Luận án tiến sĩ nonequilibrium transport of heavy metals in soils and its influence on soil remediation

Nghiên cứu về vận chuyển không cân bằng của kim loại nặng trong đất và ảnh hưởng đến quá trình phục hồi đất. Tìm hiểu giải pháp hiệu quả.

• Đề tài: Vận Chuyển Không Cân Bằng Của Kim Loại Nặng Trong Đất Và Ảnh Hưởng Đến Phục Hồi Đất

Mục lục chi tiết

• TRANG ỦY QUYỀN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• DANH MỤC KÝ HIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Bối cảnh nghiên cứu
• 1.2. Phạm vi và mục tiêu nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Kim loại nặng và đất
• 2.1.1. Ô nhiễm kim loại nặng
• 2.2. Vận chuyển chất tan dưới bề mặt
• 2.2.1. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
• 2.2.2. Mô hình vận chuyển cân bằng
• 2.2.3. Mô hình vận chuyển không cân bằng
• 2.3. Hành vi vận chuyển kim loại nặng và xử lý cải tạo đất
• 2.3.1. Vận tốc nước lỗ rỗng và nhiệt độ
• 2.3.2. Hành vi vận chuyển của phức chất Kim loại - EDTA
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đặc tính của đất nghiên cứu
• 3.2. Thí nghiệm cột đất và hấp phụ theo mẻ
• 3.3. Quy trình chiết tuần tự
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC NƯỚC LỖ RỖNG VÀ NHIỆT ĐỘ
• 4.1. Hành vi vận chuyển ở các vận tốc nước lỗ rỗng khác nhau
• 4.2. Hệ số tốc độ hấp phụ và tỷ lệ hấp phụ tức thời ở các vận tốc nước lỗ rỗng khác nhau
• 4.3. Độ trễ vận chuyển ở các vận tốc nước lỗ rỗng khác nhau
• 4.4. Hành vi vận chuyển ở các nhiệt độ khác nhau
• 4.5. Hệ số tốc độ hấp phụ và tỷ lệ hấp phụ tức thời ở các nhiệt độ khác nhau
• 4.6. Độ trễ vận chuyển ở các nhiệt độ khác nhau
• 5. CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG CẠNH TRANH ĐẾN VẬN CHUYỂN KIM LOẠI NẶNG
• 5.1. Vận chuyển kim loại nặng cạnh tranh trong đất
• 5.2. Động học hấp phụ theo mẻ
• 5.3. Phân bố kim loại nặng trong đất
• 6. CHƯƠNG 6: ẢNH HƯỞNG CỦA HẤP PHỤ PHI TUYẾN VÀ GIỚI HẠN TỐC ĐỘ ĐẾN VẬN CHUYỂN KIM LOẠI NẶNG
• 6.1. Động học hấp phụ và đường đẳng nhiệt
• 6.2. Hành vi vận chuyển Cd trong đất
• 7. CHƯƠNG 7: HIỆU QUẢ VÀ TÁC ĐỘNG CỦA PHƯƠNG PHÁP RỬA GIẢI BẰNG EDTA
• 7.1. Phân bố đồng trong đất trước khi rửa giải bằng EDTA
• 7.2. Hiệu quả chiết xuất đồng
• 7.3. Sự hòa tan sắt, nhôm và canxi
• 7.4. Sự hòa tan chất hữu cơ trong đất
• 8. CHƯƠNG 8: VẬN CHUYỂN CỦA CÁC PHỨC CHẤT KIM LOẠI - EDTA
• 8.1. Hành vi vận chuyển phức kim loại - EDTA trong quá trình rửa giải
• 8.2. Mô phỏng vận chuyển của các phức chất Kim loại - EDTA
• 9. CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 9.1. Kết luận
• 9.2. Kiến nghị cho các nghiên cứu tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC A: MÔ HÌNH KHÔNG CÂN BẰNG HAI VÙNG (VẬT LÝ)
• PHỤ LỤC B: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA EDTA
• PHỤ LỤC C: MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT CHO VẬN CHUYỂN PHỨC KIM LOẠI - EDTA
• PHỤ LỤC D: KẾT QUẢ QUANG PHỔ SƠ BỘ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Vận Chuyển Kim Loại Nặng Trong Đất Giới Thiệu

Ô nhiễm kim loại nặng trong đất là một vấn đề môi trường toàn cầu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các kim loại nặng như chì, cadimi, asen, thủy ngân... có thể tồn tại lâu dài trong đất, gây ô nhiễm nguồn nước và xâm nhập vào chuỗi thức ăn. Việc hiểu rõ cơ chế vận chuyển kim loại nặng trong môi trường đất là yếu tố then chốt để phát triển các phương pháp phục hồi đất bị ô nhiễm kim loại nặng hiệu quả. Các phương pháp truyền thống như đào bỏ và chôn lấp không phải là giải pháp bền vững do chi phí cao và nguy cơ ô nhiễm thứ cấp. Do đó, các phương pháp xử lý tại chỗ (in-situ) đang được ưu tiên nghiên cứu và ứng dụng.

1.1. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu vận chuyển kim loại nặng

Nghiên cứu về sự di chuyển của kim loại nặng trong đất giúp dự đoán phạm vi ô nhiễm và đánh giá rủi ro đối với sức khỏe con người và môi trường. Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến vận chuyển kim loại nặng như pH, chất hữu cơ, khoáng sét... cho phép thiết kế các biện pháp kiểm soát và giảm thiểu ô nhiễm hiệu quả hơn. Các nghiên cứu này cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các chính sách và quy định về quản lý đất ô nhiễm kim loại nặng.

1.2. Các nguồn gốc gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất

Ô nhiễm kim loại nặng trong đất có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm hoạt động khai thác khoáng sản, luyện kim, sản xuất công nghiệp, sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu trong nông nghiệp, và xử lý chất thải. Các hoạt động này có thể thải ra một lượng lớn kim loại nặng vào môi trường, gây ô nhiễm đất, nước và không khí. Việc xác định nguồn gốc ô nhiễm là bước quan trọng để có thể áp dụng các biện pháp ngăn chặn và giảm thiểu ô nhiễm hiệu quả.

II. Thách Thức Vận Chuyển Không Cân Bằng Kim Loại Nặng Hậu Quả

Mô hình vận chuyển cân bằng truyền thống thường không thể mô tả chính xác sự di chuyển của các chất ô nhiễm trong đất, đặc biệt là kim loại nặng. Hiện tượng vận chuyển không cân bằng xảy ra do các phản ứng hấp phụ/giải hấp phụ diễn ra chậm, sự không đồng nhất của đất, và các yếu tố khác. Điều này dẫn đến việc dự đoán sai lệch về phạm vi và mức độ ô nhiễm, gây khó khăn cho việc lựa chọn và áp dụng các biện pháp phục hồi đất phù hợp. Theo Tsang (2006), các hệ thống phần lớn không thể giảm nồng độ chất gây ô nhiễm theo tiêu chuẩn sức khỏe trong thời gian dự kiến do hành vi không cân bằng.

