Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu khả năng giải phóng kim loại nặng từ bãi thải quặng đồng sunfua

Nghiên cứu khả năng giải phóng kim loại nặng từ bãi thải đuôi quặng nghèo đồng sunfua, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

• Tác giả: Vũ Văn Tùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Hồng Côn
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng giải phóng kim loại nặng từ các bãi thải, đuôi quặng nghèo đồng sunfua
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CHUNG
• 1.1. Một số quặng đồng sulfua
• 1.1.1. Trữ lượng và phân bố quặng sulfua ở Việt Nam
• 1.1.2. Tình trạng ô nhiễm tại các vùng lân cận và các khu vực khai thác quặng
• 1.1.2.1. Tại Việt Nam
• 1.1.2.2. Trên thế giới
• 1.1.3. Quá trình phong hoá quặng sulfua
• 1.1.3.1. Quá trình phong hoá
• 1.1.3.2. Phong hoá vật lý
• 1.1.3.3. Phong hoá hoá học
• 1.1.3.4. Phong hoá sinh học
• 1.1.3.5. Khái quát quá trình biểu sinh các mỏ sulfua
• 1.1.3.6. Oxi hoá các khoáng vật đồng sulfua
• 1.1.4. Ảnh hưởng của kim loại nặng đến môi trường và cơ thể sống
• 1.1.4.1. Giới thiệu một số kim loại nặng và ảnh hưởng của chúng lên cơ thể sống và con người
• 1.1.5. Đối tượng nghiên cứu
• 1.1.6. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Cơ sở phương pháp luận
• 1.2.1. Danh mục hoá chất, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu
• 1.2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Quá trình kết tủa, cộng kết, hấp phụ của các nguyên tố kim loại nặng
• 3.1.1. Quá trình oxi hoá - thuỷ phân và các dạng kết tủa của sắt
• 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng nồng độ sắt(II) đến khả năng tách loại một số kim loại nặng Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn
• 3.1.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng tách loại một số kim loại nặng Zn, Cu, Pb, As, Cd, Mn
• 3.1.4. Nghiên cứu khả năng phong hoá giải phóng các kim loại nặng trên mô hình bãi thải, đuôi quặng nghèo chalcopyrit trong điều kiện ngập nước
• 3.1.5. Sự biến thiên pH và nồng độ của các kim loại nặng trong quá trình phong hoá trên mô hình các bãi thải, đuôi quặng nghèo chalcopyrit
• 3.1.6. Sự biến thiên nồng độ của sulfat SO4 2-
• 3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phong hoá giải phóng các kim loại nặng ra môi trường nước trên mô hình bãi thải, đuôi quặng nghèo chalcopyrite trong điều kiện ngập nước
• 3.2.1. Ảnh hưởng của pH đến sự giải phóng kim loại nặng
• 3.2.2. Ảnh hưởng của photphat đến quá trình giải phóng kim loại nặng
• 3.2.3. Nghiên cứu khả năng giải phóng kim loại nặng từ quặng nghèo chalcopyrite trong điều kiện xung
• 3.2.4. Sự biến thiên pH và nồng độ các kim loại trong quá trình phong hoá ở điều kiện xung
• 3.2.5. Sự biến thiên nồng độ sulfat trong điều kiện xung
• 3.2.6. So sánh khả năng giải phóng kim loại từ hai điều kiện phong hoá các bãi thải, đuôi quặng nghèo chalcopyrite
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu giải phóng kim loại nặng từ bãi thải quặng đồng sunfua

Nghiên cứu về khả năng giải phóng kim loại nặng từ các bãi thải quặng đồng sunfua là một vấn đề cấp bách trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Các bãi thải này chứa đựng nhiều kim loại nặng như Cu, Pb, Zn, và As, có thể gây hại cho sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc hiểu rõ quá trình giải phóng và tác động của chúng là cần thiết để phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả.

