تعیین روند تولید اسید و ایجاد آلودگی یون های فلزی به کمک آزمایشات سینتیکی در معدن سونگون، اهر

مقدمه

زهاب اسیدی معدن یا AMD۱:stockticker> در مورد معادنى مطرح مى باشد که بنحوى با کانیهاى سولفیدى آهن و بالاخص پیریت (FeS_۲) در ارتباط هستند. در این بین معادن ذغال سنگ و برخی از معادن فلزی نظیر مس می تواند پتانسیل تولید این نوع آلودگی را داشته باشند. خروج پسابهاى معدنى و راهیابى آن به آبهاى جارى منطقه و یا نفوذ آن به درون زمین و راه یافتن آن به چشمه ها و سفره های آبی زیرزمینى، باعث آلودگی این آبها و غیر قابل استفاده شدن آنها می گردد. اسیدى بودن زهاب باعث پایین رفتن pH آب شده و در عین حال یون های فلزی را در خود حل کرده وبا انتقال فلزات بصورت محلول باعث تجمع غیر طبیعی آنها در محیط زیست در پی آن در بدن آبزیان شده و باعث مرگ آنها می گردد. مشخصات عمده AMD۱:stockticker> عبارتست از :پایین بودن میزان pH ، بالا بودن غلظت یونهاى فلزى، افزایش میزان سولفاتها و ایجاد لجن بصورت غیر طبیعی. در واقع مساله این است که تولید AMD۱:stockticker> بوجود کانیهاى سولفیدى آهن بستگى دارد. زمانیکه کانى هاى سولفیدى بعلت انجام عملیات معدنکارى در معرض آب و اکسیژن قرار مى گیرند. سولفیدها توسط اکسیژن هوا اکسید مى شوند و در تماس با آب باعث ایجاد زهاب اسیدى مى شوند. رنگ زهاب معمولا قرمز و یا نارنجى رنگ مى باشد که علت آن وجود Fe(OH)_۳ مى باشد. در واقع رنگ زهاب اسیدی ناشی از رسوبات تشکیل شده، می باشد. ۲]  [با بررسی های صورت گرفته، مشاهده شده که زهاب اسیدی باعث سمى شدن اکوسیستم و کاهش دادن کیفیت آب به میزان ۱ تا ۲۰۰ میلى گرم فلزات سنگین در هر لیتر آب، ایجاد تغییر رنگ و دادن حالت گل آلودى به آب به میزان ۱۰۰ تا ۳۰۰ میلى گرم هیدروکسید فریک و جاروسیت در هر لیتر، کاهش دادن کیفیت آب توسط نمک هاى محلول به میزان ۱۰۰ تا ۳۰۰۰۰ میلى گرم در لیتر و متحرک کردن یون های فلزی در pH بین ۲ تا ۴ می شود. پاکسازی این حجم بالای آلودگی مستلزم صرف هزینه های هنگفت بوده که در نهایت به رفع کامل آلودگی نیز منجر نخواهد شد. در آمریکا AMD۱:stockticker> و دیگر مواد سمى حاصل از معادن متروک ۱۸۰۰۰ جریب زمین و دریاچه و ۱۲۰۰۰ مایل از رودخانه ها و جریانهای آبی را آلوده کرده است (ریج و همکاران ۱۹۹۸). در کشور کانادا بطور تقریبى ۳۵۱ میلیون تن سنگ باطله و ۵۱۰ میلیون تن باطله هاى سولفیدى و بیش ۵۵ میلیون تن از دیگر منابع معدنکارى وجود دارد که داراى پتانسیل تولید اسید هستند (میلر و همکاران ۱۹۹۷). براى مثال خنثى کردن زهاب اسیدى در کشور آمریکا هزینه اى بین ۳۲ تا ۷۲ بیلیون دلار و در کانادا هزینه اى بین ۲ تا ۵ بیلیون دلار داشته است (ریج و همکاران ۱۹۹۸). بنابراین اکیدا توصیه می شود که قبل از انجام هرگونه بهرهبرداری از معدن، ملاحظات زیست محیطی به جدیت مورد توجه قرار گرفته و همزمان با آغاز طرح، پتانسیل آلودگی در منطقه مورد بررسی قرار گیرد. در صورتی که طرح از نظر زیست محیطی مشکلاتی در پی نداشته باشد، اجازه بهره برداری صادر خواهد شد و در غیر این صورت تا رفع کامل خطر زیست محیطی، مجوز بهر برداری صادر نمی گردد.

