بررسي توزيع عناصر سنگين و گونه پذیری آنها در خاک‌های منطقه خاتون آباد، استان کرمان

فصل اول: مقدمه

 1-1-کلیات…………………………………………………………………………………………………………………………………2

 1-2- طرح موضوع و اهمیت آن در مطالعات زیست محیطی…………………………………………………..3

 1-3- اهداف و فرضیه‌های پژوهش…………………………………………………………………………………………….5

 1-4-تاریخچه ذوب، متالورژی مس و روش‌های ذوب کانسنگ………………………………………………..7

  1-4-1- ذوب و تصفيه فلزات……………………………………………………………………………………………………8

  1-4-2- ترمودینامیک عملیات ذوب مس……………………………………………………………………………..11

   1-4-2-1-تشکیل مَت………………………………………………………………………………………………………….12

   1-4-2-2-سرباره کوره………………………………………………………………………………………………………….13

  1-4-3-روشهای کلی استخراج مس………………………………………………………………………………………14

   1-4-3-1-روش ذوب مستقیم……………………………………………………………………………………………..14

   1-4-3-2- روش شستشوی اسیدی……………………………………………………………………………………..15

   1-4-3-3-روش تغلیظ کردن……………………………………………………………………………………………….15

 1-4-4-واکنش‌های شیمیایی…………………………………………………………………………………………………15

 1-5-اثرهای زیست محیطی ذوب کانسنگهای فلزی………………………………………………………………16

  1-5-1- فروکاهی خاک………………………………………………………………………………………………………….18

  1-5-2- اسیدی شدن…………………………………………………………………………………………………………….19

  1-5-3- زیست شناسی خاک………………………………………………………………………………………………..19

  1-6-3- فلزات جزئی……………………………………………………………………………………………………………..20

 1-7- بررسی آثار زیست محیطی گاز ……………………………………………………………………………..20

  1-7-1- تأثیر  بر گیاهان………………………………………………………………………………………………..21

  1-7-2- تأثیر  برانسان…………………………………………………………………………………………………..22

 1-8- بارش اسیدی………………………………………………………………………………………………………………….23

 1-9- مواد ریزگردی(Particulate matter) ……………………………………………………………………..24

  1-9-1- تأثیر ریز ذرات معلق بر انسان………………………………………………………………………………….26

  1-10- برخی عناصر رایج در ریز ذرات معلق ناشی از ذوب کانسنگ مس…………………………..28

   1-10-1- مس………………………………………………………………………………………………………………………28

   1-10-2- آرسنیک………………………………………………………………………………………………………………..29

   1-10-3- سرب……………………………………………………………………………………………………………………..31

   1-10-4- مولیبدن………………………………………………………………………………………………………………..32

   1-10-5 کادمیم……………………………………………………………………………………………………………………33

   1-10-6- روی………………………………………………………………………………………………………………………34

 1-11- مسیرهای انتقال عناصر در زیست بوم سامانه…………………………………………………………….35

 1-12- گونه پذیری و تفکیک شیمیایی………………………………………………………………………………….38

 1-13- تعیین زیست دسترس پذیری عناصر سمناک برای گیاهان و موجودات زنده………….41

  1-13-1 تعیین زیست دسترس پذیری با استفاده از روش تفکیک شیمیایی………………………42

 1-14-پیشینه روشهای استخراج گزینشی مرحله‌ای………………………………………………………………43

  1-14-1- روش استخراج گزینشی ترتیبی…………………………………………………………………………….45

 1-14-2- روش استخراج گزینشی ترتیبیBCR ………………………………………………………………..47

فصل دوم: موقعیت جغرافیایی، آب و هوا و زمین شناسی ناحیه مورد مطالعه

 2-1-مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………49

 2-2-موقعیت جغرافیایی و ریخت‌شناسی منطقه مورد مطالعه………………………………………………50

 2-3-آب و هوا و اقلیم منطقه………………………………………………………………………………………………….51