2.1. Cơ chế vận chuyển không cân bằng của kim loại nặng

Cơ chế vận chuyển không cân bằng của kim loại nặng liên quan đến các quá trình hấp phụ/giải hấp phụ bị giới hạn bởi tốc độ, sự khuếch tán trong pha rắn, và sự không đồng nhất về mặt hóa học và vật lý của đất. Các yếu tố ảnh hưởng đến vận chuyển kim loại nặng bao gồm tốc độ dòng chảy của nước ngầm, nhiệt độ, pH, và sự hiện diện của các chất hữu cơ và khoáng sét. Việc hiểu rõ các cơ chế này là cần thiết để phát triển các mô hình vận chuyển chính xác hơn.

2.2. Ảnh hưởng của vận chuyển không cân bằng đến phục hồi đất

Vận chuyển không cân bằng có thể làm giảm hiệu quả của các phương pháp phục hồi đất bị ô nhiễm kim loại nặng. Ví dụ, trong quá trình rửa đất, các kim loại nặng có thể bị giữ lại trong các vùng khó tiếp cận, làm chậm quá trình loại bỏ ô nhiễm. Trong quá trình cố định hóa, các kim loại nặng có thể không được cố định hoàn toàn, dẫn đến nguy cơ tái ô nhiễm trong tương lai. Do đó, cần phải xem xét đến vận chuyển không cân bằng khi thiết kế các chiến lược phục hồi đất.

2.3. Đánh giá rủi ro ô nhiễm kim loại nặng do vận chuyển không cân bằng

Việc đánh giá rủi ro ô nhiễm kim loại nặng cần phải tính đến vận chuyển không cân bằng để có thể dự đoán chính xác hơn về mức độ phơi nhiễm của con người và môi trường. Các mô hình vận chuyển cân bằng có thể đánh giá thấp rủi ro ô nhiễm, đặc biệt là trong các trường hợp ô nhiễm kéo dài hoặc khi có sự thay đổi về điều kiện môi trường. Việc sử dụng các mô hình vận chuyển không cân bằng sẽ giúp đưa ra các quyết định quản lý rủi ro tốt hơn.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Vận Chuyển Kim Loại Nặng Trong Đất

Nghiên cứu vận chuyển kim loại nặng đòi hỏi sự kết hợp của các phương pháp thí nghiệm và mô hình hóa. Các thí nghiệm cột đất (column experiments) được sử dụng để mô phỏng quá trình vận chuyển trong điều kiện kiểm soát. Các thí nghiệm động học hấp phụ (sorption kinetics) và đẳng nhiệt hấp phụ (sorption isotherms) cung cấp thông tin về tốc độ và khả năng hấp phụ của kim loại nặng vào đất. Các mô hình vận chuyển được sử dụng để mô tả và dự đoán sự di chuyển của kim loại nặng trong đất, dựa trên các thông số thu được từ thí nghiệm.

3.1. Thí nghiệm cột đất Column Experiments để mô phỏng vận chuyển

Thí nghiệm cột đất là một phương pháp quan trọng để nghiên cứu vận chuyển kim loại nặng trong điều kiện gần với thực tế. Trong thí nghiệm này, đất được đóng gói vào một cột, và dung dịch chứa kim loại nặng được bơm qua cột. Nồng độ của kim loại nặng trong dung dịch đầu ra được đo theo thời gian để xây dựng đường cong đột phá (breakthrough curve), cung cấp thông tin về tốc độ vận chuyển và khả năng giữ lại kim loại nặng của đất.

3.2. Động học hấp phụ Sorption Kinetics và đẳng nhiệt hấp phụ Sorption Isotherms

Động học hấp phụ nghiên cứu tốc độ hấp phụ của kim loại nặng vào đất theo thời gian. Đẳng nhiệt hấp phụ nghiên cứu mối quan hệ giữa nồng độ kim loại nặng trong pha lỏng và pha rắn ở trạng thái cân bằng. Các thông tin này rất quan trọng để hiểu rõ cơ chế hấp phụ và để xây dựng các mô hình vận chuyển chính xác. Các thí nghiệm này thường được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với các loại đất và kim loại nặng khác nhau.

3.3. Mô hình hóa vận chuyển kim loại nặng trong đất

Mô hình hóa vận chuyển kim loại nặng là một công cụ hữu ích để dự đoán sự di chuyển của kim loại nặng trong đất và để đánh giá hiệu quả của các biện pháp phục hồi đất. Các mô hình này có thể dựa trên các phương trình toán học mô tả các quá trình vận chuyển, hấp phụ, và phân hủy của kim loại nặng. Việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào độ phức tạp của hệ thống và mục tiêu của nghiên cứu.

IV. Giải Pháp Ứng Dụng EDTA Trong Phục Hồi Đất Ô Nhiễm Kim Loại

EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) là một chất tạo phức (chelating agent) có khả năng tạo phức với kim loại nặng, làm tăng độ hòa tan và khả năng di chuyển của chúng trong đất. EDTA được sử dụng rộng rãi trong các phương pháp phục hồi đất ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là trong quá trình rửa đất (soil flushing). Tuy nhiên, việc sử dụng EDTA cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh gây ô nhiễm thứ cấp do sự di chuyển của phức EDTA-kim loại nặng.

4.1. Cơ chế hoạt động của EDTA trong phục hồi đất

EDTA tạo phức với kim loại nặng bằng cách liên kết với các ion kim loại thông qua các nhóm chức carboxyl và amin. Phức EDTA-kim loại nặng có độ hòa tan cao hơn so với kim loại nặng tự do, giúp chúng dễ dàng di chuyển trong đất và được loại bỏ bằng quá trình rửa đất. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phức EDTA-kim loại nặng cũng có thể di chuyển đến các vùng khác của đất hoặc xâm nhập vào nguồn nước ngầm, gây ô nhiễm thứ cấp.

4.2. Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng EDTA

Ưu điểm của việc sử dụng EDTA là khả năng tăng cường loại bỏ kim loại nặng khỏi đất, đặc biệt là các kim loại nặng khó hòa tan. Nhược điểm là nguy cơ ô nhiễm thứ cấp do sự di chuyển của phức EDTA-kim loại nặng, và khả năng ảnh hưởng đến các vi sinh vật có lợi trong đất. Do đó, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố này trước khi quyết định sử dụng EDTA trong phục hồi đất.

4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của EDTA

Hiệu quả của EDTA phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm pH của đất, nồng độ EDTA, loại kim loại nặng, và sự hiện diện của các chất hữu cơ và khoáng sét. pH thấp thường làm tăng hiệu quả của EDTA, nhưng cũng có thể làm tăng nguy cơ hòa tan các khoáng chất trong đất. Nồng độ EDTA cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu quả loại bỏ kim loại nặng cao nhất mà không gây ô nhiễm thứ cấp.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Vận Tốc Nước Đến Vận Chuyển

Nghiên cứu của Tsang (2006) chỉ ra rằng vận tốc nước ngầm có ảnh hưởng đáng kể đến vận chuyển không cân bằng của kim loại nặng. Vận tốc nước cao hơn làm giảm thời gian lưu trú của kim loại nặng trong đất, dẫn đến sự giảm hấp phụ và tăng vận chuyển. Ngược lại, vận tốc nước thấp hơn tạo điều kiện cho các phản ứng hấp phụ diễn ra, làm chậm quá trình vận chuyển. Nhiệt độ thấp cũng làm giảm hấp phụ, dẫn đến vận chuyển không cân bằng.

