SỰ PHÂN BỐ CỦA ARSEN VÔ CƠ TRONG TRẦM TÍCH

SỰ PHÂN BỐ CỦA ARSEN VÔ CƠ (As³⁺, As⁵⁺) TRONG TRẦM TÍCH

1. Giới thiệu tổng quan
   • Nguồn gốc và các dạng tồn tại của arsen trong trầm tích

Arsen phân bố rộng rãi trong các môi trường đất, nước, không khí. Trong tự nhiên, arsen tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất với O, Cl, S, … trong các khoáng vật như khoáng sắt, đá vôi, muối mỏ: regal As₄S₄, opriment As₂S₃, arsenopyrite FeAsS, cobaltite CoAsS,… hay liên kết với các khoáng goethite FeO(OH), ferrihydrite (Fe³⁺)₂O₃, hematite Fe₂O₃.

Arsen phát thải vào môi trường thông quá các quá trình tự nhiên và hoạt động của con người. Các hoạt động luyện kim, khai thác khoáng sản, các ngành nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hóa thạch như: công nghiệp xi măng, nhiệt điện, đốt chất thải rắn là nguồn phát thải arsen gây ô nhiễm môi trường không khí, nước, đất. Bên cạnh đó, các quá trình tự nhiên như địa chất, địa hóa, sinh địa hóa, … đã làm cho As nguyên sinh có mặt trong một số thành phần kiến tạo địa chất (các phân vị địa tầng, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sulfur chứa As) tiếp tục phân tán tập trung gây ô nhiễm môi trường.

Sau khi phát tán vào môi trường arsen thường tồn tại ở dạng arsenite As (III), arsenate As (V), dimethylarsious (DMA), monomethylarsonous (MMA), arsenobetaine (AB), …. Các dạng này có thể chuyển hóa qua lại lẫn nhau hay phân bố khác nhau tùy thuộc vào các điều kiện như pH, thế oxi hóa khử, các phản ứng hóa học. Các hợp chất trong tự nhiên được chia thành hai nhóm chính là vô cơ và hữu cơ. Các hợp chất arsen vô cơ có độc tính cao hơn các hợp chất arsen hữu cơ.

Trong trầm tích, arsen thường tồn tại ở dạng arsen vô cơ, một số ít có thể tồn tại ở dạng hữu cơ. Dưới điều kiện oxy hóa và môi trường yếm khí, As (V) là dạng tồn tại chủ yếu liên kết với các hạt khoáng sắt, mangan oxide/hydroxide/oxyhydroxide

. Ở điều kiện kị khí và khử, As (III) là dạng tồn tại chính, linh động hơn. Khi có mặt các vi sinh vật, có thể xảy ra quá trình methyl hóa làm chuyển đổi qua lại giữa các dạng arsen hữu cơ và arsen vô cơ.

Hình 1: Sơ đồ methyl hóa arsen bằng vi khuẩn

• Các yếu tố ảnh hưởng đến các dạng tồn tại của arsen trong trầm tích

Chu trình sinh hóa của arsen trong môi trường trầm tích rất phức tạp do sự xuất hiện của nhiều chất hữu cơ và các hợp chất arsen vô cơ liên quan đến các quá trình khác nhau bao gồm:

• Các quá trình hóa học: oxi hóa – khử; kết tủa, hòa tan, sự hấp phụ giải hấp.
• Các quá trình sinh học: thực vật phù du, hoạt động của các vi sinh vật đáy, sự tích lũy sinh học.

Do đó sự thay đổi các yếu tố về pH, độ mặn, TOC, điều kiện oxi hóa khử trong môi trường trầm tích làm ảnh hưởng đến khả năng tích lũy và giải phóng cũng như sự chuyển hóa giữa các dạng tồn tại khác nhau của arsen trong môi trường.

pH: pH ảnh hưởng đến dạng tồn tại của các kim loại trong môi trường. Trong trầm tích, sắt và mangan tồn tại ở dạng oxide, hydroxide hoặc dạng Fe-Mn kết hợp, chúng có ái lực mạnh với arsen. Khi pH giảm, làm tăng khả năng hòa tan các oxyhydroxide này, giúp giải phòng hàm lượng arsen tự do vào môi trường

Độ mặn: độ mặn ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ kim loại trong trầm tích. Khi độ mặn tăng sẽ làm giảm khả năng hấp phụ kim loại, với hàm lượng muối cao có chưa nhiều cation Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ … dẫn đến sự cạnh tranh hấp phụ các kim loại trên bề mặt trầm tích.

Thế oxi hóa khử: trong trầm tích rừng ngập mặn, điều kiện oxi hóa khử phụ thuộc vào khối lượng và khả năng phản ứng của các hợp chất hữu cơ, kích thước hạt trầm tích, hoạt động của vi sinh vật, tuổi thọ của rừng, các hoạt động sinh lý của rễ cây và mức độ ngập nước của trầm tích.

Thế oxi hóa khử là yếu tố quan trọng quyết định các quá trình oxy hóa xảy ra trong trầm tích, khi giá trị Eh thay đổi sẽ ảnh hưởng đến liên kết của kim loại với các dạng hóa học của lưu huỳnh [14,10]. Các dạng lưu huỳnh và các hoạt động của vi khuẩn ảnh hưởng đến quá trình khử As (V) thành As (III) [10]. Dưới điều kiện khử, arsen hấp phụ vào các dạng hợp chất của sắt/pyrite tạo thành FeAsS, kết tủa Mn₃(AsO₄)₂ và các hợp chất arsen sulfides (AsS, As₂S₃)

TOC (total organic carbon): các chất hữu cơ trong trầm tích có nguồn gốc rất đa dạng như rác thải của hệ sinh thái rừng ngập mặn (lá, rễ cây, xác các loài sinh vật) bị phân hủy và tồn tại trong trầm tích, quá trình lắng đọng của các chất hữu cơ có nguồn gốc từ nội địa và biển mang vào, sa lắng và tích tụ trong trầm tích. Thông thường thành phần hữu cơ trong trầm tích là acid humic và acid fulvic, chính sự tạo phức của kim loại với các chất trên là yếu tố quyết định đến khả năng linh động của kim loại trong trầm tích, do phản ứng của kim loại với các hợp chất hữu cơ trong trầm tích rất đa dạng và khó dự đoán. Sự hiện diện của carbon hữu cơ có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ arsen như carbon hữu cơ làm giảm các vị trí hấp phụ và tạo phức với arsen. Carbon hữu cơ thúc đẩy các điều kiện khử, được cho là có khả năng làm giảm hàm lượng arsen trong trầm tích.