  2-3-1-باد………………………………………………………………………………………………………………………………51

 2-4-زمین شناسی منطقه………………………………………………………………………………………………………52

  2-4-1-کواترنری……………………………………………………………………………………………………………………53

  2-4-2-زمین‌شناسی ساختاری……………………………………………………………………………………………..55

  2-4-3- زمین شناسی مهندسی……………………………………………………………………………………………55

فصل سوم: نمونه برداری و روش های تجزیه ای و محاسباتی

 3-1-مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………57

 3-2- نمونه برداری …………………………………………………………………………………………………………………58

  3-2-1-روشهای نمونه برداری……………………………………………………………………………………………….60

  3-2-2-انواع نمونه………………………………………………………………………………………………………………….63

  3-2-3-تعداد نمونه ها……………………………………………………………………………………………………………63

  3-2-4-نمونه برداری از خاک………………………………………………………………………………………………..64

 3-2-4-1-ملاحظات کلی برای تجزیه خاک………………………………………………………………………….64

   3-2-4-2-آماده سازی نمونه………………………………………………………………………………………………..65

   3-2-4-3-تعیین pH…………………………………………………………………………………………………………..66

   3-2-4-4-عمق نمونه برداری……………………………………………………………………………………………….67

   3-2-4-5-نمونه های کنترل (زمینه) ………………………………………………………………………………….67

   3-2-4-6-نگهداری نمونه های خاک……………………………………………………………………………………68

 3-3-نمونه برداری از ریز گردهای جوی………………………………………………………………………………….68

 3-4-نمونه برداری از منطقه مورد مطالعه و تجزیه نمونه ها………………………………………………….70

  3-4-1-نمونه برداری از خاک………………………………………………………………………………………………..70

   3-4-1-1-خاک مرتعی…………………………………………………………………………………………………………70

 3-5-آماده سازی نمونه ها……………………………………………………………………………………………………….74

 3-6-اندازه گیری برخی پارامترهای فیزیکوشیمیایی خاک ………………………………………………….75

 3-7- تجزیه استخراج گزینشی……………………………………………………………………………………………….75

 3-8-نمونه‌برداری از غبار دودکش…………………………………………………………………………………………..79

 3-9-روشهای تجزیه نمونه‌ها…………………………………………………………………………………………………..79

  3-9-1- سنجش غلظت کل عناصر (Total Concentration) در نمونه‌های جامد……….79

  3-9-2- سنجش عناصر در محلولهای حاصل از روش اصلاح شده BCR …………………………80

 3-10-شاخص های زیست محیطی استفاده شده برای تحلیل نتایج…………………………………….80

  3-10-1- شاخص آلودگی……………………………………………………………………………………………………..81

  3-10-2-شاخص بهنجاریده غنی شدگی………………………………………………………………………………81

  3-10-3- شاخص زمین انباشت…………………………………………………………………………………………….82

  3-10-4-شاخص بار(Pollution Load index.PLI) …………………………………………………..83

  3-10-5-شاخص اصلاح شده درجه آلودگی………………………………………………………………………….83

  3-10-6-ضریب تحرک و درجات ارزیابی خطر…………………………………………………………………….84

 3-11-روش تعیین خط مبنا یا زمینه طبیعی در محیط های مختلف………………………………….86

 3-12-مبانی آماری استفاده شده در تحلیل نتایج………………………………………………………………….88

  3-12-1-روشهای آماری تک متغیره…………………………………………………………………………………….89

  3-12-2-روشهای آماری چند متغیره …………………………………………………………………………………..90

   3-12-2-1-روش تحلیل مؤلفه های اصلی………………………………………………………………………….92

 3-12-2-2-روش آنالیز خوشه ای…………………………………………………………………………………………..94

فصل چهارم: تحلیل داده‌ها و نتایج

 4-1-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………96

