MỞ ĐẦU Việt nam là quốc gia có tiềm năng về khai thác khoáng sản với khoảng 5000 mỏ quặng và 60 loại khoáng sản khác nhau. Tuy nhiên, việc khai thác còn nhiều bất cập do trình độ quản lý, ý thức con ngƣời, công nghệ khai thác non kém và lạc hậu nên đã để lại những hệ lụy xấu cho môi trƣờng. Đa số các mỏ khai thác hiện nay là bán thủ công, chỉ lấy các phần quặng giàu, bỏ đi toàn bộ các phần quặng nghèo và khoáng sản đi cùng. Đây là nguyên nhân chính làm ô nhiễm nghiêm trọng môi trƣờng tự nhiên và hệ sinh thái, mà điển hình là khu vực quanh bãi chứa đất đá thải và quặng đuôi- một lƣợng chất thải rắn khổng lồ đã mang theo nhiều các kim loại nặng (KLN), dòng thải lỏng mang tính axit và các tác nhân hóa học thải vào môi trƣờng.
Trong các KLN, chỉ có một số nguyên tố là cần thiết cho các sinh vật ở một ngƣỡng nồng độ tới hạn nào đấy nhƣ Cu, Zn, Mn, Mo…; còn đa số với đặc tính bền vững trong môi trƣờng đều có khả năng gây độc ở liều lƣợng thấp và tích lũy lâu dài trong chuỗi thức ăn. Tuy nhiên khả năng gây độc của các KLN hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái tồn tại của chúng. Nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ Đức, Anh, Pháp đã thành lập các bản đồ địa hóa các nguyên tố độc hại trên diện tích đã khai thác mỏ, có tập trung đông dân, chăn nuôi và trồng trọt hoa màu, cây ăn quả. Ở Việt Nam các nghiên cứu về vấn đề này hầu nhƣ chƣa có, nhƣng bằng chứng về các tác động xấu tới sức khỏe con ngƣời, hủy diệt và làm suy thoái hệ sinh thái khu vực thì quá nhiều.
Một trong những điểm “ nóng ” về ô nhiễm môi trƣờng do khai thác quặng là sự kiện “làng ung thƣ Thạch Sơn” (Giáp lai, Thanh Sơn, Phú Thọ) [6,15]. Ngoài tác động đến sức khỏe con ngƣời do ô nhiễm từ khai thác và chế biến khoáng sản, còn phát hiện thấy sự tồn lƣu của các KLN trong sản phẩm chè trồng tại vùng mỏ thiếc huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên [16],. Môi trƣờng nhiều điểm nhƣ mỏ kẽm, chì Làng Hích (Thái Nguyên), mỏ đồng Sinh Quyền (Lào Cai), khai trƣờng của các nhà máy xi măng Bút Sơn, Bỉm Sơn, Tam Điệp đều bị ô nhiễm nặng nề. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nồng độ các KLN nhƣ đồng, chì, kẽm, sắt… trong các nguồn nƣớc tiếp nhận ở xung quanh nhiều điểm mỏ đều cao hơn mức cho phép nhiều lần (từ 1,5 đến 7 lần) [1].
Ngoài ra, một số khu vực có khả năng hình thành dòng thải axit mỏ trong khai thác quặng sunfua do chất độc tồn dƣ trong quặng thải [5]. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu khả năng giải phóng một số kim loại nặng từ các bãi thải, quặng đuôi nghèo pyrit (FeS2)” đã đƣợc lựa chọn nhằm mục đích: - Nghiên cứu khả năng phong hóa giải phóng KLN từ quặng đuôi nghèo FeS2 ra môi trƣờng trong điều kiện ngập nƣớc và xung (thấm từng đợt) nƣớc. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phong hóa và các quá trình tƣơng tác biến đổi cũng nhƣ chuyển hóa các sản phẩm sau phong hóa. Trên cơ sở đó đề xuất biện pháp quản lý để giảm thiểu tác động của việc khai thác khoáng đến môi trƣờng, hệ sinh thái nói chung và sức khỏe con ngƣời nói riêng.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1. Khoáng vật sunfua 1. Đặc điểm chung các khoáng vật sunfua [12] Hiện nay, số lƣợng các khoáng vật sunfua và các hợp chất tƣơng tự đƣợc tìm thấy lên tới 350 loại. Theo tính toán của Vernadsky, chúng chiếm 0,15% trọng lƣợng toàn bộ vỏ Trái đất.
