MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề được xã hội hết sức quan tâm, bởi quá trình ô nhiễm ngày càng phức tạp và nghiêm trọng, từ các vấn đề về ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước hay ô nhiễm đất. Trong đó ô nhiễm đất ngày càng diễn biến tiêu cực và đe dọa đến chất lượng cuộc sống và sức khỏe của người dân. Một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường đất, chính là sự hoạt động của các khu công nghiệp khai thác mỏ. Những năm gần đây, ngành công nghiệp khai khoáng đã phát triển mạnh mẽ.
Nhưng trong quá trình khai thác, các chất thải sinh ra đã phá vỡ cân bằng sinh thái, làm thay đổi môi trương xung quanh, gây ô nhiễm nặng đối với môi trường đất, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng. Trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên có rất nhiều khu vực khai thác khoáng sản. Trong quá trình khai thác, các đơn vị đã thải ra một khối lượng lớn đất đá thải, làm thu hẹp và suy giảm diện tích đất canh tác, điển hình là các bãi thải tại mỏ sắt Trại Cau, mỏ than Khánh Hòa, mỏ than Phấn Mễ… Nhiều mẫu đất tại các khu vực khai khoáng đều có biểu hiện ô nhiễm kim loại nặng, một số mẫu gần khu sinh sống của dân cư cũng đang bị ô nhiễm. Hiện nay, việc đánh giá mức độ ô nhiễm của các kim loại trong các môi trường đất và trầm tích, ngoài việc đánh giá dựa vào hàm lượng tổng sổ của các kim loại nặng [1], [2], các nhà khoa học còn dựa vào hàm lượng dạng hóa học của các kim loại để đảm bảo việc đánh giá một cách đầy đủ, chính xác và toàn diện nhất [3].
Đã có nhiều công trình khoa học ở trong nước [4]–[6] và ngoài nước [7]–[10] phân tích dạng hoá học của các kim loại trong đất và trầm tích dựa trên các phương pháp chiết khác nhau để từ đó có thể đánh giá chính xác mức độ ô nhiễm của các kim loại trong đất, trầm tích nói chung và đất ở các khu vực khai thác quặng nói riêng. Nguyên tố đồng là một kim loại nặng cần thiết cho cơ thể động thực vật và con người. Tuy nhiên khi hàm lượng đồng trong đất cao vượt quá ngưỡng cho phép sẽ có nguy cơ gây ngộ độc cho cây trồng như làm chậm sự phát triển, thậm chí ngừng phát triển và làm cho cây trồng bị héo úa trầm trọng. Vì vậy, để phân tích đánh giá mức độ ô nhiễm của kim loại Cu trong các mẫu đất và trầm tích ở khu vực khai thác quặng ở Thái Nguyên, tôi chọn đề tài: “Phân tích dạng hoá học của kim loại đồng (Cu) trong đất ở khu vực khai thác quặng Pb-Zn làng Hích, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên” 1 Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu áp dụng quy trình chiết phù hợp để xác định hàm lượng tổng và hàm lượng các dạng liên kết Cu trong các mẫu đất thuộc khu vực bãi thải của mỏ Pb/Zn, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên; trong các mẫu đất nông nghiệp gần khu vực bãi thải; trong các mẫu trầm tích suối và mẫu đất ruộng cạnh suối của khu vực khai thác quặng để đánh giá mức độ ô nhiễm của kim loại Cu trong đất cũng như tìm ra các dạng liên kết chủ yếu của đồng trong các mẫu đất nghiên cứu.
- Đánh giá xu hướng phân bố hàm lượng tổng, hàm lượng dạng liên kết của kim loại Cu theo các vị trí lấy mẫu đất và trầm tích ở khu vực khai thác mỏ Pb/Zn, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên. - Đánh giá mức độ ô nhiễm của kim loại Cu trong các mẫu khảo sát theo một số chỉ số và tiêu chuẩn chất lượng đất. Nội dung nghiên cứu: - Lựa chọn các điều kiện đo phổ ICP-MS của Cu. Xây dựng đường chuẩn, xác định LOD, LOQ để xác định hàm lượng của Cu bằng phương pháp ICP-MS.