1.1. Đặc điểm của bãi thải quặng đồng sunfua

Bãi thải quặng đồng sunfua thường chứa nhiều khoáng vật sulfua, có khả năng giải phóng kim loại nặng trong điều kiện môi trường nhất định. Các yếu tố như pH, nhiệt độ và độ ẩm có thể ảnh hưởng đến quá trình này.

1.2. Tác động của kim loại nặng đến môi trường

Kim loại nặng từ bãi thải có thể xâm nhập vào nguồn nước và đất, gây ô nhiễm nghiêm trọng. Chúng tích tụ trong chuỗi thức ăn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động thực vật.

II. Vấn đề ô nhiễm từ bãi thải quặng đồng sunfua và thách thức hiện tại

Ô nhiễm từ bãi thải quặng đồng sunfua đang trở thành một thách thức lớn cho môi trường. Việc khai thác quặng đồng không chỉ để lại các bãi thải khổng lồ mà còn làm gia tăng nồng độ kim loại nặng trong đất và nước. Điều này đòi hỏi các giải pháp xử lý hiệu quả để giảm thiểu tác động tiêu cực.

2.1. Nguyên nhân gây ô nhiễm từ bãi thải

Quá trình khai thác và chế biến quặng đồng thường dẫn đến việc thải ra các chất thải chứa kim loại nặng. Những chất thải này không được xử lý đúng cách, gây ô nhiễm môi trường xung quanh.

2.2. Hệ lụy từ ô nhiễm kim loại nặng

Ô nhiễm kim loại nặng có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm các bệnh về thần kinh, gan và thận. Ngoài ra, nó còn ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật và động vật.

III. Phương pháp nghiên cứu giải phóng kim loại nặng từ bãi thải quặng đồng sunfua

Để nghiên cứu khả năng giải phóng kim loại nặng, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm phân tích hóa học, khảo sát hiện trường và mô hình hóa quá trình phong hóa. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng.

3.1. Phân tích hóa học trong nghiên cứu

Phân tích hóa học giúp xác định nồng độ kim loại nặng trong mẫu bãi thải. Các phương pháp như quang phổ hấp thụ nguyên tử và sắc ký lỏng được sử dụng để đo lường chính xác.

3.2. Khảo sát hiện trường và thu thập mẫu

Khảo sát hiện trường cho phép thu thập dữ liệu thực tế về tình trạng ô nhiễm. Việc lấy mẫu từ các vị trí khác nhau giúp đánh giá mức độ ô nhiễm một cách toàn diện.

3.3. Mô hình hóa quá trình phong hóa

Mô hình hóa giúp dự đoán khả năng giải phóng kim loại nặng trong các điều kiện khác nhau. Các mô hình này có thể hỗ trợ trong việc phát triển các giải pháp xử lý hiệu quả.

IV. Kết quả nghiên cứu về giải phóng kim loại nặng từ bãi thải

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng quá trình phong hóa có thể dẫn đến sự giải phóng đáng kể các kim loại nặng từ bãi thải quặng đồng sunfua. Nồng độ kim loại nặng trong nước và đất có thể tăng lên đáng kể trong điều kiện nhất định.

4.1. Sự biến thiên nồng độ kim loại nặng

Nghiên cứu cho thấy nồng độ kim loại nặng như Cu, Pb, và Zn có sự biến thiên theo thời gian và điều kiện môi trường. Điều này cho thấy sự cần thiết phải theo dõi liên tục.

4.2. Ảnh hưởng của pH đến giải phóng kim loại nặng

Nghiên cứu chỉ ra rằng pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến khả năng giải phóng kim loại nặng. Trong môi trường axit, khả năng giải phóng tăng lên rõ rệt.

V. Giải pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng từ bãi thải quặng đồng sunfua

Để giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng từ bãi thải quặng đồng sunfua, cần áp dụng các giải pháp xử lý hiệu quả. Các công nghệ xử lý hiện đại có thể giúp loại bỏ kim loại nặng và phục hồi môi trường.

