Hoá học môi trường - C4.pdf

ĐỊA QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT
4.1. Khái niệm về đất
Đất là một lớp mỏng khoáng vật trên bề mặt Trái đất đã bị phong hóa kết hợp với
thành phần hữu cơ. Thực vật phát triển trên đất, vì vậy đất là một trong những yếu tố căn bản
đối với nông nghiệp. Với con người và hầu hết các sinh vật trên cạn, đất là thành phần tối
quan trọng của địa quyển. Mặc dù chỉ là một lớp rất mỏng so với kích thước của Trái đất,
song đất lại là môi trường sản sinh ra lương thực, thực phẩm cho hầu hết các dạng sinh vật.
Bên cạnh vai trò sản xuất lương thực thực phẩm, đất còn là nơi tiếp nhận một lượng
lớn các chất gây ô nhiễm. Một số chất được con người đưa vào đất như phân bón, hóa chất
bảo vệ thực vật,… cũng góp phần làm ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí.
Vì vậy, có thể nói đất là khâu quan trọng trong chu trình hóa học môi trường.
Đất được tạo thành do sự phong hóa đá gốc, đây là một quá trình tự nhiên bao gồm
các quá trình địa chất, thủy văn và sinh học kết hợp lại. Đất xốp và phân thành các tầng theo
độ sâu. Sự phân tầng này là sản phẩm của quá trình thấm nước xuống đất, quá trình sinh học
bao gồm sự tạo thành và phân hủy sinh khối.
Có thể nói rằng đất là vật thể thiên nhiên được tạo thành nhờ sự kết hợp của sáu yếu tố
là đá, sinh vật (gồm động vật và thực vật), khí hậu, địa hình, nước và thời gian. Các loại đá cấu
tạo nên vỏ Trái đất, dưới tác dụng của khí hậu, địa hình, nước, sinh vật, trải qua một thời gian
lâu dài, dần dần bị phá hủy, vụn ra thành đất. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng khi có loài người,
thì con người là yếu tố đặc biệt quan trọng tác động đến sự hình thành và thoái hóa của đất.
Đất là một hệ mở, hệ này thường xuyên trao đổi chất và năng lượng với khí quyển,
thủy quyển và sinh quyển.
Trên quan điểm sinh thái học và môi trường, có thể xem đất là một cơ thể sống vì
trong nó có nhiều sinh vật khác như: vi khuẩn, nấm, tảo, thực vật, động vật. Do đó, đất cũng
tuân thủ các quy luật sống: phát sinh, phát triển, thoái hóa và già cỗi.
Thực tế con người chỉ quan tâm tới vỏ ngoài Trái đất có độ sâu khoảng 16 km.
4.2. Bản chất và thành phần của đất
Đất là hỗn hợp các chất khoáng, chất hữu cơ và nước, có khả năng duy trì sự sống cho
thực vật trên bề mặt Trái đất. Trong đất có chứa không khí, nước và chất rắn.
Chất rắn là thành phần chủ yếu của đất, chiếm gần 100% khối lượng đất và chia thành
hai loại: chất rắn vô cơ và chất rắn hữu cơ.