معدن مس سونگون

کانسار مس پورفیرى سونگون دراستان آذربایجان شرقى و در ۱۳۰ کیلومترى شمال غربى شهر تبریز واقع شده است. کانسار پورفیرى سونگون داراى ذخیره بیش از ۵۰۰ میلیون تن سولفید مس با عیار ۷۶/۰ درصد مس و ۰۱/۰ درصد مولیبدن و مساحت توده معدنى آن بالغ بر ۵۰ کیلومتر مربع مى باشد(شرکت ایتوک ۱۳۷۴). در حالت کلی تشکیل زهاب اسیدی معدن به سه فاکتور اصلی و مهم کانی های سولفیدی آهن، آب و اکسیژن بستگی دارد. در کانسارهای مس پورفیری، پراکندگی و توزیع کانی ها با آلتراسیون های زمین شناسی هماهنگی و مطابقت دارد (صفری ۱۳۷۴). مطالعات ژئوشیمی و کانی شناسی انجام گرفته بر روی این نهشته توسط هزارخانی و جونز نشان داد که کانیهای سولفیدی بیشترین تمرکز خود را در زون های فیلیک وپتاسیک دارا می باشند. با توجه به این مورد، عملیات نمونه برداری معطوف به این دو زون زمین شناسی گردید. نمونه برداری وانتخاب محل آنها بصورت تصادفی و از نقاط مختلف گمانه ها انجام گرفت. نمونه ها براساس حجم سنگها و مشخصات آنها و با توجه به قسمتهاى قابل معدنکارى و زمین شناسى محل معدن، انتخاب گردید. پتانسیل معدن براى تولید اسید و رهاسازى آلوده کننده هابه عوامل زیادى بستگى دارد. فرگوسن و اریکسون (۱۹۸۰) عوامل اولیه، ثانویه و ثالثیه ایى را معرفى کردند که در کنترل زهاب اسیدى، نقش مهمى ایفا می کنند. عوامل اولیه شامل فرآیندهای تولید اسید است، مانند واکنشهاى اکسیداسیون.

انجام آزمایشات سینتیکی

در مطالعات پیش بینی امکان تولید اسید، برخی از  نمونه هایى که دارای شرایط ویژه هستند را تحت آزمایشهای سینتیکی قرار داده تا وضعیت آنها از جهت نرخ تولید اسید،آلودگیهای فلزی و بررسی کیفی زهاب، تعیین شود. در آزمایشهای سینتیکی شرایط هوازدگی و اکسیداسیون کانی های سولفیدی شبیه سازی شده تا روند تولید اسید و ایجاد آلودگی های فلزی مشخص گردد. معمول ترین آزمایش سینتیکی، آزمایش سلول مرطوب بوده که در این بررسی روش سلول مرطوب سابک (۱۹۷۸) جهت اجرا انتخاب می شود. در این آزمایش ۲۰۰ تا ۳۰۰ گرم نمونه زیر ۸ مش(۳۸/۲میلیمتر)به مدت ده هفته تحت دوره های یک هفته ایی هوازدگی قرار می گیرد. شکل ۱-الف نماى کلی از تجهیزات لازم برای آزمایش را نشان می دهد.