- Nghiên cứu áp dụng quy trình phân tích hàm lượng tổng và dạng liên kết phù hợp. Khảo sát độ thu hồi của quy trình phân tích hàm lượng tổng số của đồng bằng mẫu chuẩn Mess_4 - Áp dụng quy trình xác định hàm lượng tổng và hàm lượng các dạng trao đổi (F1), dạng liên kết với cacbonat (F2), dạng liên kết với Fe-Mn oxit (F3), dạng liên kết với hữu cơ (F4), dạng cặn dư (F5) của Cu trong các mẫu đất và trầm tích. - Đánh giá sự phân bố hàm lượng tổng và hàm lượng các dạng liên kết của Cu theo vị trí của các mẫu đất và trầm tích. - Đánh giá mức độ ô nhiễm của kim loại đồng theo các chỉ số ô nhiễm và các tiêu chuẩn chất lượng đất và trầm tích.
Kim loại nặng và tác hại của chúng Thuật ngữ “kim loại nặng” được từ điển hóa học định nghĩa là các kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5. Đối với các nhà độc tố học, thuật ngữ “kim loại nặng” chủ yếu dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề môi trường bao gồm: Cu, Zn, Pb, Hg, Ni, Mn, Cr, Fe, Mn, Ti, Fe, Ag, Sn. Các kim loại nặng là tác nhân ô nhiễm nguy hiểm đối với hệ sinh thái đất, chuỗi thức ăn và con người [9]. Những kim loại nặng có độc tính cao, nguy hiểm là thủy ngân (Hg), Cadimi (Cd), chì (Pb), niken (Ni); các kim loại có độc tính mạnh là Asen (As), crom (Cr), mangan (Mn), kẽm (Zn) và thiếc (Sn).
Khi các kim loại nặng xâm nhập vào môi trường sẽ làm biến đổi điều kiện sống, tồn tại của sinh vật sống trong môi trường đó. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép [11]. Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, KLN có nguồn gốc phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau. Đặc biệt, sự phát thải các KLN vào môi trường do con người (khai khoáng, công nghiệp, nông nghiệp.) lớn hơn rất nhiều so với hoạt động của các quá trình tự nhiên (núi lửa, động đất, sạt lở.), đặc biệt là Pb, Zn, Cu.
Ô nhiễm kim loại nặng do hoạt động sản xuất nông nghiệp Trong quá trình sản xuất nông nghiệp, con người đã sử dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật có chứa As, Pb, Hg hay các loại phân bón hóa học có chứa Cd, Pb, nên đã làm tăng đáng kể các nguyên tố KLN trong đất. Các loại bùn, nước thải cũng là nguồn có chứa nhiều các KLN khác như Hg, Zn, As, Pb. Hàm lượng các KLN này sẽ tăng lên trong đất theo thời gian 1. Ô nhiễm kim loại nặng do công nghiệp Ngày nay theo xu hướng công nghiệp hóa đất nước, các ngành công nghiệp phát triển mạnh mẽ, vấn đề ô nhiễm ngày càng trở nên nghiêm trọng.
Nguồn phát tán các KLN trước hết phải kể đến sản xuất công nghiệp, đặc biệt là ngành khai khoáng tạo ra nguồn thải là Pb, Hg, Zn.và chúng là nguyên nhân của sự tích tụ quá mức hàm lượng KLN trong đất và nước. Ô nhiễm KLN do chất thải làng nghề Hiện nay, ở Việt Nam, vấn đề ô nhiễm môi trường đất và nước xảy ra khá nghiêm trọng ở các làng nghề đặc biệt là các làng nghề tái chế kim loại. Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, thì hàm lượng KLN trong nước thải của các làng nghề tái chế kim loại hầu hết đều cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, và đều thải trực tiếp vào môi trường mà không qua xử lý 1. Tính chất và tác hại của đồng Đồng hiện diện tự nhiên trong lớp vỏ trái đất với hàm lượng trung bình khoảng 60 mg/kg và dao động trong khoảng từ 6- 80 ppm [3].