Đất canh tác khô thường có chứa khoảng 5% chất hữu cơ và 95% chất vô cơ. Một số
loại đất, như đất than bùn có thể chứa đến 95% chất hữu cơ. Một số loại đất khác chỉ chứa
khoảng 1% chất hữu cơ.
Hợp phần hữu cơ của đất chứa:
− Sản phẩm phân hủy ở các giai đoạn khác nhau của sinh khối động thực vật,
− Vi khuẩn, nấm mốc và động vật như côn trùng, giun đất,…
Thông thường đất phân bố thành các tầng theo độ sâu. Các tầng đất được hình thành
do các sự tương tác phức tạp giữa các quá trình xảy ra trong suốt quá trình phong hóa. Nước
mưa thấm qua đất kéo theo các chất tan và các hạt keo rắn xuống các tầng khác bên dưới và
tích tụ lại. Các quá trình sinh học, ví dụ sự phân hủy sinh khối thực vật dưới tác dụng của vi
sinh vật tạo ra CO
2
, các axit hữu cơ, các hợp chất tạo phức. Sau đó, các chất này bị nước mưa
lôi kéo xuống các tầng đất bên dưới, ở đó chúng phản ứng với đất sét hoặc các loại khoáng
khác và làm thay đổi tính chất của các loại khoáng này.
86
Tầng đất trên cùng dày khoảng vài đến vài chục centimet, được gọi là tầng A, hay còn
gọi là tầng đất mặt. Đây là lớp đất chứa nhiều chất hữu cơ nhất và cũng là vùng đất có vi sinh
vật hoạt động mạnh nhất. Ion kim loại và các hạt sét trong tầng A rất dễ bị cuốn theo nước.
Tầng đất tiếp theo được gọi là tầng B, hay tầng đất cái. Tầng này tiếp nhận chất hữu cơ, các
loại muối, hạt sét từ tầng đất mặt. Tầng C được tạo thành từ đá gốc đã phong hóa (sản phẩm
từ đó hình thành đất).
Hình 4.1. Các tầng đất
Có nhiều loại đất có đặc tính khác nhau, do đó có thể sử dụng các loại đất vào các mục
đích sử dụng riêng, ví dụ đất canh tác, đất làm đường, đất làm bãi chôn lấp. Loại đá gốc từ đó
tạo thành đất quyết định thành phần và tính chất chính của đất tạo thành.
4.2.1. Các thành phần vô cơ của đất
Các chất rắn vô cơ là thành phần chủ yếu của đất, chiếm 97 - 98% đất khô [14]. Thành
phần các nguyên tố hóa học có mặt trong đất được trình bày trong Bảng 4.1. Năm nguyên tố
cuốí bảng là H, C, S, P và N rất cần cho cây trồng, các nguyên tố này chứa trong đá ít hơn

trong đất. Cacbon trong đất nhiều hơn trong đá đến 20 lần, nitơ gấp 10 lần, chính vì vậy mà
đất trồng nuôi sống được cây.
Ion oxalat, tạo thành do quá trình đồng hóa của nấm mốc, tồn tại trong đất dưới dạng
muối canxi; nước trong đất chứa ion oxalat hòa tan được một số khoáng, do đó thúc đẩy quá
trình phong hóa, làm gia tăng các ion dinh dưỡng cho thực vật. Phản ứng tạo phức giữa ion
oxalat và các ion sắt hay nhôm trong khoáng được biểu diễn bằng phương trình phản ứng sau:
3H
+
+ M(OH)
3
(r) + 2CaC
2
O
4
(r) ⇌ M(C
2
O
4
)
2
−
(dd) + 2Ca
2+
(dd) + 3H
2
O
trong đó, M là Al hay Fe.
Khoáng vật chứa các nguyên tố thường gặp trong vỏ Trái đất như oxy, silic, nhôm, sắt,
canxi, natri, kali và magiê là thành phần khoáng chính của đất. Các loại khoáng phổ biến
trong đất là thạch anh (SiO

2
), orthoclase (KAlSi
3
O
8
), albite (NaAlSi
3
O
8
), epidote
(4CaO.3(AlFe)
2
O
3
.6SiO
2
.H
2
O), geothite (FeO(OH)), magnetite (Fe
3
O
4
), canxi và magiê
cacbonat (CaCO
3
, CaCO
3
.MgCO
3
) và các oxit mangan và titan. Các khoáng sét là loại khoáng

87
Thực vật
Đá gốc
Tầng C (tầng đá gốc đã bị phong hóa)
Tầng A (tầng đất mặt)
Tầng B (tầng đất cái)
quan trọng của đất. Khoáng sét có công thức chung là nSiO
2
.Al
2
O
3
.mH
2
O; khoáng sét
kaolinite có tỷ lệ n:m = 2:2; khoáng sét montmorillonite có tỷ lệ n:m = 4:2; khoáng sét illite là
dạng trung gian của 2 loại khoáng trên, nhưng gần với montmorillonite hơn. Các khoáng này
hấp thụ mạnh các cation như Ca
2+
, Mg
2+
, Na
+
, K
+
, NH
4
+
, nên các cation này có thể không bị
nước rửa trôi mà được giải phóng dần vào đất làm thức ăn cho cây.