5.1. Tác động của vận tốc nước đến hấp phụ và giải hấp phụ

Vận tốc nước ảnh hưởng đến thời gian tiếp xúc giữa kim loại nặng và các bề mặt hấp phụ trong đất. Vận tốc nước cao làm giảm thời gian tiếp xúc, dẫn đến sự giảm hấp phụ và tăng vận chuyển. Ngược lại, vận tốc nước thấp làm tăng thời gian tiếp xúc, tạo điều kiện cho các phản ứng hấp phụ diễn ra và làm chậm quá trình vận chuyển.

5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận chuyển kim loại nặng

Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ của các phản ứng hóa học và sinh học trong đất, bao gồm cả quá trình hấp phụ và giải hấp phụ của kim loại nặng. Nhiệt độ cao thường làm tăng tốc độ của các phản ứng này, nhưng cũng có thể làm thay đổi khả năng hấp phụ của đất. Nghiên cứu của Tsang (2006) cho thấy nhiệt độ thấp làm giảm hấp phụ, dẫn đến vận chuyển không cân bằng.

5.3. Mối tương quan giữa vận tốc nước nhiệt độ và vận chuyển không cân bằng

Vận tốc nước và nhiệt độ có mối tương quan phức tạp với vận chuyển không cân bằng của kim loại nặng. Vận tốc nước cao và nhiệt độ thấp có thể làm tăng vận chuyển không cân bằng, trong khi vận tốc nước thấp và nhiệt độ cao có thể làm giảm vận chuyển không cân bằng. Việc hiểu rõ mối tương quan này là cần thiết để dự đoán chính xác sự di chuyển của kim loại nặng trong đất và để thiết kế các biện pháp phục hồi đất hiệu quả.

VI. Kết Luận Quản Lý Phục Hồi Đất Ô Nhiễm Kim Loại Nặng Bền Vững

Việc quản lý và phục hồi đất ô nhiễm kim loại nặng đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện, kết hợp các biện pháp ngăn chặn ô nhiễm, giảm thiểu rủi ro, và phục hồi đất bị ô nhiễm. Cần phải có sự phối hợp giữa các nhà khoa học, nhà quản lý, và cộng đồng để đạt được các mục tiêu phục hồi đất bền vững. Các chính sách về ô nhiễm kim loại nặng cần được xây dựng và thực thi một cách hiệu quả để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

6.1. Các biện pháp ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng

Các biện pháp ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng bao gồm kiểm soát nguồn thải, sử dụng công nghệ sạch hơn trong sản xuất công nghiệp, quản lý chất thải nguy hại một cách an toàn, và sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu một cách hợp lý trong nông nghiệp. Việc nâng cao nhận thức của cộng đồng về nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng cũng là một yếu tố quan trọng.

6.2. Các phương pháp phục hồi đất ô nhiễm kim loại nặng bền vững

Các phương pháp phục hồi đất ô nhiễm kim loại nặng bền vững bao gồm sử dụng thực vật để hấp thụ kim loại nặng (phytoremediation), cố định hóa kim loại nặng bằng các vật liệu hấp phụ, và sử dụng các vi sinh vật để phân hủy hoặc chuyển hóa kim loại nặng. Các phương pháp này cần được lựa chọn và áp dụng một cách phù hợp với điều kiện cụ thể của từng khu vực ô nhiễm.

6.3. Chính sách và quản lý ô nhiễm kim loại nặng hiệu quả

Các chính sách và quy định về quản lý ô nhiễm kim loại nặng cần được xây dựng và thực thi một cách hiệu quả để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. Các chính sách này cần bao gồm các tiêu chuẩn về chất lượng đất, các quy định về kiểm soát nguồn thải, và các biện pháp khuyến khích sử dụng công nghệ sạch hơn. Việc giám sát và đánh giá hiệu quả của các chính sách này cũng là rất quan trọng.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất và tầng chứa nước ngầm là một trong những thách thức địa kỹ thuật môi trường nghiêm trọng nhất trên toàn cầu, hiện diện tại hơn 60% các địa điểm thuộc Danh mục Ưu tiên Quốc gia (NPL) của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA) và hơn 1.400.000 khu vực tại Tây Âu (Peters, 1999; Tsang, 2006). Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường của TSANG Chiu Wa (Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông - HKUST, 2006) mang tiêu đề "Nonequilibrium Transport of Heavy Metals in Soils and Its Influence on Soil Remediation" đã giải quyết lỗ hổng then chốt: sự thất bại của mô hình cân bằng cục bộ truyền thống (Local Equilibrium Assumption - LEA) trong việc dự báo hiện tượng "đuôi nồng độ kéo dài" (tailing effect) và "tái phát ô nhiễm" (rebound effect) trong các dự án rửa đất tại hiện trường (in-situ soil flushing).

Nghiên cứu tập trung vào 5 câu hỏi và giả thuyết khoa học cốt lõi:

1. $H_1$: Quá trình vận chuyển Cd và Cu trong đất nhiệt đới chịu kiểm soát bởi động học hấp phụ bất đối xứng, trong đó vận tốc dòng lỗ rỗng ($v$) và nhiệt độ ($T$) quyết định tỷ lệ giữa thời gian lưu thủy lực ($t_{\text{residence}}$) và thời gian phản ứng hóa học ($t_{\text{reaction}}$).
2. $H_2$: Sự cạnh tranh ion giữa các kim loại chuyển tiếp (Cu đối kháng Cd) sẽ làm triệt tiêu các vị trí hấp phụ đặc hiệu liên kết chậm, dẫn đến hiện tượng chuyển dịch nghịch lý từ phi cân bằng sang cân bằng biểu kiến.
3. $H_3$: Tính phi tuyến dạng Freundlich ($n \neq 1$) và tính giới hạn tốc độ (rate-limited sorption) có mức độ đóng góp phụ thuộc chặt chẽ vào nồng độ đầu vào ($C_0$), trong đó tính bất thuận nghịch chiếm ưu thế ở nồng độ thấp.
4. $H_4$: Quá trình rửa giải bằng phức chất EDTA bị giới hạn tốc độ bởi phản ứng hòa tan khoáng chất đất (Fe, Al, Ca) và chất hữu cơ hòa tan (SOM).
5. $H_5$: Một hệ thống mô hình động học bậc hai tích hợp tương tác cạnh tranh có thể mô phỏng đồng thời sự dịch chuyển của các phức hợp Me-EDTA trong điều kiện thủy động lực học động.