وسایل وتجهیزات مورد استفاده در آزمایش

در این بخش از ذکر جزئیات مربوط به ساخت این تجهیزات خوددارى و فقط به ذکر خصوصیات این وسائل اکتفا مى گردد. وسایل لازم در این آزمایش عبارتند از ؛

سلول هائى از جنس پلکسى گلاس با قطر داخلى ۱۰۱ و ارتفاع ۲۰۳ میلی متر (شکل۱- ب)، صفحه سوراخ دار متناسب با قطر داخلى سلول با ضخامت ۳ میلی متر، رطوبت ساز استوانه اى از جنس پلکسى گلاس با قطرداخلى ۱۲۰ و طول ۱۳۴۶ میلی متر، ترموستات براى کنترل حرارت که دماى آب را در خلال دوره مرطوب سازى در ۳۰ درجه سانتى گراد، ثابت نگه دارد (شکل۱- ج)، سنگ هواده (هواده آکواریوم)، پمپ هوا که توانائى ارسال هوا را به هریک از سلولهاى مرطوب از ۱ تا ۱۰ لیتر بر دقیقه براى یک سلول داشته باشد، ظرف ارلن مایر با خروجى جانبى، لوله انعطاف پذیر سیلیکونى جداشونده، قیف جدا کننده با گنجایش ۵۰۰ یا ۱۰۰۰ میلى لیتر آب مقطر، ستون خشک کننده هوا از جنس پلکسى گلاس با قطر داخلى ۵۰ و طول ۵۰۸ میلی متر، منیفولد (Manifold) جهت تقسیم هواى خشک مرطوب (شکل۱- د)، فیلتر هاى پلى اتیلنى با خصوصیات oz/yd^۲۱۲ که رشته هاى ۲۲ میکرونى داشته و قابلیت عبور هواى خشک را در نرخ ۲۰ تا ۳۰ فوت مکعب بر دقیقه فراهم مى کند،  pH متر دو کاناله، دستگاه هدایت سنج، قیف جداکننده، ارلن مایر ۵۰۰ میلى لیترى و پایه فلزى براى قرارگیرى سلولهاى مرطوب.

روش انجام آزمایش

مقدار ۲۰۰ گرم از نمونه مورد نظر که ابعاد دانه های آن زیر ۸ مش باشد را در سلول مورد نظر ریخته وتحت آزمایش ده هفته ای با دوره های یک هفته ای قرار می دهیم. در سه روز اول هفته، دوره خشک انجام می شود که در آن دوره هوای تولیدی توسط پمپ هوا به ستون خشک کن که حاوی سیلیکاژل است منتقل شده و پس از رطوبت گیری از هوای ورودی و تقسیم در مینفولد، از سوراخ جانبی سلولها وارد آنها شده و از میان نمونه عبور می کند. در انتها هوا از سوراخ بالایی سلول وارد ارلن با خروجی جانبی شده و خارج می گردد. پس از پایان دوره خشک، دوره مرطوب آغاز می شود. در این دوره سه روزه، هوای تولیدی توسط هواساز به سلول رطوبت ساز که بصورت افقی قرار گرفته، وارد و پس از گرفتن رطوبت کافی از آن خارج شده و با تقسیم در مینفولد، از لوله جانبی هر سلول مرطوب به آن وارد می شود. سپس با عبور از میان نمونه و ورود به ارلن مایر از دستگاه خارج می شود. پس از پایان دوره سه روزه مرطوب، جریان هوای مرطوب ورودی به سلولها قطع شده و دوره شستشوی (لیچینگ) محصولات حاصل از هوازدگی آغاز می گردد. درب سلولها برداشته و ارلن مایر جمع کننده زهاب با استفاده از لوله های انعطاف پذیر سیکلونی به سوراخ خروجی کف سلول متصل می گردد. نمونه توسط ۲۰۰ میلی لیتر آب مقطر و بصورت قطره قطره ای تحت شستشو قرار می گیرد. معمولا" جمع آوری زهاب یک روز بطول می انجامد. پس از پایان جمع آوری، pH، Eh و هدایت الکتریکی زهاب اندازه گیری شده و مابقی زهاب جهت آزمایشهای دیگر مانند فلزات آزاد شده، سولفات و غیره تحت بررسی قرار می گیرد. پس از این اندازه گیری ها، دوره هفت روزه بعدی آغاز می شود. در نهایت پس از اتمام دوره ده هفته ای و انجام آنالیزهای مورد نیاز، نتایج حاصله جهت پیش بینی امکان تولید اسید تفسیر می شود.