5.1. Công nghệ xử lý sinh học

Công nghệ xử lý sinh học sử dụng vi sinh vật để loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường. Đây là một phương pháp thân thiện với môi trường và hiệu quả.

5.2. Công nghệ xử lý hóa học

Công nghệ xử lý hóa học sử dụng các phản ứng hóa học để loại bỏ kim loại nặng. Phương pháp này có thể đạt hiệu quả cao nhưng cần được thực hiện cẩn thận để tránh ô nhiễm thêm.

VI. Kết luận và triển vọng tương lai trong nghiên cứu giải phóng kim loại nặng

Nghiên cứu khả năng giải phóng kim loại nặng từ bãi thải quặng đồng sunfua là một lĩnh vực quan trọng cần được tiếp tục khai thác. Các giải pháp xử lý hiệu quả có thể giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.

6.1. Tương lai của nghiên cứu giải phóng kim loại nặng

Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến quy trình xử lý để đạt hiệu quả cao hơn trong việc loại bỏ kim loại nặng.

6.2. Tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường

Bảo vệ môi trường là trách nhiệm của tất cả mọi người. Việc giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng từ bãi thải quặng đồng sunfua không chỉ bảo vệ sức khỏe con người mà còn bảo vệ hệ sinh thái.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Đặc điểm chung Hiện nay, số lượng các khoáng vật sulfua và các hợp chất tương tự được tìm thấy lên tới 350. Theo tính toán của Vernadsky, chúng chiếm 0,15% trọng lượng toàn bộ vỏ Trái đất. Các kim loại đặc trưng trong sulfua là Fe, Cu, Pb, Zn, Sb, Ag, Bi, Co, Ni, trong đó Fe đóng vai trò quan trọng.

Một số kim loại trong sulfua có số phối trí 6, như Fe trong khoáng vật pyrotin Fe1-nS; có số phối trí 3 như Pb trong galenit PbS; Hg, Cu, Ag có số phối trí 4, đôi khi có số phối trí 2, trong trường hợp này sẽ tạo nên mạch xoắn; còn As, Sb, Bi có số phối trí 3. Trong những sulfua tồn tại liên kết cộng hoá trị - phân tử, các nguyên tố thường có cùng số phối trí, ví dụ trong realgar (As4S4) Sulfua có thể là những hợp chất đơn giản, nhưng các sulfua đơn giản có thể tạo thành hợp chất kép; hoặc những hợp chất chứa nhiều nguyên tố khác nhau gọi là sulfo – muối. Sulfua kép Sulfo – muối Covelin Cu2S.CuS2 Pyrargyrit Ag3SbS3 Chalcopyrit Cu2S.Fe2S3 Burnonit PbCuSbS3 Trong một số sulfua, lưu huỳnh bị mất đi khi nung nóng, như pyrit (FeS2), arsenopyrit (FeAsS). Vernadsky coi chúng là các hợp chất của H2S2.

Đa số khoáng vật sulfua đều kết tinh ở các hệ tinh thể hạng cao, trừ một số khoáng vật và sulfo – muối kết tinh ở các hệ tinh thể hạng thấp. Khoáng vật sulfua thường có dạng tinh thể đẹp, đặc biệt là sulfua và disulfua – (sulfua sắt, niken, coban, kẽm, chì). Các loại sulfo - muối và sulfua của nguyên tố bán kim loại thường có dạng tập hợp hạt, sợi, vảy. Đối với sulfua thường gặp các loại song tinh đa hợp, liên tinh song song, liên tinh của các khoáng vật khác nhau – liên tinh của pyrit – marcasit, tetrahedrit – sphalerit, tetrahedrit – chalcopyrit.