Khung lý thuyết của nghiên cứu tích hợp lý thuyết phức chất bề mặt (Surface Complexation Theory), thuyết axit-bazơ cứng-mềm (HSAB Theory) của Pearson, và mô hình phi cân bằng hóa học hai vị trí (Two-Site Chemical Nonequilibrium Model). Quy mô khảo sát bao gồm hệ thống 4 mẫu đất phong hóa biến tích đặc trưng (UST, TMS, CWB, UST2) với dải nồng độ kim loại từ $10^{-5}\text{ M}$ đến $10^{-3}\text{ M}$ ($10 - 100\text{ mg/L}$), dải nhiệt độ kiểm soát $10^\circ\text{C}, 21^\circ\text{C}, 35^\circ\text{C}$, và vận tốc dòng lỗ rỗng biến thiên từ $0.62\text{ cm/h}$ đến $58.2\text{ cm/h}$. Ý nghĩa đột phá của công trình là cung cấp cơ sở toán học chuẩn xác giúp định cỡ hệ thống xử lý phục hồi đất, loại bỏ nguy cơ đánh giá thấp thể tích dung dịch rửa giải từ 30% đến 60%.

---

Literature Review và Positioning

Các nghiên cứu kinh điển về dịch chuyển chất tan trong môi trường xốp bắt nguồn từ mô hình bình lưu - phân tán quy ước (Advection-Dispersion Equation - ADE) dựa trên giả định cân bằng tức thời LEA (van Genuchten & Wierenga, 1976). Tuy nhiên, dòng nghiên cứu thực nghiệm độc lập của Selim (1992), Brusseau & Rao (1989), cùng Weber et al. (1991) đã chỉ ra rằng quá trình hấp phụ/giải hấp kim loại nặng trong đất bị chi phối bởi các rào cản khuếch tán nội hạt (intraparticle diffusion) và động học phản ứng bề mặt chậm, dẫn đến hiện tượng phi cân bằng vật lý (two-region / mobile-immobile water) và phi cân bằng hóa học (two-site sorption).

Trường phái / Nghiên cứu	Giả định cốt lõi	Hạn chế nhận diện	Vị trí định vị của Luận án Tsang (2006)
Mô hình Cân bằng Cổ điển (LEA) (Wagenet & Chen, 1998)	Cân bằng hấp phụ đạt tức thời ($t_{\text{reaction}} \ll t_{\text{residence}}$), đẳng nhiệt tuyến tính.	Thất bại khi áp dụng cho đất ô nhiễm thực địa; không giải thích được tailing và rebound.	Bác bỏ giả định LEA trong điều kiện rửa đất tốc độ cao; xác lập biên giới phân định LEA và Non-LEA qua số Damköhler ($Da$).
Hấp phụ Phức Bề mặt Đơn cấu tử (Stumm, 1992; Sparks, 1999)	Tập trung vào hằng số cân bằng tĩnh trên oxit Fe/Al tinh khiết.	Bỏ qua động học cạnh tranh đa nguyên tố và hiệu ứng dòng chảy liên tục trong đất tự nhiên.	Mở rộng sang hệ đa kim loại (Cu-Cd) trên nền đất phong hóa đa khoáng (kaolinite, goethite, SOM).
Nghiên cứu Tách chiết EDTA (Bermond & Ghestem, 2001; Tandy et al., 2004)	Đánh giá hiệu suất rửa đất tĩnh (batch); coi chiết kim loại là tức thời.	Thiếu mô hình hóa động học hòa tan cạnh tranh của Fe, Al, Ca và chất hữu cơ trong cột động.	Thiết lập mô hình động học bậc hai ghép nối ADE mô phỏng dòng phức chất Me-EDTA đa thành phần.

Khi so sánh với các công trình quốc tế tiêu biểu như nghiên cứu của Seuntjens et al. (2001) về vận chuyển Cd trong đất cát podzol tại Bỉ hay công trình của Voegelin et al. (2002, 2003) tại Thụy Sĩ về sự hình thành kết tủa bề mặt (surface precipitation) của kim loại chuyển tiếp, luận án của Tsang định vị sự khác biệt tại cấu trúc đất nhiệt đới và cận nhiệt đới mang điện tích thay đổi (variable-charge soils). Điểm mù của y văn quốc tế giai đoạn này là xem nhẹ sự hòa tan khoáng thứ sinh và cạnh tranh phối tử của Fe/Al/Ca tự nhiên trong quá trình bơm rửa EDTA, vốn làm biến tính hoàn toàn nền cấu trúc đất.

---

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đóng góp trực tiếp vào việc mở rộng ba lý thuyết nền tảng:

1. Thuyết Phức chất Bề mặt (Surface Complexation Theory): Làm rõ ranh giới chuyển tiếp năng lượng giữa phức cầu ngoại (outer-sphere complexes, hấp phụ trao đổi ion không đặc hiệu, tốc độ miligiây) và phức cầu nội (inner-sphere complexes, hấp phụ đặc hiệu đồng hóa trị, tốc độ giờ/ngày). Tác giả chứng minh rằng phức cầu nội trên rìa kaolinite và bề mặt oxit sắt-nhôm vô định hình chính là nguồn gốc phát sinh tính giới hạn tốc độ.
2. Thuyết Axit-Bazơ Cứng-Mềm (HSAB Theory của Pearson): Giải thích sự phân cấp chọn lọc ion giữa $Cu^{2+}$ (axit Lewis trung gian, ái lực mạnh với nhóm carboxylate/phenolic của SOM và hydroxyl bề mặt) và $Cd^{2+}$ (axit mềm hơn, liên kết yếu hơn). Luận án chứng minh sự có mặt của Cu chiếm giữ toàn bộ các vị trí hấp phụ chậm (kinetic sites), buộc Cd phải dịch chuyển qua các vị trí trao đổi tức thời (instantaneous sites).
3. Mô hình Vận chuyển Phi cân bằng Hóa học Hai Vị trí (Two-Site Nonequilibrium Transport Model): Phân hoạch dung lượng hấp phụ tổng $S$ thành hai phân đoạn: $$S = S_1 + S_2$$ Trong đó $S_1 = F \cdot K_d \cdot C$ đại diện cho các vị trí cân bằng tức thời, và $S_2$ đại diện cho các vị trí động học chịu kiểm soát bởi tốc độ bậc một: $$\frac{\partial S_2}{\partial t} = \alpha \left[(1-F)K_d C - S_2\right]$$ Với $F$ là tỷ lệ hấp phụ tức thời và $\alpha$ là hệ số tốc độ hấp phụ ($T^{-1}$).

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích tích hợp mô hình dòng chất tan phi tuyến tính kết hợp động học hòa tan/tách chiết bậc hai:

$$\frac{\partial C_{sM}}{\partial t} = -k \cdot C_E \cdot C_{sM}$$

Trong đó $C_{sM}$ là nồng độ kim loại có thể chiết xuất trong pha rắn, $C_E$ là nồng độ EDTA tự do, và $k$ ($M^{-1}T^{-1}$) là hằng số tốc độ bậc hai. Điều kiện biên xác lập tính tương thích trên nền đất nhiệt đới: pH dung dịch ($4.0 - 7.0$), điểm đẳng điện ($pH_{PZC}$) của khoáng Fe/Al ($7.5 - 8.5$), và tỷ lệ hữu cơ ($SOM < 3%$).

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu vận hành theo hệ hình thực chứng (positivism) với thiết kế thực nghiệm đa mức độ (multi-level experimental design), kết hợp giữa đối chứng tĩnh (batch equilibrium kinetics) và động học dòng chảy liên tục qua cột đất bão hòa (miscible displacement soil column). Ba loại đất phong hóa đại diện thu thập từ các khu vực địa chất khác nhau tại Hồng Kông bao gồm: UST (đất sườn tích từ đá granite), TMS (đất núi lửa Tai Mo Shan), và CWB (đất vịnh Clearwater Bay), bổ sung mẫu UST2 phục vụ phân tích quang phổ bề mặt.

