thấp trong phòng thí nghiệm. Các phương pháp chính bao gồm:

• Phân tích thành phần hóa học: Sử dụng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và phổ khối plasma (ICP-MS) để xác định hàm lượng Fe, Si, Ca, Mg, Al, K, P, As trong mẫu nước thải.
• Đo điện tích bề mặt: Phương pháp chuẩn độ điện phân trên máy PCD 05, xác định điện tích bề mặt của dung dịch huyền phù oxit sắt dưới các điều kiện pH và nồng độ silic khác nhau.
• Đo độ truyền qua (T%): Sử dụng máy quang phổ UV-VIS ở bước sóng 380 nm để đánh giá mức độ keo tụ và phân tán của oxit sắt trong dung dịch.
• Xác định mức độ oxy hóa Fe và hấp phụ silic: Đo nồng độ Fe và Si còn lại trong dung dịch sau phản ứng bằng AAS và ICP-MS, tính phần trăm Fe bị oxy hóa và silic bị hấp phụ.
• Phân tích pha rắn: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ tia X (XRD) và phổ hồng ngoại (FTIR) để xác định cấu trúc, thành phần và đặc điểm bề mặt của oxit sắt kết tủa.
• Chuẩn bị dung dịch mô phỏng: Dung dịch Fe (1 mg mL-1) và axit silicic với nồng độ từ 0 đến 1,5 mM được điều chỉnh pH từ 4 đến 11, cường độ ion 0,05 M, tiến hành thí nghiệm oxy hóa và keo tụ.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian ổn định, với các phép đo lặp lại ít nhất 3 lần để đảm bảo độ tin cậy và chính xác của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần nước thải mỏ Minh Quang: Nước thải có pH rất thấp (~2), hàm lượng Fe hòa tan 73,75 mg L-1 vượt 34 lần giới hạn cho phép, Ca (343,8 mg L-1) và Mg (136,4 mg L-1) cũng cao, trong khi Si hòa tan đạt 87,78 mg L-1. Hàm lượng As vượt gần ngưỡng cho phép (0,048 mg L-1).
2. Ảnh hưởng của silic hòa tan đến đặc tính keo oxit sắt trong nước thải: Ở pH ~10, khi thêm 1,5 mM axit silicic, độ truyền qua dung dịch giảm từ 73,2% xuống còn 53,7%, cho thấy silic làm tăng keo tụ oxit sắt. Phần trăm Fe bị oxy hóa giảm từ 89,88% (không có silic) xuống 79,15% (có 1,5 mM silic) tại pH ~3,5.
3. Điện tích bề mặt: Ở pH < 10, điện tích bề mặt dung dịch giảm khi thêm axit silicic, làm tăng sự ổn định keo và ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Ở pH > 10, sự ảnh hưởng của silic không rõ rệt do sự kết tủa hoàn toàn của hydroxit kim loại.
4. Mức độ hấp phụ silic và oxy hóa Fe trong dung dịch mô phỏng: Lượng silic hấp phụ tăng mạnh từ pH 4 đến 10, đạt tối đa khoảng 10,59 mmol g-1 ở 1,5 mM silic và pH 9. Quá trình oxy hóa Fe bị giảm khi có silic, đặc biệt trong khoảng pH 5 – 9, với sự dịch chuyển điểm oxy hóa Fe lên pH cao hơn do hấp phụ silic lên oxit sắt mới hình thành.
5. Phân tích pha rắn: Mẫu oxit sắt kết tủa có chứa silic với tỷ lệ Si/Fe khoảng 0,13, cấu trúc và thành phần được xác định qua SEM, XRD và FTIR cho thấy sự hình thành các phức hợp bề mặt giữa silic và oxit sắt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy silic hòa tan có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh đặc tính keo của oxit sắt trong nước thải mỏ. Sự hấp phụ silic làm giảm điện tích bề mặt oxit sắt, làm tăng tính ổn định keo và ảnh hưởng đến quá trình kết tủa, keo tụ. Điều này giải thích tại sao ở pH cao, độ truyền qua giảm khi có silic, do keo tụ mạnh hơn. Đồng thời, sự giảm tỷ lệ oxy hóa Fe khi có silic cho thấy silic có thể ức chế quá trình oxy hóa Fe (II), làm thay đổi động học oxy hóa và cấu trúc oxit sắt kết tủa.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của các anion như SO42-, PO43- và silic đến sự hấp phụ và keo tụ oxit sắt. Việc xác định khoảng pH tối ưu (khoảng 7 – 9) cho sự hấp phụ silic và keo tụ oxit sắt có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế các phương pháp xử lý nước thải mỏ. Các biểu đồ điện tích bề mặt, độ truyền qua và tỷ lệ oxy hóa Fe minh họa rõ mối quan hệ phức tạp giữa pH, nồng độ silic và đặc tính keo của oxit sắt, cung cấp cơ sở khoa học cho việc điều chỉnh điều kiện xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng điều chỉnh pH trong xử lý nước thải mỏ: Tăng pH lên khoảng 7 – 9 để tối ưu hóa quá trình kết tủa và keo tụ oxit sắt, đồng thời tận dụng tác động của silic hòa tan để tăng hiệu quả xử lý. Thời gian thực hiện: ngắn hạn (1 – 3 tháng), chủ thể: các nhà máy xử lý nước thải mỏ.
2. Sử dụng silic hòa tan hoặc các nguồn silic tự nhiên làm chất trợ keo: Bổ sung silic ở nồng độ khoảng 1 – 1,5 mM trong quá trình xử lý để tăng cường keo tụ oxit sắt, giảm lượng Fe hòa tan trong nước thải. Thời gian thực hiện: trung hạn (3 – 6 tháng), chủ thể: đơn vị quản lý môi trường mỏ.
3. Phát triển công nghệ thu hồi oxit sắt giàu silic: Khai thác oxit sắt kết tủa có chứa silic làm nguyên liệu cho các ứng dụng công nghiệp như chất xúc tác, sắc tố, vật liệu nano, góp phần giảm chi phí xử lý và tăng giá trị kinh tế. Thời gian thực hiện: dài hạn (6 – 12 tháng), chủ thể: các doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản.
4. Giám sát và kiểm soát thành phần nước thải mỏ: Thiết lập hệ thống quan trắc liên tục các chỉ số pH, Fe, Si và các kim loại nặng để điều chỉnh kịp thời quy trình xử lý, đảm bảo nước thải đạt tiêu chuẩn trước khi thải ra môi trường. Thời gian thực hiện: liên tục, chủ thể: cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp khai thác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu khoa học môi trường: Nghiên cứu cơ chế tương tác giữa silic và oxit sắt trong nước thải mỏ, phát triển các mô hình xử lý nước thải hiệu quả.
2. Doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến công nghệ xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm và tăng hiệu quả kinh tế từ việc thu hồi tài nguyên.
3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Xây dựng các quy chuẩn, hướng dẫn kỹ thuật xử lý nước thải mỏ dựa trên đặc tính keo của oxit sắt và ảnh hưởng của silic hòa tan.
4. Sinh viên và học viên cao học ngành Khoa học môi trường, Hóa học: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật phân tích và ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải mỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao pH lại quan trọng trong quá trình xử lý nước thải mỏ?
   pH ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình oxy hóa Fe (II), sự kết tủa oxit sắt và đặc tính keo của các hạt kết tủa. Khoảng pH 7 – 9 được xác định là tối ưu để keo tụ oxit sắt hiệu quả, giảm Fe hòa tan trong nước thải.