Các kim loại đặc trƣng trong khoáng sunfua là Fe, Cu, Pb, Zn, Sb, Ag, Bi, Co, Ni, trong đó Fe thƣờng chiếm tỷ trọng lớn. Một số các kim loại trong sunfua thƣờng có số phối trí là 6, nhƣ Fe trong khoáng vật pyrotin Fe1-nS; một số khác có số phối trí 3 nhƣ Pb trong galenit PbS hay As, Sb, Bi cũng thƣờng có số phối trí 3; Hg, Cu, Ag có số phối trí 4, đôi khi có số phối trí 2 (trong trƣờng hợp này sẽ tạo nên mạch xoắn). Trong sunfua tồn tại liên kết cộng hoá trị - phân tử, các nguyên tố thƣờng có cùng số phối trí, ví dụ trong realgar (As4S4) Sunfua có thể là những hợp chất đơn giản, nhƣng cũng có thể tạo thành hợp chất kép hoặc những hợp chất chứa nhiều nguyên tố khác nhau gọi là sulfo – muối nhƣ một số khoáng vật sunfua dƣới đây: Sunfua kép Sulfo – muối Covelin Cu2S.CuS2 Pyrargyrit Ag3SbS3 Chalcopyrit Cu2S.Fe2S3 Burnonit PbCuSbS3 Trong một số sunfua, lƣu huỳnh bị mất đi khi nung nóng nhƣ pyrit (FeS2), arsenopyrit (FeAsS). Vernadsky coi những khoáng vật này là các hợp chất của H2S2.
Đa số khoáng vật sunfua 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 sunfua thƣờng có dạng tinh thể đẹp, đặc biệt là sunfua và disunfua của sắt, niken, coban, kẽm và chì. Các loại sulfo - muối và sunfua của nguyên tố bán kim loại thƣờng có dạng tập hợp hạt, sợi, vảy. Các sunfua thƣờng gặp đa phần là các loại song tinh đa hợp, liên tinh song song, liên tinh của các khoáng vật khác nhau nhƣ liên tinh của pyrit – marcasit, tetrahedrit – sphalerit, tetrahedrit – chalcopyrit.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hầu hết khoáng vật sunfua có màu và đó là đặc điểm để xác định khoáng vật. Các sunfua coban, niken (ít Fe) có màu trắng bạc hoặc xám trắng. Sunfua sắt (ít Cu) có màu vàng. Sunfua bạc, chì có màu xám chì.
Sunfua thuỷ ngân có màu đỏ đặc trƣng. Trong thành phần khoáng vật sunfua nếu có Cu2+ thì có màu xanh, tím đỏ… Khoáng vật sunfua thƣờng không trong suốt. Tuy nhiên vẫn có khoáng vật trong suốt, nhƣng chiếm lƣợng không đáng kể nhƣ sphelarit, cinabar, realgar, auripigment… Đa số khoáng vật sunfua có liên kết cộng hoá trị – kim loại có ánh kim, tính dẫn điện cao, có tính bán dẫn. Sunfua có cấu trúc lớp, cấu trúc dải có độ cứng thấp từ 1 – 2,5.
Sunfua đơn với cấu trúc phối trí có độ cứng trung bình từ 2 – 4. Còn disunfua và hợp chất tƣơng tự có độ cứng từ 6 – 6,5. Sunfua 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 cƣơng, 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 sunfua của arsen.
Sunfua chủ yếu có nguồn gốc nhiệt dịch. Điều này chứng tỏ các KLN đƣợc di chuyển dƣới dạng các chất bốc. Khi nhiệt độ và áp suất hạ thấp thì chúng tạo nên nhiệt dịch từ đó kết tinh sunfua. Thực nghiệm đã chứng minh các KLN di chuyển dƣới dạng hợp chất phức tạp với Cl, F, Br… Ngoài ra, sunfua còn đƣợc thành tạo trong quá trình magma, đôi khi trong điều kiện ngoại sinh, trong đới làm giàu sunfua thứ sinh và trong trầm tích.