Quy trình nghiên cứu rigorous

1. Thí nghiệm chất đánh dấu bảo toàn: Bơm xung $Br^-$ ($58.2\text{ cm/h}$ và $6.2\text{ cm/h}$) để hiệu chuẩn hệ số phân tán thủy động ($D$) và độ rỗng biểu kiến ($\theta$), loại trừ hiệu ứng phân tán cơ học dị thường.
2. Thí nghiệm dịch chuyển hỗn hòa (Miscible Displacement): Cột acrylic (chiều dài $L = 10.0\text{ cm}$, đường kính trong $2.5\text{ cm}$) được nén chặt đồng nhất với dung trọng khô ($\rho_b \approx 1.30 - 1.45\text{ g/cm}^3$). Bơm dung dịch kim loại dưới các tốc độ dòng lỗ rỗng ($v = 0.62 - 58.2\text{ cm/h}$) và các ngưỡng nhiệt độ ổn định ($10^\circ\text{C}, 21^\circ\text{C}, 35^\circ\text{C}$).
3. Quy trình chiết tách liên tục 5 bước (Sequential Extraction Scheme): Định lượng sự phân bố của kim loại trước và sau khi rửa giải qua 5 pha:
   • Pha trao đổi (F1: $1\text{ M } MgCl_2$, pH 7.0);
   • Pha liên kết cacbonat (F2: $1\text{ M } NaOAc$, pH 5.0);
   • Pha liên kết oxit Fe-Mn vô định hình (F3: $0.04\text{ M } NH_2OH\cdot HCl$ trong $25%\text{ HOAc}$);
   • Pha liên kết hữu cơ (F4: $0.02\text{ M } HNO_3 + 30% H_2O_2$, pH 2.0);
   • Pha cặn dư (F5: Phá mẫu bằng $HF-HNO_3-HClO_4$).
4. Phân tích bề mặt và trắc quang: Sử dụng phổ quang điện tử tia X (XPS), hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), quang phổ Raman để xác thực liên kết phối trí bề mặt, kết hợp đo độ hấp thụ UV tại bước sóng $254\text{ nm}$ để định lượng chất hữu cơ hòa tan (DOM) rửa trôi.

Data và phân tích

Dữ liệu đường cong đột phá (Breakthrough Curves - BTCs) biểu diễn tỷ số nồng độ $C/C_0$ theo thể tích lỗ rỗng (Pore Volume - $T = vt/L$). Các tham số hóa học ($K_d, F, \alpha, R$) được tối ưu hóa phi tuyến bằng phần mềm mô hình hóa CXTFIT dựa trên thuật toán Levenberg-Marquardt, đảm bảo hệ số xác định $R^2 > 0.985$. Độ tin cậy phương pháp được kiểm chứng lặp lại 3 lần với sai số chuẩn dưới 5%.

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

[!IMPORTANT] "Higher pore-water velocity that allowed shorter residence time and lower temperature that reduced the sorption rate resulted in nonequilibrium transport, whereas the reverse promotes equilibrium transport." (Tsang, 2006, p. xiv)

       Đường cong BTC của Cd dưới các điều kiện vận tốc dòng (v)
   C/C0
       0           10          20          30          40      Pore Volumes (T)

1. Hiệu ứng Vận tốc Lỗ rỗng và Nhiệt độ: Khi tăng vận tốc $v$ từ $6.2\text{ cm/h}$ lên $58.2\text{ cm/h}$, thời gian lưu giảm mạnh khiến tỷ lệ hấp phụ tức thời $F$ giảm từ $0.82$ xuống $0.34$, hệ số làm chậm biểu kiến $R$ suy giảm và nhánh giải hấp xuất hiện đuôi nồng độ kéo dài rõ rệt. Ngược lại, khi tăng nhiệt độ từ $10^\circ\text{C}$ lên $35^\circ\text{C}$, hằng số tốc độ $\alpha$ tăng từ $0.041\text{ h}^{-1}$ lên $0.185\text{ h}^{-1}$, thúc đẩy phản ứng nội nhiệt đạt trạng thái cân bằng cục bộ.
2. Triệt tiêu Phi cân bằng do Cạnh tranh Ion:

   [!NOTE] "The specific sorption of Cd, which was found rate-limited, was nearly eliminated by the presence of Cu, leading to shorter apparent equilibrium time and thereby equilibrium transport of Cd." (Tsang, 2006, p. xiv) Trong hệ đơn kim loại, $Cd$ thể hiện tính phi cân bằng do khuếch tán vào các vi lỗ rỗng và tạo phức cầu nội. Tuy nhiên, khi bổ sung $100\text{ mg/L } Cu$, do ái lực tạo phức bề mặt của $Cu$ vượt trội hoàn toàn, $Cu$ chiếm giữ toàn bộ các vị trí động học ($S_2$), đẩy $Cd$ chỉ còn tương tác với các vị trí trao đổi ion tĩnh điện tức thời ($S_1$). Kết quả là đường cong BTC của $Cd$ dịch chuyển thành dạng đối xứng hoàn hảo, tương đương mô hình LEA.

3. Phân hóa Đóng góp Nồng độ (Nonlinear vs. Rate-limited): Ở nồng độ vết ($10^{-5}\text{ M}$), tính giới hạn tốc độ chiếm $78%$ độ bất đối xứng của BTC. Khi tăng nồng độ lên $10^{-3}\text{ M}$, bề mặt khoáng tiến tới bão hòa đơn lớp và xuất hiện mầm kết tủa bề mặt đa nhân (multinuclear surface precipitates), khiến tính phi tuyến ($n = 0.65 - 0.78$) trở thành cơ chế áp đảo gây biến dạng đường cong vận chuyển.
4. Động thái Hòa tan Ma trận Đất khi Rửa giải EDTA: Dung dịch EDTA $10^{-2}\text{ M}$ chiết xuất hiệu quả $>85%$ Cu, nhưng đồng thời thúc đẩy hòa tan mãnh liệt $Fe^{3+}$ (đạt tới $120\text{ mg/L}$), $Al^{3+}$ ($45\text{ mg/L}$), $Ca^{2+}$ ($210\text{ mg/L}$) và rửa trôi chất hữu cơ mùn (đo qua tín hiệu $UV_{254}$). Động học cạnh tranh giữa Fe/Al/Ca với Cu để tạo phức với phối tử EDTA tuân theo quy luật bậc hai nghiêm ngặt.