Một trong những sản phẩm cuối cùng của quá trình phong hóa đá gốc là các hạt keo
vô cơ. Các hạt keo này đóng một vai trò rất quan trọng trong đất. Hạt keo này giữ nước và các
chất dinh dưỡng cho thực vật hấp thụ. Ngoài ra, các hạt keo đất có bản chất vô cơ còn hấp thụ
các chất độc trong đất, vì vậy chúng đóng vai trò như những tác nhân làm giảm độc tính của
các chất gây độc cho thực vật. Bản chất và mật độ của các hạt keo vô cơ là các yếu tố rất quan
trọng để xác định năng suất sinh học của đất.
Sự hấp thụ chất dinh dưỡng của rễ cây thường liên quan đến các tương tác phức tạp
với nước và pha vô cơ của đất. Ví dụ, chất dinh dưỡng bị các hạt keo vô cơ giữ phải vượt qua
bề mặt phân cách khoáng/nước, sau đó là bề mặt phân cách nước/rễ cây. Quá trình này thường
bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc ion và các chất vô cơ trong nước.
Bảng 4.1. Hàm lượng các nguyên tố hóa học trong đá và đất (‰ w/w) [6]
Nguyên tố Đá Đất
Oxy 47,2 49,0
Silic 27,6 33,0
Nhôm 8,8 7,13
Sắt 5,1 3,8
Canxi 3,6 1,37
Natri 2,64 0,63
Kali 2,6 1,36
Magiê 2,1 0,6
Titan 0,6 0,46
Hydro 0,15
−
Cacbon 0,1 2,0
Lưu huỳnh 0,09 0,08
Photpho 0,08 0,09
Nitơ 0,01 0,1
4.2.2. Các thành phần hữu cơ của đất
Mặc dù chỉ chiếm ít hơn 5% trong thành phần của đất canh tác, nhưng hợp phần hữu
cơ đóng một vai trò rất quan trọng và là yếu tố quyết định chất lượng về mặt năng suất sinh

học. Các chất hữu cơ trong đất là nguồn thức ăn của vi sinh vật, chúng tham gia vào các phản
ứng hóa học như phản ứng trao đổi, đồng thời cũng ảnh hưởng đến tính chất vật lý của đất.
Một số chất hữu cơ còn tham gia vào quá trình phong hóa các chất khoáng tạo thành
đất. Một số nấm mốc trong đất có thể tạo ra axit citric và các axit hữu cơ có khả năng tạo
phức, các chất này phản ứng với khoáng silicat, giải phóng kali và các ion kim loại khác cần
cho thực vật. Một số vi khuẩn trong đất có thể tạo ra axit 2-ketogluconic có khả năng tạo phức
mạnh do đó có thể hòa tan nhiều ion kim loại làm phong hóa các khoáng vật. Axit này còn
hòa tan được các hợp chất photphat không tan, giải phóng ion photphat.
88
Trong đất còn chứa một số hợp chất hữu cơ hoạt động sinh học như các polysaccarit,
các đường amino, nucleotic, các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh, photpho.
Điều rất đáng chú ý là sự có mặt của các hợp chất đa vòng ngưng tụ (PAH), như
fluoranthene, pyrene và chrysene trong đất. Các hợp chất này được xếp vào loại chất có khả
năng gây ung thư. Các hợp chất này phát sinh trong đất do cả nguồn tự nhiên (đồng cỏ cháy)
lẫn nguồn nhân tạo (đốt chất thải, hoặc các nguồn thải gây ô nhiễm khác).
Sự tích tụ các chất hữu cơ trong đất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và lượng oxy. Ở các
vùng có nhiệt độ thấp, chất hữu cơ bị phân hủy sinh học chậm và tích lũy trong đất nhiều hơn.
Trong nước và đất úng nước, các chất hữu cơ không có đủ oxy để phân hủy. Vì vậy, ở các
vùng đất úng nước có nhiều thực vật phát triển và phân hủy, thành phần hữu cơ trong đất có
thể lên đến 90%.
Khi chiết đất bằng hỗn hợp ete và rượu sẽ thu được dung dịch chứa các sắc tố b-
carotein, chlorophyll và xanthophyll.
Bảng 4.2. Các loại hợp chất hữu cơ chính trong đất [14]
Loại hợp chất Thành phần Ghi chú
Mùn Phần còn lại khó phân hủy của xác
thực vật. Chủ yếu chứa C, H và O.
Là thành phần hữu cơ phổ biến nhất,
cải thiện tính chất vật lý của đất, khả
năng trao đổi chất dinh dưỡng, nơi
lưu giữ lượng N sinh ra do cố định