Sunfua còn có mặt trong thiên thạch và đá Mặt Trăng. Trong điều kiện trên mặt đất, sunfua và các hợp chất tƣơng tự của chúng không bền vững và dễ bị phá huỷ. Quặng pyrit sắt 1. Giới thiệu Pyrit hay pyrit sắt là khoáng vật disunfua sắt với công thức hóa học FeS2.
pyrit là khoáng vật phổ biến nhất trong các khoáng vật sunfua và thƣờng có mwatj nhiều trong các khoáng vật sunfua. Pyrit có ánh kim và sắc vàng đồng từ 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nhạt tới thông thƣờng của khoáng vật này đã tạo nên tên hiệu riêng của nó là “vàng của kẻ ngốc” do nó trông tƣơng tự nhƣ vàng. Pyrit là khoáng vật phổ biến nhất trong các khoáng vật sulfua. Tên gọi pyrit bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp πσρίτης (puritēs) nghĩa là “của lửa” hay "trong lửa”, từ πύρ (pur) nghĩa là “lửa”.
Tên gọi này có lẽ là do các tia lửa đƣợc tạo ra khi pyrit va đập vào thép hay đá lửa. Tính chất này làm cho pyrit trở thành phổ biến trong sử dụng để làm cơ chế đánh lửa bằng bánh xe trong các dạng súng cổ. Pyrit đƣợc tạo thành trong các quá trình địa chất khác nhau: magma, nhiệt dịch, trầm tích, biến chất. Trong đới oxy hóa, pyrit không bền vững, biến đổi thành limonit.
Trong trƣờng hợp này, lƣu huỳnh tham gia vào sự tạo thành thạch cao và các sulfua. Thƣờng hay gặp giả hình của limonit theo pyrit. Những mũ sắt của những mỏ quặng thƣờng đƣợc tạo thành do phá hủy sulfua, chủ yếu là pyrit. Pyrit thông thƣờng đƣợc tìm thấy ở dạng gắn liền với các sulfua hay ôxít khác trong các mạch thạch anh, đá trầm tích, đá biến chất cũng nhƣ trong các tầng than, và trong vai trò của khoáng vật thay thế trong các hóa thạch.
Mặc dù có tên hiệu là “vàng của kẻ ngốc”, nhƣng một lƣợng nhỏ vàng đôi khi cũng đƣợc tìm thấy trong quặng chứa khoáng vật này. Vàng và asen xuất hiện nhƣ là sự thay thế đi kèm nhau trong cấu trúc pyrit. Tại khu trầm tích vàng ở Carlin, Nevada, pyrit asen chứa tới 0,37 % theo trọng lƣợng là vàng [4]. Pyrit chứa vàng là loại quặng vàng có giá trị.
Trong thực tế, pyrit hay bị nhầm lẫn với khoáng vật marcasit (mà tên gọi của nó có nguồn gốc từ tiếng Ả Rập để chỉ pyrit), do các đặc trƣng tƣơng tự của chúng. Marcasit là dạng đa hình của pyrit, nghĩa là nó có cùng một công thức nhƣ pyrit nhƣng khác về cấu trúc và vì thế khác biệt về hình dáng tinh thể và tính đối xứng. Tuy nhiên, trạng thái ôxi hóa hình thức là giống nhƣ trong pyrit do các nguyên tử lƣu huỳnh xuất hiện trong các cặp tƣơng tự nhƣ persulfua [7]. Marcasit/pyrit có lẽ là cặp đa hình phổ biến bậc nhất chỉ sau cặp kim cƣơng/graphit (than chì).
Bề ngoài của marcasit có ánh bạc nhiều hơn pyrit một chút. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Pyrit thông thƣờng cũng đƣợc dùng trong nghề kim hoàn mỹ nghệ để làm các chuỗi hạt hay vòng đeo tay [các viên đá nhỏ đƣợc đánh bóng và tạo mặt, đƣợc dát vào bạc thật (100%) hay bạc sterling (chứa 92,5% bạc và 7,5% kim loại khác)]. Thành phần hóa học, cấu trúc và đặc tính vật lý Thành phần hóa học của pyrit có thể dao động, nhƣng thông thƣờng là: Fe – 46,6%; S – 53,4%.