Trước đây, vermiculit phồng nở chủ yếu được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng nhẹ cách nhiệt, chịu nhiệt; chế tạo các vật liệu cách âm, tiêu âm; làm chất bôi trơn các chi tiết máy móc ở những noi có nhiệt độ cao, bôi trơn cho máy bay và các con tàu nguyên tử; làm chất độn cho sơn chịu nhiệt, chất dẻo và cao su chịu nhiệt, vỏ cáp chịu nhiệt...
Do có tính năng hấp phụ cao nên vermiculit phồng nở được sử dụng ngày càng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực. Trong nông nghiệp, vermiculit được dùng làm chất cải tạo đất; làm chất mang trong sản xuất phân bón, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, chế tạo nguyên liệu có tính năng hấp phụ, phục vụ các ngành công nghiệp và bảo vệ môi trường: dùng làm sạch nước sinh hoạt và nước thải công nghiệp, tách các kim loại độc hại như: U, As, Cd, Cr, Cu, Pb, Zn; khử mùi tách dầu hoặc các chất lỏng khác khỏi nước... 10 nước có sản lượng khai thác vermiculit hàng đầu thế giới là Ai Cập, Ấn Độ, Ôtxtrâylia, Braxin, Mỹ, Liên Bang Nga, Nam Phi, Trung Quốc, Zumbabuê. Theo thống kê của Cục Điều tra Địa chất Mỹ (2007), sản lượng khai thác vermiculit của 10 nước năm 2004 khoảng 510 nghìn tấn, năm 2005 khoảng 516 nghìn tấn và năm 2006 khoảng 513 nghìn tấn.
Trong những năm gần đây, Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản đã nghiên cứu, đánh giá tiềm năng khoáng sản vermiculit ở một số khu vực trên lãnh thổ Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy, tổng tiềm năng tài nguyên khoáng sản ver-miculit ở Việt Nam tính đến năm 2010 khoảng 8-8,5 triệu tấn. Trong đó, tài nguyên khoáng sản vermiculit vùng Ba Tơ khoảng 5 - 5,5 triệu tấn. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng vermiculit ở Việt Nam nói chung, vùng Ba Tơ nói riêng vào sản xuất công - nông nghiệp và xử lý môi trường là cần thiết.
Vermiculit phồng nở có độ rỗng lớn và có khả năng hấp phụ mạnh theo cả 3 phương thức: hấp phụ vật lý, hóa học và bằng cả hai phương thức vật lý và hóa học. Vì vậy, có thể sử dụng vermiculit phồng nở để làm chất hấp phụ các kim loại nặng, kim loại phóng xạ nói chung và các kim loại U, As, Cd, Cr, Cu, Pb, Zn nói riêng. Đó là những kim loại đang được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất công - nông nghiệp ở nước ta và đã gây ra những ảnh hưởng xấu tới môi trường, sức khỏe và cả tới tính mạng của nhân dân.
TỒN DƯ KIM LOẠI NẶNG TRONG MÔI TRƯỜNG
Các kim loại nặng này tồn dư trong môi trường do quá trình khai thác, chế biến và sử dụng, thậm chí ngay trong quá trình bảo quản. Chúng bị bay, rơi vãi xuống nước, xuống đất và phát tán trong không khí, gây ô nhiễm môi trường đất và nguồn nước mặt.
Từ đất, không khí và từ nguồn nước mặt, chúng bị rửa trôi hoặc ngấm xuống tầng nước ngầm, gây ô nhiễm môi trường nước ngầm.
Một số chất sẽ nằm lại trong tế bào thực vật. Khi cây cối bị phân hủy, sẽ phân rã ra môi trường đất nước và không khí.
Con đường di chuyển các kim loại U, As, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn cũng như của thuốc trừ sâu (DDT), thuốc diệt cỏ (2,4-D) nói riêng, của các hợp chất hóa học nói chung trong môi trường được mô tả theo Sơ đồ:
Khi các chất hóa học đi vào cơ thể con người, chúng sẽ được tích lũy chủ yếu trong mô mỡ, bị chuyển hóa, đi vào các bộ phận chức năng. Nhiều hóa chất, trong đó có U, As, Pb, DDT, 2.4D đã được xác định là có khả năng gây ung thư, đột biến gen.
Các chuyên gia của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã dự tính, mỗi năm trên thế giới có khoảng trên dưới 3 triệu người bị nhiễm độc các chất hóa học cấp tính nghiêm trọng và khoảng 1% trong số đó tử vong.