3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hầu hết khoáng vật sulfua có màu và đó là đặc điểm để xác định khoáng vật. Các sulfua coban, niken (ít Fe) có màu trắng bạc hoặc xám trắng. Sulfua sắt (ít Cu) có màu vàng. Sulfua bạc, chì có màu xám chì.

Sulfua thuỷ ngân có màu đỏ đặc trưng. Trong thành phần khoáng vật sulfua nếu có Cu2+ thì có màu xanh, tím đỏ… Khoáng vật sulfua thường không trong suốt. Nhưng khoáng vật trong suốt chiếm lượng không đáng kể, như sphelarit, cinabar, realgar, auripigment… Đa số khoáng vật sulfua với mối liên kết cộng hoá trị – kim loại có ánh kim, tính dẫn điện cao, có tính bán dẫn. Sulfua có cấu trúc lớp, cấu trúc dải có độ cứng thấp từ 1 – 2,5.

Sulfua đơn với cấu trúc phối trí có độ cứng trung bình từ 2 – 4. Còn disulfua và hợp chất tương tự có độ cứng từ 6 – 6,5. Sulfua đơn với mối liên kết cộng hoá trị, cấu trúc phối trí (sphalerit), cấu trúc mạch (cinabar), mối liên kết phân tử, cấu trúc lớp (auripigment), mối liên kết phân tử, cấu trúc đảo (realgar) và cấu trúc đảo (proustit) có ánh kim cương, bán trong suốt, có màu rực rỡ, tính giòn cao, độ cứng từ thấp đến trung bình. Đa số khoáng vật có tỉ trọng cao (tới 8,5), trừ sulfua của arsen.

Sulfua chủ yếu có nguồn gốc nhiệt dịch. Điều này chứng tỏ các kim loại nặng được di chuyển dưới dạng các chất bốc. Khi nhiệt độ và áp suất hạ thấp thì chúng tạo nên nhiệt dịch từ đó kết tinh sulfua. Thực nghiệm đã chứng minh các kim loại nặng di chuyển dưới dạng hợp chất phức tạp với Cl, F, Br… Ngoài ra, sulfua còn được thành tạo trong quá trình magma, đôi khi trong điều kiện ngoại sinh, trong đới làm giàu sulfua thứ sinh và trong trầm tích.

Sulfua còn có mặt trong thiên thạch và đá Mặt Trăng. Trong điều kiện trên mặt đất sulfua và các hợp chất tương tự của chúng không bền vững và dễ bị phá huỷ. Trong quá trình oxi hoá, chủ yếu chuyển thành sulfat dễ hoà tan. Từ đó, tạo thành nên một loạt khoáng vật thứ sinh: oxit, cacbonat, sulfat, arsenat, silicat và các kim loại tự sinh.

Hướng chung của quá trình phong hoá khoáng vật sulfua là dẫn tới giải phóng lưu huỳnh. Do đó, trong các mỏ sulfua thấy có sự phân đới rõ ràng. Bắt đầu từ đới oxi hoá: RS + 2O2 → RSO4 R – kim loại 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Ở phần dưới đới oxi hoá, do H2SO4 và một số muối hoà tan tác dụng với đá vây quanh, tạo nên một loạt khoáng vật mới và kim loại tự sinh. Phổ biến hơn cả là các phản ứng sau: 1.

2CuSO4 + 2CaCO3 + 5H2O → Cu2(OH)2[CO3] + 2Ca[SO4]2H2O + CO2 Malachit Thạch cao 2. CuSO4 + 2FeSO4 → Fe2(SO4)3 + Cu 3. ZnSO4 + CaCO3 + 2H2O → Zn[CO3] + Ca[SO4]2H2O Smisthonit Thạch cao 4. Ag2SO4 + 2FeSO4 → Fe2(SO4)3 + 2Ag Các dung dịch H2SO4 và RSO4 thấm sâu xuống đến đới quặng nguyên sinh (thấp hơn mực nước ngầm), ở đây sẽ xuất hiện H2S, và chúng sẽ tác dụng với quặng nguyên sinh để tạo sulfua thứ sinh.