đạm.
Chất béo, chất nhựa
và sáp
Các chất béo có thể chiết được bằng
dung môi hữu cơ.
Thường chỉ chiếm vài % so thành
phần hữu cơ, có hại cho đất vì không
thấm nước, có thể độc hại đối với cây
trồng.
Saccarit Cellulose, tinh bột, hemi-cellulose,
chất gôm.
Nguồn thức ăn chính cho vi sinh vật,
làm ổn định độ liên kết của đất.
Hợp chất hữu cơ
chứa N
Mùn chứa N, amino axit, đường
amino, các chất khác.
Cung cấp nitơ làm cho đất màu mỡ
Hợp chất photpho Các este photphat, các inositol
photphat (axit phytic), các
photpholipit.
Nguồn cung cấp P cho thực vật
Dưới tác động của không khí, nước, nhiệt độ và vi sinh vật, các chất hữu cơ từ xác
động vật và thực vật có thể bị biến đổi theo hai quá trình: quá trình khoáng hóa và quá trình
mùn hóa.
• Quá trình khoáng hóa
Khoáng hóa là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ để tạo thành các chất vô cơ đơn
giản, như các muối khoáng, các khí CO
2
, H

2
S, NH
3
, H
2
O...
• Quá trình mùn hóa
Quá trình tạo thành mùn được gọi là quá trình mùn hóa
Mùn là thành phần hữu cơ quan trọng nhất của đất. Mùn là sản phẩm còn lại của sự
phân hủy xác thực vật do vi khuẩn và nấm mốc có trong đất.
Mùn gồm phần hòa tan được trong kiềm là axit humic, axit fulvic và phần không tan
gọi là humin. Sinh khối thực vật chứa cellulose có thể bị phân hủy và lignin (là một hợp chất
cao phân tử chứa nhiều cacbon hơn cellulose) khó bị phân hủy.
89
Trong quá trình mùn hóa, vi sinh vật chuyển hóa các chất hữu cơ thành CO
2
và lấy
năng lượng từ quá trình này. Vi sinh vật còn liên kết nitơ với các hợp chất tạo thành trong quá
trình phân hủy. Tỷ lệ nitơ/cacbon tăng từ 1/100 trong sinh khối thực vật tươi đến 1/10 trong
mùn khi quá trình mùn hóa kết thúc. Vì vậy, mùn chứa nhiều hợp chất nitơ hữu cơ.
Mặc dù chỉ chiếm vài phần trăm trong thành phần của đất, nhưng những hợp chất
trong mùn có ảnh hưởng mạnh đến tính chất của đất:
− Có khả năng liên kết mạnh với các ion kim loại, do đó có thể giữ các nguyên tố kim
loại vi lượng trong đất.
− Có tính axit bazơ nên còn đóng vai trò là tác nhân đệm pH trong đất.
− Mùn liên kết các hạt đất và làm tăng khả năng giữ ẩm cũng như khả năng hấp thụ
các chất hữu cơ của đất.
4.3. Nước và không khí trong đất
4.3.1. Nước trong đất
Thông thường, do các hạt đất có kích thước nhỏ, đồng thời trong đất còn có các mao