Ớ Việt Nam, tình hình cũng rất nghiêm trọng như hiện tượng ô nhiễm hóa chất chủ yếu là các kim loại ở khu vực Nhà máy hóa chất Lâm Thao; ô nhiễm các chất hóa học ở sông Thị Vải từ nguồn nước thải của Nhà máy sản xuất bột ngọt Vedan; ô nhiễm đất, nước và không khí ở các khu vực khai thác chế biến khoáng sản, đặc biệt là ô nhiễm các kim loại As, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn... tại các khu vực khai thác chế biến các khoáng sản Au, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn ở nước ta. Theo báo cáo của các địa phương 6 tháng đầu năm 1998, ở 29 địa phương có 3.517 trường họp với 156 ca tử vong. Trong số đó, chủ yếu bị ngộ độc các loại hóa chất và thuốc bảo vệ thực vật DDT, 2.4D.
CƠ CHẾ HẤP PHỤ CỦA VERMICULIT PHỒNG NỞ
Sự hấp phụ của một chất lên một chất khác diễn ra theo các cơ chế: Tương tác vật lý; Tương tác hóa học và tương tác vật lý và tương tác hóa học.
Sự hấp phụ theo các cơ chế tùy thuộc vào cấu trúc hóa học của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Quá trình hấp phụ chủ yếu xảy ra trên bề mặt hoạt hóa của chất hấp phụ. Bề mặt chất hấp phụ càng phát triển, dung lượng hấp phụ càng lớn. Ngoài ra, còn có một dạng hấp phụ chọn lọc khác liên quan đến kích thước phân tử của chất bị hấp phụ và lỗ trống (bore) của chất hấp phụ theo cơ chế rây phân tử. Các chất bị hấp phụ có kích thước nhỏ hơn lỗ trống của chất hấp phụ sẽ đi vào lớp trong và bị giữ lại bởi các tâm hoạt tính do tương tác vật lý hoặc hóa học, các chất có kích thước lớn hơn sẽ không “chui” vào được lỗ trống nên không bị giữ lại và đi theo dung môi rửa giải.
Lực hấp phụ vật lý yếu nên dễ đạt đến cân bằng hấp phụ và giải hấp phụ. Trong khi đó, trao đổi ion có lực tương tác mạnh hơn nên sau khi hấp phụ, chất bị hấp phụ khó bị giải hấp phụ hơn.
Để tăng khả năng hấp phụ ứng dụng được trong công nghệ xử lý hóa chất, bao gồm các kim loại As, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn, U... cần phải sử dụng các chất hấp phụ phân cực. Đa số các khoáng chất tự nhiên có liên kết Si-O-H trong cấu trúc, là những liên kết thường làm tăng độ phân cực của chất hấp phụ nên làm giảm khả năng tương tác. Để tăng khả năng hấp phụ có thể thực hiện bằng phương pháp: Nhiệt để phá vỡ liên kết SiO.H2O để hoạt hóa các tâm hấp phụ và phân tử H2O nhường chỗ cho các chất hấp phụ khác; Trao đổi một phần liên kết (-O-H) bằng nhóm thế hidrocacbon no mạch nhánh (-O-R), thí dụ octadesil C18 để giảm độ phân cực bề mặt của chất hấp phụ; Mở rộng lỗ rỗng “bore” của chất hấp phụ để các chất bị hấp phụ có khả năng đi vào bên trong chất hấp phụ bằng kỹ thuật nhiệt hoặc bằng phương pháp thay thế các ion trong khung cấu trúc của khoáng chất.
Tuy nhiên, việc thay thế bằng nhóm thế (-R) đòi hỏi có công nghệ cao nên trong thực tế người ta hay sử dụng phương pháp nhiệt để biến đổi cấu trúc của chất hấp phụ. Khi sử dụng phương pháp nhiệt một mặt đuổi các phân tử H2O trên bề mặt chất hấp phụ để hình thành các tâm hoạt tính, một mặt có khả năng mở rộng cửa của chất hấp phụ đối với các chất hấp phụ cấu trúc dạng lớp.
Khoáng vermeculit có cấu trúc tinh thể dạng lớp được đặc trưng bằng lớp ion (Mg, Fe) nằm ở bát diện trung tâm, giữa chúng là lớp tứ diện (Si,Al)O4 và lớp phân tử nước liên kết cấu trúc. Khi gia nhiệt nó phồng nở do liên kết (Mg-) nên vermeculit bị thay đổi do giãn nở ô mạng tinh thể theo phương trục (C-) phương vuông góc với mặt {001}, do áp lực của nước lớp giữa được giải phóng tác động lên họ mặt mạng {001}. Sự giãn nở kèm theo lóp nước cấu tạo được giải phóng đã tạo ra các khoảng trống có kích thước khá lớn trong vermiculit phồng nở. Theo đó, vermiculit phồng nở có cấu trúc xốp được tạo bởi tập hợp của vô số mao quản nhỏ liên thông nhau, sẽ có khả năng hấp phụ rất mạnh các kim loại As, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn, U cơ chế tương tác vật lý - hóa học.
KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA VERMICULIT PHỒNG NỞ VÙNG BA TƠ
Vermiculit phồng nở vùng Ba Tơ có độ xốp khá lớn, được tạo bởi vô số mao quản nhỏ có kích thước thay đổi từ 1µm – 100 µm (ảnh 1, ảnh 2). Với cấu trúc như vậy, vermiculit phồng nở vùng Ba Tơ sẽ có khả năng hấp phụ mạnh theo các phương thức hấp phụ vật lý, hóa học và hấp phụ chọn lọc đối với các kim loại As, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn, U... và với cả các hợp chất có cấu trúc cồng kềnh như các loại chất hữu cơ độc hại thuộc nhóm pyrethoids.
Kết quả phân tích đánh giá độ hấp phụ u, As, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn trong môi trường nước của vermiculit phồng nở vùng Ba Tơ được thống kê trên bảng 1 và bảng 2.
Kết quả phân tích độ hấp phụ kim loại của vermiculit phồng nở cho thấy: Ở Ba Tơ có tính năng hấp phụ cao đối với As, Cd, Zn, hấp phụ không ổn định đối với Cr, Cu, Mn và không có khả năng hấp phụ Pb, trong đó, khu vực Nước Oai - Xã Canh có khả năng hấp phụ tốt đến rất tốt đối với As, Cd, Zn, có khả năng hấp phụ tốt Cr, Cu, Mn nhưng không ổn định, không có khả năng hấp phụ Pb; Khu vực Nước Xiêng -Nước Như có khả năng hấp phụ tốt đều rất tốt đối với As, Cd, Zn, có khả năng hấp phụ Cr, Cu, Mn, nhưng không ổn định, không có khả năng hấp phụ Pb; Khu vực Đèo Viholak có khả năng hấp phụ tốt đối với As, Cd, Zn, không có khả năng hấp phụ Cr, Cu, Mn, Pb.
Từ kết quả trên cho thấy, vermiculit phồng nở ở Ba Tơ có thể sử dụng để làm sạch môi trường nước ô nhiễm các lòm loại U, As, Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn, cụ thể: Vermiculit phồng nở khu vực Nước Oai - Xã Canh và Nước Xiềng - Nước Như có thể sử dụng để xử lý nước ô nhiễm các kim loại u, As, Cd, Zn, Cr, Cu, Mn; Vermiculit phồng nở khu vực Đèo Viholak có thể sử dụng để xử lý nước ô nhiễm các kim loại U, As, Cd, Zn.
Về lý thuyết, vermiculit phồng nở vùng Ba Tơ có khả năng hấp phụ mạnh các hóa chất độc hại vô cơ và hữu cơ. Tính chất này của vermiculit đã được các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản... nghiên cứu, sử dụng có hiệu quả trong sản xuất công - nông nghiệp và xử lý bảo vệ môi trường. Vì vậy, cần đầu tư nghiên cứu tính chất công nghệ của các loại vermiculit ở Ba Tơ nói riêng, trên toàn lãnh thổ nước ta nói chung để nguồn tài nguyên quý giá này sớm được sử dụng phục vụ phát triển bền kinh tế - xã hội của đất nước.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Trần Ngọc Thái và nnk, 2004. Báo cáo: "Nghiên cứu triền vọng và khả năng sử dụng vermiculit trên một số diện tích thuộc đói Sông Hồng và đới Phan Si Pan". Lưu trữ Viện Nghiên cứu Địa chất và Khoáng sản, Hà Nội.
[2]. Trần Ngọc Thái và nnk, 2005. Chất lượng và khả năng sử dụng vermỉculit ở đới Sông Hồng và đới Phansipan. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị khoa học địa chất kỷ niệm 60 năm thành lập ngành Địa chất Việt Nam, Cục Địa chất và Khoáng sản, Hà Nội.
[3]. Trần Ngọc Thái và nnk, 2010. Báo cáo: “Nghiên cứu triền vọng vermiculit vùng Ba Tơ, tỉnh Quảng Ngãi”. Lưu trữ Viện Nghiên cứu Địa chất và Khoáng sản, Hà Nội.
[4]. Philip R.S, 1975. "Vermiculỉt", Industrial Minerals andRocks, pp. 1219 -1226. New York.
Trần Ngọc Tài
Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản
Chuyên đề bảo vệ môi trường trong khai thác khoáng sản