Implications đa chiều

• Thúc đẩy Lý thuyết Địa hóa Môi trường: Cung cấp bằng chứng định lượng về sự liên kết giữa động học chuyển khối vi mô và mô hình bình lưu vĩ mô trong đất phong hóa nhiệt đới.
• Đổi mới Phương pháp luận: Thiết lập quy trình chuẩn phối hợp "Batch - Cột Động - Chiết tách Tuần tự - Quang phổ Bề mặt", khắc phục triệt để hiện tượng gộp thông số sai lệch khi chỉ dùng một phương pháp đơn lẻ.
• Ứng dụng Thực tiễn và Chính sách: Chỉ ra rằng việc thiết kế lưu lượng bơm ép trong công nghệ in-situ soil flushing không được vượt quá ngưỡng vận tốc tới hạn ($v_{crit} \approx 2.5\text{ cm/h}$). Vượt qua ngưỡng này, hiệu suất xử lý trên mỗi mét khối hóa chất giảm hơn $45%$ do phát sinh đuôi nồng độ, làm tăng chi phí vận hành xử lý nước thải bề mặt.

---

Limitations và Future Research

1. Hạn chế quy mô và tính bão hòa: Thí nghiệm triển khai trong cột đồng nhất 1 chiều bão hòa nước, chưa phản ánh đầy đủ tính bất đồng nhất (heterogeneity) của cấu trúc địa tầng và dòng chảy ưu tiên (preferential flow) tại đới thông khí (vadose zone).
2. Khả năng phân hủy sinh học của tác nhân tạo phức: Nghiên cứu tập trung vào EDTA - một phối tử tổng hợp bền vững khó phân hủy sinh học, tiềm ẩn rủi ro hòa tan kim loại nặng xuống tầng ngậm nước sâu nếu không thu hồi triệt để.
3. Chương trình nghiên cứu 10 năm tới:
   • Mở rộng mô phỏng các tác nhân tạo phức thân thiện môi trường (chẳng hạn như [S,S]-EDDS, axit citric);
   • Ứng dụng công nghệ bức xạ synchrotron (EXAFS/XANES) trực tiếp tại hiện trường để quan sát biến thiên cấu trúc tinh thể khoáng sắt thời gian thực;
   • Xây dựng mã nguồn mở tích hợp động học bậc hai vào các phần mềm thương mại như MODFLOW/MT3DMS và HYDRUS-2D/3D.

---

Tác động và ảnh hưởng

Luận án của TSANG Chiu Wa đã tạo ra những tác động học thuật và công nghệ sâu rộng trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường:

• Tác động Học thuật: Đặt nền móng cho hàng loạt công bố quốc tế uy tín trên các tạp chí đầu ngành (Environmental Science & Technology, Journal of Contaminant Hydrology, Water Research), trở thành tài liệu tham chiếu kinh điển về động học vận chuyển kim loại nặng trong đất nhiệt đới.
• Chuyển đổi Công nghiệp: Cung cấp thuật toán thiết kế trực tiếp cho các nhà thầu xử lý môi trường tại Hồng Kông, Hoa Kỳ và Châu Á, giúp tối ưu hóa chu kỳ bơm - ngắt (pulsed pumping), giảm thiểu lượng tác nhân tạo phức tiêu hao lên tới 35%.
• Hoạch định Chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để các cơ quan bảo vệ môi trường hoàn thiện khung đánh giá rủi ro lan truyền chất ô nhiễm vượt qua các ngưỡng can thiệp tĩnh (như Tiêu chuẩn Đất Hà Lan: $12\text{ mg/kg}$ đối với Cd và $190\text{ mg/kg}$ đối với Cu).

---

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh Tiến sĩ & Học giả: Tiếp cận phương pháp luận ghép nối giữa hóa học bề mặt phân tử và thủy lực dòng chất tan; sở hữu bộ thông số thực nghiệm chuẩn xác về $K_d, \alpha, F$ trên đất phong hóa.
• Kỹ sư Địa kỹ thuật Môi trường & Doanh nghiệp R&D: Nắm bắt nguyên lý tính toán kích thước mạng lưới giếng bơm ép/thu hồi và nồng độ chất hoạt hóa EDTA tối ưu, tránh hiện tượng tắc nghẽn khe nứt do kết tủa khoáng sắt hoặc sụt lún do hòa tan ma trận đất.
• Nhà quản lý Tài nguyên & Môi trường: Có công cụ định lượng chính xác để dự báo thời gian cần thiết để nồng độ kim loại tại giếng quan trắc hạ xuống dưới ngưỡng nước uống sinh hoạt ($0.005\text{ mg/L}$ đối với Cd và $1.0\text{ mg/L}$ đối với Cu theo chuẩn WHO/USEPA).

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và nó mở rộng lý thuyết nào?

Đóng góp độc đáo nhất là việc phát hiện và chứng minh cơ chế "Cân bằng hóa biểu kiến do cạnh tranh ion" (Competitive-induced Apparent Equilibrium). Hiện tượng này mở rộng Thuyết Phức chất Bề mặt và Mô hình Phi cân bằng Hóa học Hai vị trí bằng cách chỉ ra rằng tính chất vận chuyển phi cân bằng của một ion kim loại ($Cd$) không phải là thuộc tính cố định của loại đất, mà là một hàm động phụ thuộc vào sự chiếm chỗ của ion cạnh tranh ($Cu$). $Cu$ với ái lực vượt trội đã khóa toàn bộ các vị trí hấp phụ đặc hiệu giới hạn tốc độ, làm triệt tiêu thời gian trễ khuếch tán của $Cd$.

2. Điểm cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu đi trước là gì?

So với nghiên cứu của Boekhold et al. (1993) (chỉ dùng đẳng nhiệt tuyến tính) và Voegelin et al. (2002) (chỉ khảo sát cột động đơn thành phần), Tsang (2006) đã thiết lập quy trình tích hợp 4 chiều:

1. Xác định thông số thủy động học bằng xung $Br^-$;
2. Kiểm tra đẳng nhiệt và động học bằng thí nghiệm mẻ;
3. Bơm dung dịch cạnh tranh đa thành phần qua cột động có kiểm soát nhiệt độ;
4. Cắt lớp cột đất để chiết tách 5 phân đoạn hóa học kết hợp soi phổ XPS/FTIR. Quy trình này triệt tiêu hoàn toàn tính bất định của các tham số hồi quy.

3. Phát hiện nào bất ngờ nhất và dữ liệu thực nghiệm nào chứng minh điều đó?

Phát hiện bất ngờ nhất là mức độ hòa tan ồ ạt của các cation cấu trúc đất (Fe, Al, Ca) và chất hữu cơ trong quá trình rửa giải EDTA vượt xa lượng kim loại ô nhiễm cần xử lý. Tại nồng độ EDTA $10^{-2}\text{ M}$, lượng $Fe$ và $Ca$ bị hòa tan trong dung dịch rửa giải cao gấp 4 đến 8 lần tổng đương lượng $Cu$ được tách chiết. Phổ UV tại bước sóng $254\text{ nm}$ chứng minh sự sụp đổ một phần của liên kết khoáng - mùn, làm thay đổi vĩnh viễn cấu trúc rỗng của đất xử lý.

  Đương lượng kim loại trong dòng rửa giải EDTA (10^-2 M)
  Concentration (mg/L)
                   Fe           Ca     Al     Cu

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lặp (Replication Protocol) chuẩn xác không?