  4-1-1- نتایج تجزیه شیمیایی غبار فیلتر دودکش…………………………………………………………….97

  4-2-1-pHخاک…………………………………………………………………………………………………………………101

  4-2-2-ماده آلی خاک…………………………………………………………………………………………………………103

  4-2-3-بافت خاک……………………………………………………………………………………………………………….105

 4-3-آلودگی خاک………………………………………………………………………………………………………………..108

  4-3-1-خاکهای مرتعی……………………………………………………………………………………………………….109

   4-3-1-1-خاکهای سطحی………………………………………………………………………………………………..109

    4-3-1-1-1-نتایج شاخص بهنجارشده غنی شدگی……………………………………………………….128

    4-3-1-1-2-نتایج مربوط به محاسبه ضریب زمین انباشت ( )  …………………………….129

    4-3-1-1-3-محاسبه شاخص بار آلودگی (Pollution Load index.PLI)…………..144

    4-3-1-1-4-محاسبه شاخص اصلاح شده درجه آلودگی (m )…………………………………145

    4-3-1-1-5-ضریب آلودگی خاک (Soil Pollution Index, SPI)………………………..146

   4-3-1-2-خاکهای زیرسطحی…………………………………………………………………………………………..148

 4-4-نتایج تجزیه به روش استخراج ترتیبی…………………………………………………………………………153

  4-4-1-عناصر مرتبط با اجزاء تبادل پذیر…………………………………………………………………………..157

  4-4-2-ارتباط زمین شیمیایی بین عناصردر جزء کاهش‌پذیر……………………………………………159

  4-4-3-عناصر مرتبط با اجزاء اکسایش‌پذیر………………………………………………………………………..165

  4-4-4-عناصر مرتبط با اجزاء باقیمانده………………………………………………………………………………168

فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات

 5-1-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………172

 5-2-نتایج بدست آمده از محیط زمین شناختی خاک و غبار فیلتر…………………………………..173

 5-3- راهکارهای پیشنهادی برای مدیریت منابع آلودگی در محیط زمین شیمیایی خاک..177

منابع و مآخذ…………………………………………………………………………………………………………………………..183

فهرست جدول ها

عنوان                                                                                                صفحه

 جدول1-1-ترکیب شیمیایی سرباره………………………………………………………………………………………..13

 جدول1-2-آلاینده‌های مهم ذوب کنسانتره‌های سولفیدی مس، اثرات و راههای کنترل آن..18

 جدول1-3-اثرات  بر روی انسان……………………………………………………………………………………..23

 جدول1-4-اثر  بر محیط زیست……………………………………………………………………………………..24

 جدول1-5-منابع و ویژگیهای ذرات ریز و درشت…………………………………………………………………. 25

 جدول1-6-عوامل اصلی تأثیرگذار بر روند حرکت عناصر در زیست بومهای طبیعی……………..36

 جدول1-7-تحرک و دسترس پذیری عناصر مرتبط با فازهای مختلف در خاک……………………38

 جدول3-1 برخی روشهای رایج مورد استفاده برای تعیین نقاط نمونه‌برداری………………………..62

 جدول3-2- مزایا و معایب روشهای اصلی نمونه‌برداری…………………………………………………………..63

 جدول3-3حد آشکارسازی و روش اندازه‌گیری عناصر مختلف در نمونه‌های خاک……………….79

 جدول3-4- حد آشکارسازی (detection limit) دستگاهICP در آزمایشگاه Acme کانادا

برای سنجش عناصر مختلف در محلول‌های حاصل از روش استخراج گزینشیBCR……………80

جدول3-5-شدت آلودگی در نمونه‌های رسوب و خاک براساس شاخص زمین انباشت ( )……………………………………………………………………………………………………………………………………….83

 جدول3-6-رده‌های متفاوت آلودگی براساس شاخص اصلاح‌شده درجه آلودگی…………………84

جدول3-7-کدهای ارزیابی خطر براساس میزان تحرک نسبی عناصر سمناک در محیط‌های خاک و رسوب………………………………………………………………………………………………………………………….85