2. Silic hòa tan ảnh hưởng như thế nào đến oxit sắt trong nước thải mỏ?
   Silic hòa tan hấp phụ lên bề mặt oxit sắt, làm giảm điện tích bề mặt, tăng tính ổn định keo và ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa Fe, từ đó điều chỉnh sự kết tủa và keo tụ oxit sắt.

3. Làm thế nào để đo điện tích bề mặt của oxit sắt trong dung dịch?
   Điện tích bề mặt được xác định bằng phương pháp chuẩn độ điện phân sử dụng máy PCD 05, đo lượng polyelectrolyte cần thiết để trung hòa điện tích bề mặt của dung dịch huyền phù oxit sắt.

4. Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào xử lý nước thải mỏ thực tế không?
   Có, nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để điều chỉnh pH và bổ sung silic nhằm tăng hiệu quả keo tụ oxit sắt, từ đó cải thiện công nghệ xử lý nước thải mỏ tại các khu vực khai thác.

5. Ngoài oxit sắt, còn có những kim loại nào cần quan tâm trong nước thải mỏ?
   Ngoài Fe, các kim loại như As, Ca, Mg, Al cũng có mặt với hàm lượng đáng kể và có thể gây ô nhiễm môi trường, do đó cần được giám sát và xử lý đồng thời trong quy trình xử lý nước thải.