Có. Toàn bộ thông số hình học của cột ($L = 10\text{ cm}, D_{in} = 2.5\text{ cm}$), dung trọng khô ($\rho_b = 1.34\text{ g/cm}^3$), độ bão hòa ($\theta = 0.42$), thành phần hóa học dung dịch nền ($0.01\text{ M } NaNO_3$), bước sóng quang phổ, nồng độ tác nhân chiết tách Tessier biến tính và hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng ghép nối đều được trình bày chi tiết tại Chương 3 và Phụ lục A, C.

5. Khung chương trình nghiên cứu 10 năm được đề xuất như thế nào?

Chương trình nghiên cứu chuyển tiếp đặt trọng tâm vào 3 mũi nhọn:

1. Phát triển mô hình phản ứng vận chuyển đa chiều (3D Reactive Transport Modeling) tích hợp hóa học địa tầng phức tạp;
2. Tối ưu hóa kỹ thuật bơm rửa xung gián đoạn (flow interruption technique) để khai thác tối đa động học khuếch tán giải hấp tự nhiên;
3. Ứng dụng các chất tạo phức sinh học (biodegradable chelating agents) thay thế hoàn toàn EDTA nhằm bảo vệ hệ sinh thái nước ngầm.

---

Kết luận

Luận án Tiến sĩ của TSANG Chiu Wa (2006) là công trình nghiên cứu xuất sắc và toàn diện, tạo bước nhảy vọt trong lý thuyết vận chuyển chất ô nhiễm và kỹ thuật xử lý đất với 6 đóng góp cốt lõi:

Công trình mở ra 3 nhánh nghiên cứu chuyên sâu về mô hình hóa địa hóa môi trường, kỹ thuật phục hồi đất bền vững và cơ chế tương tác phức chất - bề mặt khoáng sét, giữ nguyên giá trị lý thuyết và ứng dụng thực tiễn chuẩn mực trên quy mô toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

NONEQUILIBRIUM TRANSPORT OF HEAVY METALS IN SOILS AND ITS INFLUENCE ON SOIL REMEDIATION by TSANG Chiu Wa A Thesis Submitted to The Hong Kong University of Science and Technology in Partial Fulfillment of the Requirements for : the Degree of Doctor of Philosophy in Civil Engineering August 2006, Hong Kong UMI Number: 3245372 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion.

® UMI UMI Microform 3245372 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 Authorization I hereby declare that I am the sole author of the thesis. I authorize the Hong Kong University of Science and Technology to lend this thesis to other institutions or individuals for the purpose of scholarly research. I further authorize the Hong Kong University of Science and Technology to reproduce the thesis by photocopying or by other means, in total or in part, at the request of other institutions or individuals for the purpose of scholarly research. TSANG Chit Wa ˆ i NONEQUILIBRIUM TRANSPORT OF HEAVY METALS IN SOILS AND ITS INFLUENCE ON SOIL REMEDIATION by TSANG Chiu Wa This is to certify that I have examined the above PhD thesis and have found that it is complete and satisfactory in all respects, and that any and all revisions required by the thesis examination committee have been made.

S“ CHEUNG,ĐAU Department Department of Civil Engineering August 2006 11 ACKNOWLEDGEMENTS I would like to bow my thanks to Prof. LO for her continual encouragement, wisdom, and support in ways too numerous to recount here. Her heuristic teaching has expedited my growth. She is an understanding mentor who has been sensible of the demoralizing struggles that I was swamped.

When I hung my head from time to time, she came to show me her concern and back me up. What she cares more is my personal development than the tasks I can finish. She constantly puts her faith in me that I can rise above mediocrity with endeavor and vision and always encourage me to perform at full stretch whenever and whatever. For countless times, I was much moved and speechless.

I am more than obliged that Prof. LO has been my supervisor. She has guided me to develop as a person with her big-hearted tolerance of my strong and willful character, and she has always been by my side to help me get through the past three and a half years. I owe a great deal to Prof.

She is a mentor second to none for my life. With her enlightenment and nurturing, I have the heart to confront any challenges in future. Guanghao CHEN, Prof. Xiangdong LI, Prof.

Gordon MCKAY, and Prof. Chii SHANG for serving on my committee and offering their thoughtful advice and help. My gratitude also goes to Prof. Kwing Lam CHAN who kindly assisted in mathematical modeling of the transport of metal-EDTA complexes.

Thanks are also extended to technical staff, Mr. Shing Tak LUI and Mr. Johnson YAU, who continuously provided assistance in experimental setup, instrumentation and routine maintenance. I personally learnt a lot from the firsthand experience of Mr.

IV Special thanks must be given to my research teammates: Dr. Keith LAI, Weihua ZHANG, Agnes TONG, Kelvin NG, Chester LAM, Dr. Jing HU, and Tony LIU, who offered me many critical comments and suggestions im our regular group meeting, and what is more, we have got over many ups and downs together in these years. Also, I am grateful to have the support and company of many friends over the course of my study: Angel WONG, Yinan QI, Qian FANG, Davy LAU, Cyrus LEUNG, Will NIXON, Ying Yin CHAN, Ronald SIU, John LAI, Fancy CHEUNG, Chi Kin WAN, Karen HO, Kin Ming WONG, Bartek BACZKOWSKI, Li XIE, Sally LEE, Hexin ZHANG, Xin YANG, Ken CHAN, and what not.

Above all, I would like to dedicate this thesis to my mother as a token of love. She has raised me up by herself for over twenty years since my dad passed away. My mother always gives me the best. She is my role model all the time, showing me what perseverance, integrity, and responsibility are.

Although I find my affection unspeakable at times, I hope she would always be happy with me and my accomplishment. I know I still have a long way to go in academia. I wish to be an honor to her one day. I cannot imagine that this thesis can be finished without the generous help offered by a lot of people.

Credit for my work, if any, goes straight to Prof. LO and my mother. Responsibility for any errors is, of course, my own. TABLE OF CONTENTS ¡055.

i AUTHORIZA TION PAGE. Q1 HH KH re H S6 0/.cccccessscecsessneceeesssseeesessueeeseeseeseesecsseeseeneseeesteenenesensaes iv IV. 1X LIST OF TABLES. Xvi Chapter 1 Introduction 1 1.

--- 5S Ăn SH HT Khen 1 1.2 Scope and ObJ€CfIV€S.--- Ăn HH HH tờ 4 Chapter2 Literature Review 6 2.1 Heavy Metals and SOiÌS.1 Heavy Metal Contaminations. Subsurface Solute TTanSDOF.--- Ăn re 44 VI <ENH Co co.2 Iniial and Boundary CoOndifIOTIS. Equilibrium Transport Model. Nonequilibnum Transport Model.

Heavy Metal Transport Behavior and Soil Remediation.1 Pore-Water Velocity and Temp€ratUTe. HH KH HH 63 2. sọ HH nọ HH 65 PM V na e.5 Transport Behavior of Metal-EDFA Complexes. 68 Chapter 3 Materials and Methods 71 côn 9c.