Phản ứng chung của quá trình thành tạo sulfua thứ sinh có thể viết như sau: MSO4 + RS → RSO4 + MS (R, M là kim loại) Phản ứng tạo thành một số sulfua thứ sinh 14CuSO4 + 5FeS2 + 12H2O → 12H2SO4 + 5FeSO4 + 7Cu2S Chalcosin CuSO4 + H2S → H2SO4 + CuS (Covenlin) Ag2SO4 + Cu2S → Cu2SO4 + Ag2S (Argentit) Do đó ở mỏ sulfua, tại ranh giới với quặng nguyên sinh có một đới làm giàu quặng bởi hàm lượng lớn các kim loại và sulfua thứ sinh, đới này có giá trị lớn. Một số nguyên tố như Ag, Cu tập trung trong đới làm giàu quặng nhiều hơn trong đới quặng nguyên sinh. Một số quặng đồng sulfua 1. Chalcosin Chalcosin có hàm lượng Cu 79,8%.

Trong thành phần thường có tạp chất Ag và Fe. Biến thể nhiệt độ thấp có xếp cầu sáu phương biến dạng của S, nguyên tử Cu và số phối trí 2. Biến thể nhiệt độ cao của chalcosin có cấu trúc gần với cấu trúc ngược của flourit (Benlov, Grigoriew, 1948) và đặc trưng bởi sự thiếu hụt Cu. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Thành phần của chúng tương ứng với công thức Cu2-nS, có tên gọi là digenit (một phần Cu+ được thay thế bởi Cu2+) Chalcosin có tính dẻo, dẫn điện tốt, độ cứng và độ dẻo thấp.

Chalcosin thành tạo trong đới làm giàu quặng thứ sinh của mỏ đồng. Đôi khi chalcosin được thành tạo trong qúa trình nhiệt dịch, cộng sinh với bornit – Cu5FeS4, quặng đồng xám, covelin, chalcopyrit và một số sulfua khác. Trong quá trình oxi hoá chalcosin bị biến thành malachit Cu2[CO3](OH)2, cuprit Cu2O, đồng tự sinh và khoáng vật khác. Ở Việt Nam, chalcosin có ở mỏ đồng Bản Xang, Bản Phúc, gần Tạ Khoa (Sơn La), mỏ Sinh Quyền (Lào Cai).

Chalcopyrit CuFeS2 Chalcopyrit có hàm lượng Cu – 34,6%. Chalcopyrit thường chứa tạp chất đồng hình Au, Ag. Cấu trúc gần giống với cấu trúc của sphalerit, trong đó ô mạng cơ sở gấp đôi lên và vị trí Zn được thay thế bằng Cu, Fe. Trong biến thể lập phương talnakhit, sự phân bố Fe và Cu không trật tự.

Chalcopyrit có màu vàng đồng thau, có vết vạch đen hoặc đen xanh, ánh kim. Chalcopyrit thường có màu sặc sỡ do bị oxi hoá, chalcopyrit khác pyrit về màu sắc và độ cứng thấp. Chalcopyrit có nguồn gốc magma, trong đá mafic, cộng sinh với pyrotin, pentlandit. Trong skarn, chalcopyrit cộng sinh với pyrit, pyrotin, sulfua chì, kẽm, đồng.

Ngoài ra chalcopyrit còn có trong các thành tạo ngoại sinh, trong đá trầm tích. Trong đới oxi hoá, chalcopyrit bị biến đổi, tạo nên đồng tự sinh, chalcosin, covelin, cuprit, malachit, azurit, crysocola. Chalcopyrit có mặt ở Bản Xang, Bản Phúc (Sơn La), mỏ đồng Sinh Quyền (Lào Cai) gần Tạ Khoa. Chalcopyrit là quặng đồng quan trọng.