Kết luận

• Nước thải mỏ Minh Quang có pH rất thấp (~2) và hàm lượng Fe hòa tan vượt giới hạn cho phép, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
• Silic hòa tan ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính keo của oxit sắt, làm giảm điện tích bề mặt và tăng keo tụ ở khoảng pH 7 – 9.
• Quá trình oxy hóa Fe (II) bị ức chế khi có silic, làm thay đổi động học oxy hóa và cấu trúc oxit sắt kết tủa.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các kỹ thuật xử lý nước thải mỏ hiệu quả, thân thiện môi trường và kinh tế.
• Đề xuất các giải pháp điều chỉnh pH, bổ sung silic và thu hồi oxit sắt giàu silic nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và tái sử dụng tài nguyên.

Tiếp theo, các đơn vị khai thác và xử lý nước thải mỏ nên triển khai thử nghiệm quy mô thực tế dựa trên các điều kiện nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình xử lý, đồng thời tăng cường giám sát môi trường nhằm bảo vệ tài nguyên nước và hệ sinh thái xung quanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Việt Nam là đất nước có tiềm năng khoáng sản khá phong phú, đa dạng với các hoạt động khai thác khoáng sản kim loại diễn ra mạnh mẽ và mang lại nguồn thu lớn cho các doanh nghiệp. Tuy nhiên, hoạt động bảo vệ và phục hồi môi trường vẫn chưa được chú trọng đã làm cho môi trường xung quanh bị ảnh hưởng trầm trọng. Ngay cạnh vườn Quốc Gia a Vì, mỏ pyrite Minh Quang đã bỏ hoang gần chục năm, đất đá, quặng thải vẫn nằm phơi trên mặt địa hình. Dòng nước thải ở đây có pH rất thấp (khoảng 2 – 3), có màu đỏ như máu do giàu sắt và axit sulfuric.

Nước thải mỏ theo dòng suối đổ ra sông và ngấm vào nước ngầm. Hiện nay, nguồn nước sạch, đảm bảo chất lượng cho mục đích sinh hoạt và sản xuất của các hộ dân cũng như du lịch sinh thái vườn Quốc Gia Ba Vì đang là vấn đề cấp thiết cần được giải quyết. Đã có nhiều phương pháp được dùng để xử lý axit của nước thải giàu oxit sắt. Một số nơi đã tiến hành áp dụng các biện pháp xử lý sinh học, hóa học khác nhau, tuy nhiên, hiệu quả xử lý không cao, mặt khác chi phí thường rất tốn kém.

Trong điều kiện khai thác, chế biến kim loại ở Việt Nam, việc sử dụng các khoáng vật tự nhiên và polyme trong xử lý nước thải mỏ hầu như chưa được đưa vào nghiên cứu, ứng dụng nhiều. Vì vậy, việc tìm ra nguyên lý phương pháp xử lý nước thải phù hợp để ứng dụng cho các cơ sở khai thác là rất cấp thiết. Với những lý do kể trên, đề tài “Ảnh hưởng của silic hòa tan đến đặc tính keo của oxit sắt trong nước thải mỏ khai thác pyrite” đã được thực hiện với các mục tiêu cụ thể như sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng của silic hòa tan đến sự kết tủa và keo tụ oxit sắt thông qua: xác định điện tích bề mặt, độ truyền qua, khả năng hấp phụ là các tham số quan trọng nhất được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của silic hòa tan lên tính chất tích điện và tương quan với sự ổn định keo của oxit sắt. - Tìm ra khoảng pH tối ưu cho sự kết tủa và keo tụ oxit sắt khi có mặt của silic hòa tan với nồng độ phù hợp nhằm giúp phát triển các kỹ thuật hiệu quả để xử lý nước thải mỏ Minh Quang giàu oxit sắt.

1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nghiên cứu được tiến hành trên cả mẫu nước thải mỏ được thu tại mỏ pyrite Minh Quang và dung dịch mô phỏng thành phần của nước thải mỏ được điều chế trong phòng thí nghiệm từ muối FeSO4.7H2O được sử dụng thay thế cho nước thải từ hoạt động khai thác pyrite. Những phát hiện từ nghiên cứu này về đặc tính keo của oxit Fe khi có mặt silic hòa tan trong môi trường có thể giúp phát triển các kỹ thuật hiệu quả để xử lý nước thải mỏ giàu oxit Fe. 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.