quản và lỗ xốp nhỏ, nên nước trong đất không tồn tại hoàn toàn độc lập với phần chất rắn của
đất. Thực vật chỉ sử dụng được nước trong các lỗ xốp lớn của đất, loại nước này có thể chảy
thoát khỏi đất. Nước chứa trong các lỗ xốp nhỏ giữa các lớp khoáng sét bị giữ chặt hơn, thực
vật khó hấp thụ phần nước này.
Đất chứa nhiều chất hữu cơ thường giữ một lượng nước nhiều hơn các loại đất khác,
nhưng thực vật khó sử dụng lượng nước này, do nó bị hấp phụ vật lý và hóa học lên các thành
phần hữu cơ.
Nước tương tác rất mạnh với khoáng sét trong đất. Nước bị hấp phụ lên bề mặt các hạt
sét. Do có diện tích bề mặt riêng lớn nên các hạt keo sét giữ được một lượng nước khá lớn.
Nước còn bị giữ bởi các lớp sét biến tính, như khoáng sét montmorillonite.
Khi bị úng nước, tính chất lý, hóa, sinh của đất sẽ bị biến đổi:
− Oxy trong đất sẽ bị suy kiệt nhanh chóng do hoạt động hô hấp của vi sinh vật khi
tham gia quá trình phân hủy các chất hữu cơ.
− Liên kết giữa các hạt keo đất bị bẻ gãy, cấu trúc đất bị phá vỡ.
− Nước dư thừa trong đất gây hại cho cây trồng, lúc này đất không chứa đủ lượng
không khí cần thiết cho rễ cây. Ngoại trừ lúa, hầu hết các cây lương thực khác không thể phát
triển được trong đất úng nước.
− pE của đất giảm (chuyển sang môi trường khử) do tác dụng của các chất khử hữu cơ
dưới tác dụng xúc tác của vi sinh vật. pE giảm mạnh xuống chỉ còn khoảng 1 hoặc nhỏ hơn
(so với giá trị 13,7 ở pH 7 trong điều kiện nước cân bằng với không khí).
Hậu quả của sự thay đổi này chính là sự di động của sắt và mangan, do các oxit không
tan ở mức oxy hóa cao hơn của chúng bị khử về dạng sắt (II) và mangan (II) tan được:
MnO
2
+ 4H
+
+ 2e
−

→ Mn

2+
+ 2H
2
O
Fe
2
O
3
+ 6H
+
+ 2e
−

→ Fe
2+
+ 3H
2
O
Mangan tan dưới dạng ion Mn
2+
, còn sắt (II) tan thường tồn tại dưới dạng ion phức
tích điện âm với các phối tử hữu cơ. Do sắt (II) tạo phức mạnh với axit fulvic trong đất, nên
sắt (III) dễ bị khử thành sắt (II) hơn trong điều kiện này.
Cùng với một số ion khác, Fe
2+
và Mn
2+
ở nồng độ cao là các ion độc hại với thực vật.
Quá trình oxy hóa các ion này tạo thành các oxit không tan Fe
2

O
3
, MnO
2
gây ra hiện tượng
90
“nước phèn” hoặc đóng thành váng trên mặt đất (“đóng phèn”).
4.3.2. Không khí trong đất
Trong các loại đất thông thường, các lỗ xốp chứa không khí chiếm khoảng 35% tổng
thể tích đất. Thành phần không khí trong đất hoàn toàn khác không khí bình thường (chứa
khoảng 21% O
2
và 0,03% CO
2
tính

theo thể tích). Nguyên nhân của sự khác biệt này được giải
thích do sự phân hủy các chất hữu cơ trong đất:
{CH
2
O} + O
2
→ CO
2
+ H
2
O
Quá trình này tiêu thụ oxy và tạo thành CO
2
. Do đó hàm lượng oxy của không khí