Cùng với Cu còn có Ag, In và một số nguyên tố khác. Đồng được dùng trong công nghiệp điện: động cơ điện, dây dẫn điện…; tạo hợp kim đồng – kẽm (đồng thau chứa 55 – 99% Cu), hợp kim Cu – Sn gọi là đồng đen, đồng điếu để đúc chuông, đúc tượng. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Stanin Cu2FeSnS4 Stanin có thành phần hoá học: Sn – 27,61%; Cu – 29,58%.

Đôi khi có tạp chất Zn tới vài phần trăm. Ngoài ra còn có các tạp chất Sb, Cd, Pb, Ag. Stanin có cấu trúc giống cấu trúc của sphalerit, trong đó vị trí 4 nguyên tử kẽm được thay thế bằng nguyên tử Cu, Fe và Sn. Stanin dẫn điện tốt.

Khác quặng đồng xám bởi có ánh xanh tại những vết vỡ. Stanin có nguồn gốc nhiệt dịch, cộng sinh với casiterit, sphalerit, chalcopyrit, pyrotin và một số sulfua khác. Cùng với casiterit, stanin là nguồn thu hồi thiếc. Bornit Cu5FeS4 Bornit có hàm lượng Cu – 64%.

Quặng đồng có màu sặc sỡ. Trong thành phần đôi khi có tạp chất đồng hình như Ge, Se, Te. Có bốn biến thể đa hình. Cấu trúc biến thể đa hình lập phương nhiệt độ cao bền vững ở nhiệt độ trên 2280C, có dạng cấu trúc tương tự như cấu trúc ngược của flourit.

Đối với biến thể bốn phương nhiệt độ thấp, nguyên tử Fe có số phối trí 6, còn nguyên tử Cu có số phối trí 2. Biến thể ba phương được đặc trưng bởi số phối trí 4 của nguyên tử Fe và Cu trong các khối lớp [Cu3FeS4]2- được liên kết với nhau bởi cation Cu+ và có công thức Cu2[Cu3FeS4]. Những đặc điểm của cấu trúc đã giải thích tính đồng hình phổ biến của những biến thể nhiệt độ cao với chalcosin và biến thể ba phương với chalcopyrit. Những khoáng vật này thường có mặt ở dạng bao thể trong các sản phẩm phân huỷ dung dịch rắn.

Bornit có trong mạch nhiệt dịch, mỏ đa kim loại, có trong đới làm giàu quặng thứ sinh của mỏ sulfua, có trong cát kết chứa đồng. Enargit Cu3[AsS4] Enargit có thành phần hoá học: Cu – 48,3%; As – 19,1%; S – 32,6%. Thường chứa tạp chất Sb, Sc. Cấu trúc tinh thể của enargit tương tự cấu trúc của wurtzit: ở vị trí 3 nguyên tử Zn là ion Cu+ với số phối trí 4, vị trí thứ 4 là gốc anion [AsS4]3-.

Enargit có màu xám thép – đen sắt, giòn, dẫn điện kém, ánh nửa kim loại. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Enargit có nguồn gốc nhiệt dịch nhiệt độ trung bình và thấp. Thường cộng sinh với các sulfua đồng khác. Trong đới oxi hoá, enargit được thay thế bằng malachit, azurit và khoáng vật thứ sinh khác.

Tenantit Cu6+Cu62+As4S13 và tetrahedrit Cu6+Cu62+Sb4S13 Hai khoáng vật này là đại diện chủ yếu của quặng đồng xám. Thành phần chủ yếu của hai khoáng vật là Cu – 45,77%; Sb – 29,22%; S – 25,01% (tetrahedrit) và Cu – 51,57%; As – 20,26%; S – 28,17% (tenantit). Ngoài ra trong thành phần có tới 17% Ag (freibergit) đến 20% Ag (schwazit) tới 10% Zn và nguyên tố khác.