Pyrite và nƣớc thải mỏ khai thác pyrite Pyrite (FeS2) là một trong những khoáng vật sulfite thường gặp điển hình trong quặng và đá, kết tinh dạng hạt “bán tự hình”, cũng có chỗ hạt kết tinh “khá tự hình”. Rìa hạt pyrite đôi khi được bao bởi pyrotin. Đa phần hạt bị rạn nứt, bị cà nát thành mảnh rời rạc. Hầu hết các khe nứt vỡ của pyrite được lấp đầy bởi các oxyhydroxit sắt (Nguyễn Thị Liên, 2013).

Việt Nam có một nguồn pyrite dồi dào do quá trình phong hóa diễn ra mạnh mẽ. Tại đây, các hoạt động khai thác mỏ đã làm cho pyrite tiếp xúc với không khí, nước và bị oxy hóa. Quá trình này diễn ra dễ dàng và nhanh hơn khi các khoáng vật sulfite được đưa lên bề mặt thông qua các hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản. Một trong những sản phẩm của quá trình oxy hóa các khoáng vật sulfite là axit sulfuric.

Tuy nhiên, tùy theo thành phần khoáng vật của quặng và đá, axit sulfuric được tạo thành có thể bị trung hòa hoàn toàn hoặc một phần hoặc không bị trung hòa. Như vậy, môi trường nước ở khu vực khai thác và chế biến quặng có thể có tính chất từ trung tính đến axit (có pH thấp). Đây chính là một trong những nguyên nhân của việc xuất hiện các kim loại nặng hòa tan trong các dòng thải mỏ khai thác pyrite nói riêng và môi trường nước nói chung ở các khu vực này. Nước thải mỏ là dung dịch nước chứa kim loại, có tính axit được thải ra từ các mỏ kim loại và than đá.

Quá trình hình thành nước thải mỏ liên quan đến quá trình oxy hóa các khoáng sulfite, đặc biệt là pyrite (FeS2). Khoáng sản sulfua kim loại ngoài pyrite còn có thể là các nguồn khoáng có tiềm năng kinh tế chưa được khai thác và các khoáng vật này bị oxy hóa có thể tạo ra axit và SO42-. Quá trình oxy hóa và thủy phân khoáng sulfua kim loại như pyrrhotite (Fe1-xS), chalcopyrite (CuFeS2), sphalerite ((Zn, Fe)S) và giải phóng các kim loại khác như kẽm, chì, niken và đồng vào dung dịch. Quá trình khai thác lộ thiên quặng đá trong điều kiện khí quyển có độ ẩm, oxy và vi khuẩn làm thúc đẩy quá trình oxy hóa các khoáng vật sulfua.

Trong quá trình khai thác, hàng tấn vật liệu khoáng sản là chất thải, trong đó có chứa khoáng vật sulfite có diện tích bề mặt tiếp xúc cao. Quá trình oxy hóa pyrite xảy ra 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] theo các phản ứng khác nhau trong các điều kiện khác nhau. Trong đó, các phản ứng từ 1 đến 5 đại diện cho các quá trình chính và phổ biến cho quá trình oxy hóa pyrite. Sau đây là các phản ứng xảy ra trong quá trình hình thành nước thải mỏ axit: Phản ứng 1: Pyrite bị oxy hóa 7 FeS2 + O + H2O  2SO42- + Fe2+ + 2H+ (1) 2 2 Khả năng đệm của đá thải thường không đủ để trung hòa axit (Tutu và cộng sự, 2008).

Phản ứng 2: Fe (II) có thể tiếp tục bị oxy hóa thành Fe (III) 1 1 Fe2+ + O2 + H+  Fe3+ + H2O (2) 4 2 Phản ứng 3: Fe (III) sau đó có thể tiếp tục oxy hóa pyrite: FeS2(s) + 14Fe3+ +8H2O  15Fe2+ + 2SO42- + 16H+ (3) Phản ứng 4: Sự ổn định của Fe (III) phụ thuộc vào pH. Theo Tutu và cộng sự (2008), Fe (III) vẫn còn trong dung dịch ở pH thấp hơn 3,5 nhưng ở giá trị pH cao hơn Fe (III) kết tủa dạng Fe(OH)3 thông qua thủy phân. Fe3+ +3H2O  Fe(OH)3 + 3H+ (4) Tuy nhiên, phản ứng 4 chỉ là một phản ứng thủy phân và nhiều phản ứng khác có thể xảy ra tùy thuộc vào điều kiện. Mỗi phản ứng có hằng số cân bằng riêng, kết tủa của Fe(OH)3 trong điều kiện pH đệm giữa 2,5 và 3,5 (España và cộng sự, 2006).