مراحل انجام آزمایش

در ابتدا نمونه نماینده و معرف زون مورد نظر به درون سلول قرار گرفته بر روى ترازوى دیجیتال، ریخته مى شود و مقدار ۲۰۰ گرم نمونه با دقت اندازه گیرى مى شود، لازم به ذکر است که قبل از ریختن نمونه باید فیلتر پلى اتیلنى در کف سلول قرار گرفته باشد، البته نمونه ها توسط قاشق بزرگ و به آرامى ریخت مى شود تا در سلول لایه بندى رخ ندهد زیرا باعث ایجاد فاصله بین نمونه و ظرف و بالنتیجه کانالیزه شدن آب شستشو از این طریق مى گردد. سپس لوله هاى خروجى از دستگاه خشک کن به سلولها وصل شده و درب بالایى سلولها بسته شده وبا شروع به کار پمپ هوا دوره سه روزه خشک آغاز مى گردد. بعد از پایان دوره خشک لوله هاى دستگاه خشک کن از سلولهاى مرطوب جدا شده و لوله هاى دستگاه مرطوب ساز متصل مى گردد و دوره سه روزه مرطوب سازى آغاز مى شودو در روز هفتم درب سلولها برداشته شده و نمونه ها توسط۲۰۰میلى لیتر آب مقطر محتوى در قیف هاى جدا کننده۵۰۰ میلى لیترى در بالاى سلول ها، شستشو (بصورت قطره قطره)شدند. که این شستشو ۲ تا ۳ ساعت بطول مى انجامد. پس از شستشو زها ب هاى جمع آورى شده در زیر سلول ها، جهت آنالیزهاى مختلف وآزمایشات متنوع مورد بررسى قرار مى گیرد و دوره هفت روزه بعدى آغاز مى گردد.

اندازه گیرى  pHو Eh

اندازه گیرى  pHو Eh بلافاصله بعد از جمع آورى زهاب صورت مى گیرد. ( جدول ۱). با توجه به شکل ۲- الف مشخص می شود که روند تغییراتpH در زون پتاسیک - سوپرژن نسبت به سایر زون ها کمتر است ولی هر سه زون در ناحیه خنثی قرار گرفته اند و خاصیت اسیدی در زهاب آنها مشاهده نمی گردد. چون میزان کلسیت در هیپوژن نسبت به سوپرژن بیشتر است بنابراین مقدار pH فیلیک - هیپوژن نسبت به دیگر زون ها نطز بیشتر خواهد بود.

با مشاهده نمودار ۲- ب مشخص می گردد که بعلت مثبت بودن مقادیرEh، هر سه زون دارای خاصیت اکسیدی می باشند که این امر در مورد زون پتاسیک - سوپرژن شدیدتر از بقیه خواهد بود. البته لازم به ذکر است که مقداردرصد سولفور سولفیدی آن نسبت به دیگر زون ها بیشتر بوده و نرخ اکسیداسیون در فیلیک - هیپوژن از سایر زون ها کمتر می باشد.

اندازه گیرى هدایت الکتریکى

هدایت الکتریکى معیار ساده براى تخمین زدن میزان انحلال یون ها و بخصوص یون هاى فلزى در زهاب بوده  و مقدار یونهاى حل شده موجود در زهاب را نشان می دهد.  واحد اندازه گیرى هدایت، میکرو زیمنس بر سانتیمتر است. براى اندازه گیرى هدایت الکتریکى ، ابتدا دستگاه هدایت سنج بوسیله محلول کلرور پتاسیم کالیبره مى شود (جدول ۳). میزان هدایت الکتریکی، مقدار یونهای موجود در زهاب را نشان می دهد که با توجه به شکل ۳، مشاهده می گردد که میزان یونهای موجود در زهاب در زون فیلیک - هیپوژن در مقایسه با دیگر زونها نسبتا" بیشتر است.

جدول۱- مقادیر pH براى زون هاى موردنظر طى هفته هاى متوالى هوازدگى در آزمایش سلول مرطوب

جدول۲- مقادیر Eh بر حسب میلى ولت براى زون هاى موردنظر طى هفته هاى متوالى هوازدگی.

کلید واژه ها: زهاباسیدی سونگون معدنمس آنالیز زمین شناسی زیست محیطی آذربایجان شرقى