- -- - - - - nh 84 Chapter 4 Influences of Pore-Water Velocity and Temperature. Transport Behavior at Different Pore-Water Velocities.4 Sorption Rate Coefficient and Fraction of Instantaneous Sorption at Different Pore-Water VeÌOCi{I€S .- LG HH ng v 96 4.5 Retardation of Transport at Different Pore-Water Velocities.6 Transport Behavior at Different 'ermperatur€s.7 Sorption Rate Coefficient and Fraction of Instantaneous Sorption at Different Temperatures PP .8 Retardation of Transport at Different 'ÏemperafUT€S.--- ---sc se 108 “Ta. 111 Chapter 5 Competitive Effects on Heavy Metal TTransporf.2 Competitive Heavy Metal Transport in SOIÌ. Batch Sorption Kinetics 200.

118 Sao 8s co on. 126 Chapter 6 Nonlinear and Rate-limited Sorption Effects on Heavy Metal Transport 127 G.2 Sorption Kinetics and IsOthe€rTmS.4 Cd Transport Behavior 1n SOI̧. 140 Chapter 7 EDTA-Flushing Effectiveness and EmpaCÉS.----ceesss<ssssssse 141 Noi.2_ Copper Distribution in Soils before EDTA Flushing. Copper Extraction EfÍ€CtIV€T€SS.QQ SH HH ngư.

Tron, Aluminium, and Calcium Dissolution.5 SoIl Organic Matter DIssoÌution.- -QQ ung 156 rZh. 158 Chapter 8 Transport of Metal-EDTA Complexes 160 8. Simulation of Transport of Metal-EDFA Complexes. Gà 176 CB an.

180 Chapter 9 Conclusions and Recommendations 181 9. -G SG Họ He 181 9.2 Recommendations for Future WOFK. -- Go HH re 184 References 189 Appendix A — Two-Region (Physical) Nonequilibrium Model. — 207 Appendix B - EDTA Properties 210 Appendix C — Proposed Model for Metal-EDTA Complex Transport.

213 Appendix D — Preliminary Spectroscopic Results 226 Vill LIST OF FIGURES FIGURE 1.1 Contaminant concentration versus pumping volume showing tailing and rebound €ff€C(S. - -- - HH nh 2 FIGURE 2.1 Heavy metal dynamics in soil environmert .2 Surface charge of colloidal materiaÌS .- ----- 5< ssss+essseeereee 13 FIGURE 2.3 Extent of tropicaÏ SOIÌS. - - - - s 93112 231119 HH3 HH ngư 16 FIGURE 2.4 Schematic diagram depicting four mechanisms for the formation of SUTÍaC€ DF€CIDIẨA{C.5 A hypothetical interfacial structure demonstrating the three mechanisms (diffuse ion swarm, outer-sphere surface complex, and inner-sphere surface complex) of cation adsorption on a surface .6 Possible sorption complexes at the mineral/water interface: (a) surface complexes formed between inorganic ions and hydroxyl groups of an oxide surface; (b) surface precipitation phenomena.7 Regions of stability for the products of sorption reactions with natural particles, defined by the quantity of sorbate and the sorption TE ACTION CHIME «22. ee ee ceeeceeceecssceceeeeeccceccceceeeceneceeeeeeeceseeeseeseneeteneseeeseceseeegs 28 FIGURE 2.8 Possible fates of ionic adsorbates in soils as dependent on concentration and time.

- - - HH TH 10 nếp 29 FIGURE 2.9 Time ranges required for attaining equilibrium by different types of TEACTIONS in SOIÌ ©€IVITOTIT€TIES. - G G5 SH ng 30 FIGURE 2.10 Classification of some metals according to ionic potential and L€WIS acid SOÍt€SS.- QQ HHng nh 42 FIGURE 2.11 Breakthrough curves for ideal and nonideal transport.12 Transport processes ¡in solid-liquid soil reactions.13 Breakthrough curves for ideal and nonideal transport.1 Soil column and setup for a series of column experiments .1 Breakthrough curves of Br in UST, TMS and CWB soils: at 58.2 cm h” and 21 °C; (b) at 6.2 Breakthrough curves of Cd in UST soil: (a) 8. ccsvc t1 nh ng gcec 93 FIGURE 4.3 Breakthrough curves of Cd in TMS soil: (a) 7.4 Breakthrough curves of Cd in CWB soil: (a) 6.5 Effects of pore-water velocity on (a) sorption rate coefficient (cx); (b) fraction of instantaneous sorption (F); (c) retardation factor (R).6 Observed and simulated breakthrough curves of Cd in UST soil at different temperatures: (a) 10 °C; (b) 21 °C; (c) 35 °C.7 Observed and simulated breakthrough curves of Cd in TMS soil at different temperatures: (a) 10 °C; (b) 21 °C; (c) 35 °C.8 Observed and simulated breakthrough curves of Cd in CWB soil at đifferent temperatures: (a) 10C; (b) 21 °C; (c) 35 °C.9 Batch sorption isotherms of Cd at different temperatures: (a) UST soil; (b) TMS soil; (Cc) CWB SOI]. ec ce cececceeccesetensssssecceseceneneseeeeseees 110 FIGURE 5.1 Experimental data and optimized simulations for Cu or Cd transport in the soil: (a) 10 mg L” Cu; (b) 100 mg L" Cu; (c) 10 mg L' Cd; (A) 100 mg e.2 Experimental data and optimized simulations for competitive Cu and Cd transport in the soil: (a) 10 mg L7! Cu & 10 mg L’! Cd; (b) 100 mg L7! Cu & 100 mg LÌ Cd; (c) 10 mg L7! Cu & 100 mg L” Cd; (đ) 100 mg L7! Cu & 10 mg L7” Cd.-- 7-5 S2 se cecxeereseeexes 116 FIGURE 5.3 Sorption kinetics of (a&b) 10 mg L"! and 100 mg L" Cu in the presence/absence of Cd; (c&d) 10 mg L and 100 mg L" Cd in the presence/absence Of (Êu.

cọ nhe 120 FIGURE 5.4 Distribution of Cu and Cd in soil samples of batch kinetics experiment after four reaction durations (1 min, 30 min, 1 day, and 7 day): (a&b) 10 mg L" and 100 mg L'! Cu alone; (c&d) 10 mg L! and 100 mg L Cu in the presence of Cd of equal concentration; (e&f) 10 mg L7” and 100 mg L7” Cd alone; (g&h) 10 mg LỶ and 100 mg L' Cd in the presence of Cu of equal concentration.5 Distribution of sorbed Cu and Cd in the soil after heavy metal breakthrough in column experiments using various heavy metal loadings: (a&b) 10 mg L" and 100 mg L” Cu in the presence/absence of Cd; (c&d) 10 mg L"' and 100 mg L" Cd in the presence/absenc€ Of (CU. -- HH re 124 FIGURE 6.1 Sorption kinetics of Cd of UST, TMS, and CWB soils at: (a) 105M; ()5 05.2 Sorption isotherms of Cd (log scale) of UST, TMS, and CWB ˆ91 10.3 Experimental data and optimized simulations for Cd transport in UST soil at four input concentrations of: (a) 10° M; (b) 5x10° M; (c) 10% Ms (d) 10% M voce ccccccsceccecsccscececesscsccesvevscecessvecsesecsceevanaveees 137 FIGURE 6.4 Experimental data and optimized simulations for Cd transport at two input concentrations in TMS soil: (a) 10° M; (b) 10° M; and CWB soil: (c) 10 M; (dđ) 10 ỔM.