Hiện tượng này có hai xu hướng đối lập, xu hướng đầu tiên là độ chua làm tăng tính linh động và độc tính của kim loại, xu hướng thứ hai là sự phân tán keo Fe(OH)3 dẫn đến làm tăng tính linh động cho cả hệ KLN – keo Fe(OH)3. Tutu và cộng sự (2008) cho rằng xu hướng thứ hai phổ biến hơn. Phản ứng 5: Mcgregor và cộng sự (1998) phát hiện ra rằng các kim loại như Ni, Co, Cu, Cd và Zn đồng kết tủa với goethite, (oxy) – hydroxit sắt. xFe3+ + (1-x)M2+ +2H2O  FexM(1-x)OOH(s) + H+ (5) Sự xuất hiện của nước thải mỏ có liên quan đến sự hiện diện của sulfite (S2- và S-) tiềm tàng trong các khoáng vật, trong quặng và phần khoáng dư sau quá trình khai thác tiếp xúc với oxy, nước và vi sinh vật.

Các thành phần chính, cần thiết cho sự 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] hình thành của nước thải mỏ là các khoáng vật sulfite dưới sự tác động của nước hoặc độ ẩm không khí và chất oxy hóa như oxy (O2). Sự có mặt của một số kim loại ở các nồng độ cụ thể sẽ phụ thuộc vào loại và lượng khoáng vật sulfite bị oxy hóa. Việc tạo ra nước có axit sulfuric là một quá trình xảy ra một cách tự nhiên, nhưng các hoạt động khai thác có thể làm cho quá trình này tăng lên đáng kể do sự gia tăng tiếp xúc của các sulfite với khí quyển. Quá trình phơi nhiễm tăng lên khi nghiền đá quặng thành các hạt mịn, một quá trình cần thiết cho việc khai thác các kim loại quý từ quặng.

Khi các khoáng vật này bị nghiền nát, các vị trí phản ứng như các cạnh và góc, các khe chứa chất rắn và chất lỏng, các khe hở và mảnh vỡ, được tạo ra và sau đó bị phơi nhiễm, và trên các vị trí phản ứng này, nơi quá trình oxy hóa tập trung nhiều nhất. Nguồn của nước thải mỏ không chỉ là do các bãi đá đã được xử lý, các bãi thải nổi và các kho dự trữ tập trung, mà các công trình khai thác hầm mỏ và khai thác lộ thiên cũng góp phần vào việc tạo ra nước thải mỏ. Bảng 1 cho biết tên và công thức của các khoáng vật hình thành nước thải mỏ (Gray, 1997). Pyrite được tìm thấy trong các mỏ than và cũng liên kết với nhiều quặng khác bao gồm các quặng Zn, Pb, As, U, Au và Ag.

Các loại khoáng vật có liên quan đến sự hình thành của nước thải mỏ Khoáng vật Công thức Khoáng vật Công thức Arsenopyrite FeS2·FeAs Millerite NiS Bornite CuFeS4 Molybdenite MoS2 Chalcocite Cu2S Pyrite FeS2 Chalcopyrite CuFeS2 Pyrrhhdite Fe11S12 Covellite CuFeS2 Spharerite ZnS Galena PbS (Nguồn: Gray, 1997) Các khoáng vật thứ sinh chính trong đới oxy hóa sulfite: Ngoài ra, các khoáng vật thứ sinh được hình thành từ nước thải mỏ bị chi phối bởi Fe vì đây là cation có nồng độ cao nhất trong hầu hết các nguồn nước thải mỏ. Nguyên nhân của sự kết tủa các khoáng vật thứ sinh này được giải thích do quá trình 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] bốc hơi, oxy hóa, pha loãng, pha trộn và trung hòa. Khoáng vật thứ sinh đóng một vai trò quan trọng trong việc tái chế kim loại và quyết định mức độ axit của nước mặt. Trong các khoáng vật này, các khoáng vật phổ biến nhất trong các mỏ khoáng sản gồm goethite (α-FeOOH), ferrihydrite, schwertmannite và jarosite.

Màu sắc của những khoáng vật này khác biệt từ màu vàng tới màu nâu đỏ. Ferrihydrite và schwertmannite là các khoáng vật tinh thể yếu trong khi jarosite có độ kết tinh cao. Goethite là một loại vật liệu tinh thể bền trong tự nhiên, có mặt trong nước thải mỏ dưới dạng các hạt mịn.