 جدول4-1- نتایج تجزیه شیمیایی غبار فیلتر (برحسبppm) …………………………………………..97

 جدول4-2- مقادیر pH خاکهای سطحی در منطقه مورد مطالعه……………………………………….102

 جدول 4-3 مقادیر ماده آلی در خاکهای سطحی منطقه……………………………………………………..104

 جدول4-4 غلظت فلزات سمّی سنگین در خاکهای سطحی (ppm) …………………………………110

 جدول4-5- ضرایب همبستگی بین متغیرهای خاک سطحی………………………………………………125

 جدول 4-6-نتایج انجام تحلیل عاملی بر روی داده‌های خاک سطحی………………………………..126

 جدول4-7-نتایج مربوط به شاخص بهنجار شده غنی شدگی برای عناصر بالقوه سمی در خاکهای منطقه………………………………………………………………………………………………………………………..130

جدول4-8- نتایج محاسبه ضریب زمین انباشت داده‌های خاک سطحی……………………………..133

 جدول4-9-نتایج حاصل از محاسبه شاخص بار آلودگی……………………………………………………….144

 جدول4-10-کیفیت نمونه‌های خاک……………………………………………………………………………………145

 جدول 4-11-مقادیر SPI بدست آمده در خاکهای منطقه…………………………………………………148

 جدول 4-12- غلظت فلزهای مورد مطالعه در نمونه‌های خاک زیر سطحی (ppm)…………149

 جدول4-13-ضرایب همبستگی بین متغیرهای خاک زیر سطحی………………………………………151

 جدول4-14-نتایج انجام تحلیل عاملی بر روی داده‌های خاک زیر سطحی………………………..152

جدول4-15-نتایج حاصل از انجام آزمون PCA بر روی داده‌های عناصر سمناک در مرحله

اول روش تفکیک شیمیایی BCR…………………………………………………………………………………………157

 جدول4-16-نتایج حاصل از انجام آزمون PCA بر روی داده‌های عناصر سمناک در مرحله دوم روش تفکیک شیمیایی BCR………………………………………………………………………………………..160

 جدول4-17-نتایج حاصل از انجام آزمون PCA بر روی داده‌های عناصر سمناک در مرحله سوم روش تفکیک شیمیایی BCR……………………………………………………………………………………….163

 جدول4-18-نتایج حاصل از انجام آزمون PCA بر روی داده‌های عناصر سمناک در مرحله چهارم روش تفکیک شیمیایی BCR…………………………………………………………………………………….166

 جدول4-19- نتایج محاسبه ضریب تحرک عناصر سنگین در خاکهای مورد مطالعه و غبار فیلتر………………………………………………………………………………………………………………………………………..170

 شکل1-1-اثرهای زیست محیطی ذوب فلزات…………………………………………………………………………17

 شکل1-2-طرح شماتیک انتقال عناصر سمناک در زیست بوم سامانه…………………………………..37

 شکل2-1-نمایی از کارخانه ذوب خاتون آباد…………………………………………………………………………..50

 شکل2-2-نقشه گلباد منطقه برحسب بردار وزش باد…………………………………………………………….52

 شکل2-3-نقشه زمین شناسی 1:100000منطقه…………………………………………………………………..54

شکل3-4-نمونه‌برداری عمقی. نمونه‌ها از هر افق خاک و توسط هریک از سه روش نشان داده شده برداشته می‌شوند……………………………………………………………………………………………………………….67

 شکل3-5-نمایی از نمونه‌های خاک برداشته شده…………………………………………………………………..71

 شکل3-6-نمونه خاک کشاورزی منطقه………………………………………………………………………………….72

 شکل3-7-موقعیت ایستگاههای نمونه‌برداری از خاک مرتعی…………………………………………………73

 شکل3-8-نمایی ازانجام مرحله چهارم BCR بر روی نمونه‌های موجود………………………………78

شکل4-1- هیدرومتری نمونه‌های خاک…………………………………………………………………………………106

 شکل4-2- بافت خاک سطحی با استفاده از طبقه بندی شپرد (Shepard, 1954)……….107

 شکل4-3 مقایسه میانگین عناصر سمّی سنگین نسبت به غلظت رایج آنها در خاکهای ماسه‌ای غیر آلوده………………………………………………………………………………………………………………………………….111