Nguồn tích lũy của kim loại đồng trong tự nhiên đến từ 2 nguồn là nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo. Đồng được tìm thấy tự nhiên trong các khoáng như cuprite (Cu2O), malachite (CuCO3.Cu(OH)2), azurite (2CuCO3.Cu(OH)2), chalcopyrite (CuFeS2), chalcocite (Cu2S), và bornite (Cu5FeS4) và trong nhiều hợp chất hữu cơ. Ion đồng (II) gắn kết qua ôxy đối với các tác nhân vô cơ như H2O, OH-, CO32-, SO42-,.đối với các tác nhân hữu cơ qua các nhóm như phenolic và carboxylic. Vì vậy hầu hết đồng trong tự nhiên phức hợp với các hợp chất hữu cơ.
Trong đá nham thạch đồng biến động từ 4-200 mg/kg, trong đá trầm tích 2-90 mg/kg. Sự khuếch tán đồng từ các nguồn tự nhiên trung bình trên khắp thế giới hàng năm từ bụi được mang từ gió 0,9-15 × 10 3 tấn, cháy rừng 0,1-7,5 × 103 tấn, hoạt động núi lửa 0,9-18 × 103 tấn [3]. Nguồn tích lũy nhân tạo đồng vào trầm tích xuất phát chủ yếu từ các hoạt động sản xuất đặc biệt là từ các ngành công nghiệp luyện kim và mạ điện. Theo một số nghiên cứu, hàm lượng kim loại đồng trong nước thải của các nhà máy mạ điện có thể lên đến 200 ppm.
Đồng cũng là một trong số kim loại có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: chế tạo dây dẫn điện, các hợp kim có độ chống mài mòn cao, chế tạo sơn, thuốc trừ sâu… Tác hại của đồng đối với sức khoẻ của con người: Đồng là một nguyên tố thiết yếu đối với cơ thể động thực vật và con người. Đối với cơ thể con người, đồng cần thiết cho các quá trình chuyến hóa sắt, lipit và rất cần thiết cho hoạt động của hệ thần kinh, hệ miễn dịch., tuy nhiên sự tích tụ đồng với hàm lượng cao có thể gây độc cho cơ thể. Đồng thực sự là tác nhân độc hại đối với các bệnh nhân Wilson và khám phá rằng gan và não của những bệnh nhân này có chứa hàm lượng kim loại này rất cao. Như vậy, khi cơ thể chúng ta tích tụ đồng với một lượng lớn sẽ gây nguy hiểm.
Khi hàm lượng đồng trong cơ thể người từ 60 – 100 mg/kg thể trọng có thể gây ra tình trạng nôn mửa. Khi hàm 4 lượng là 10 g/kg thể trọng có thể gây tử vong. Nồng độ đồng giới hạn trong nước uống đối với con người là 2 mg/lit [3]. Dạng kim loại và các phương pháp chiết dạng kim loại nặng trong đất và trầm tích 1.
Khái niệm về phân tích dạng Trong đất có chứa nhiều thành phần, nguyên tố có hại, trong số đó có các kim loại nặng. Các kim loại có thể tồn tại dưới các dạng hóa học khác nhau, nhưng các dạng có khả năng tích lũy sinh học được quan tâm nhiều hơn. Trong thực tế, độ linh động và hoạt tính sinh học cũng như khả năng tích lũy sinh học của kim loại phụ thuộc vào dạng tồn tại bao gồm dạng hóa học (trạng thái oxi hóa, điện tích, trạng thái hóa trị và liên kết) và dạng vật lí (trạng thái vật lí, kích thước hạt.