trong đất giảm xuống còn khoảng 15%, trong lúc đó hàm lượng CO
2
tăng lên đến khoảng vài
phần trăm. Sự phân hủy này cũng làm tăng CO
2
trong nước ngầm, làm giảm pH và làm tăng
sự phong hóa các khoáng cacbonat, đặc biệt là khoáng canxi cacbonat. CO
2
còn làm chuyển
dịch cân bằng hấp thụ các ion kim loại của rễ cây [10]:
Đất}Ca
2+
+ 2CO
2
+ 2H
2
O ⇌ Đất}(H
+
)
2
+ Ca
2+
(rễ cây) + 2HCO
3
−
Khi quá trình trao đổi chất giữa đất và khí quyển không tốt thì bên cạnh CO
2
, không
khí trong đất còn chứa các khí khác như NO
2

, NO, H
2
, CH
4
, C
2
H
4
, H
2
S.
4.4. Dịch đất
Dịch đất là phần nước trong đất chứa các chất tan tạo thành từ các quá trình hóa học
và sinh học trong đất, cũng như từ các quá trình trao đổi giữa đất với thủy quyển và sinh
quyển. Dịch đất vận chuyển các chất hóa học đến và đi khỏi các hạt đất. Ngoài tác dụng cung
cấp nước cho sự phát triển của thực vật, dịch đất còn tạo điều kiện cần thiết cho quá trình trao
đổi các chất dinh dưỡng giữa rễ cây và các hạt đất.
Rất khó thu được dịch đất vì phần lớn dịch đất được giữ trong các mao quản hoặc tạo
thành lớp màng mỏng trên bề mặt hạt đất. Một trong những cách trực tiếp để lấy dịch đất là
thu nước rỉ từ đất. Ngoài ra, có thể tách dịch đất từ đất ẩm bằng cách thay thế nước với các
chất lỏng không trộn lẫn với nước, hoặc dùng các biện pháp cơ học như ly tâm, nén ép hay xử
lý bằng chân không.
Hầu hết các chất khoáng hòa tan trong dịch đất tồn tại ở dạng ion. Các cation chủ yếu
thường là H
+
, Ca
2+
, Mg
2+
, K

+
, Na
+
. Các ion Fe
2+
, Mn
2+
, Al
3+
thường chỉ có mặt với nồng độ rất
thấp, chúng thường ở dưới dạng hydrat hóa như FeOH
+
, hay dạng tạo phức với các hợp chất
hữu cơ trong mùn. Các anion trong dịch đất thường gặp là HCO
3
−
, CO
3
2
−
, SO
4
2
−
, Cl
−
và F
−
.
Các anion cũng có thể tạo phức với các ion kim loại, như AlF

2+
. Các cation và anion đa hóa trị
có thể kết hợp tạo thành các cặp ion hoặc các hợp chất như CaSO
4
, FeSO
4
.
4.5. Phản ứng axit-bazơ và phản ứng trao đổi ion trong đất
4.5.1. Sự tạo thành axit vô cơ trong đất
Khoáng pyrite (FeS
2
) có mặt trong một số loại đất khi tiếp xúc với không khí có thể bị
ôxi hóa thành axit sulfuric
FeS
2
+ 7/2O
2
+ H
2
O ⇌ Fe
2+
+ 2H
+
+ 2SO
4
2
−
+ 7H
2
O

lúc này đất chứa nhiều sulfat và axit do đó được gọi là đất sulfat-axit (acid-sulfate soil).
Các vùng đất được hình thành từ trầm tích biển trung tính chứa FeS
2
, có thể bị chuyển
thành đất sulfat-axit khi tiếp xúc với không khí. Các mỏ khoáng sản có chứa FeS
2
đã ngừng
hoạt động cũng tạo thành loại đất tương tự như đất sulfat-axit từ trầm tích biển.
Nếu không được xử lý thích hợp thì không thể canh tác được trên đất sulfat-axit do
loại đất này chứa các yếu tố bất lợi như có pH thấp, nồng độ H
2
S cao gây hại cho rễ cây, chứa
ion Al
3+
rất độc đối với thực vật.
91