شکل4-4-توزیع مکانی غلظت عناصر در خاکهای سطحی: (1)مس؛ (2)آرسنیک؛ (3)سرب؛ (4)روی؛ (5)کادمیم؛ (6)مولیبدن؛ (7)آنتیموان؛ (8)بیسموت؛ (9)منگنز؛ (10)نیکل؛ (11)کرم

………………………………………………………………………………………………………………………………………………..113

 شکل4-5-نتایج حاصل از انجام آزمون PCA بر روی نمودار سه بعدی مؤلفه‌های اصلی در حالت چرخش واریماکس براساس غلظت کل عناصر در نمونه‌های خاک……………………………..127

 شکل 4-6- نتیجه انجام رده بندی خوشه‌ای به روش سلسله مراتبی بر روی داده‌های خاک سطحی…………………………………………………………………………………………………………………………………….128

 شکل7-4-نتایج محاسبه شاخص بهنجار شده غنی شدگی برای عناصر بالقوه سمی در خاکهای منطقه………………………………………………………………………………………………………………………………………131

 شکل8-4- نتایج محاسبه ضریب زمین انباشت داده‌های خاک سطح…………………………………134

 شکل4-9-توزیع مکانی ضرایب زمین انباشت در خاکهای سطحی منطقه.الف) مس؛ ب) آرسنیک؛ ج) سرب؛ د) روی؛ ذ) کادمیم؛ ر) مولیبدن؛ز) بیسموت؛ ژ) گوگرد؛ ه)آنتیموان………………………………………………………………………………………………………………………………..135

 شکل4-10-توزیع مکانی مقادیرSPI در نمونه‌های خاک سطحی……………………………………….147

 شکل4-11-نتایج حاصل از انجام آزمون PCA بر روی نمودار سه بعدی مؤلفه‌های اصلی در حالت چرخش واریماکس براساس غلظت کل عناصر در نمونه‌های خاک زیر سطحی………….153

 شکل4-12- نتیجه انجام رده بندی خوشه‌ای به روش سلسله مراتبی بر روی داده‌های خاک زیر سطحی………………………………………………………………………………………………………………………………154

 شکل4-13-نتایج انجام استخراج ترتیبی بر روی نمونه‌های خاک و غبار فیلتر…………………..156

شکل 4-14-نتایج حاصل از انجام آزمونPCA بر روی نمودار سه بعدی مؤلفه‌های اصلی در چرخش واریماکس بر اساس غلظت عناصر سمناک در مرحله اول استخراج گزینشی…………158

 شکل 4-15 روابط زمین شیمیایی عناصر سمناک در مرحله اول روش BCR با استفاده از آزمون آنالیز خوشه‌ای……………………………………………………………………………………………………………..159

شکل 4-16-نتایج حاصل از انجام آزمونPCA بر روی نمودار سه بعدی مؤلفه‌های اصلی در چرخش واریماکس بر اساس غلظت عناصر سمناک در مرحله دوم استخراج گزینشی…………161

 شکل 4-17 روابط زمین شیمیایی عناصر سمناک در مرحله دوم روش BCR با استفاده از آزمون آنالیز خوشه‌ای………………………………………………………………………………………………………………162

 شکل 4-18-نتایج حاصل از انجام آزمونPCA بر روی نمودار سه بعدی مؤلفه‌های اصلی در چرخش واریماکس بر اساس غلظت عناصر سمناک در مرحله سوم استخراج گزینشی………..164

 شکل 4-19 روابط زمین شیمیایی عناصر سمناک در مرحله سوم روش BCR با استفاده از آزمون آنالیز خوشه‌ای………………………………………………………………………………………………………………165

 شکل 4-20-نتایج حاصل از انجام آزمونPCA بر روی نمودار سه بعدی مؤلفه‌های اصلی در چرخش واریماکس بر اساس غلظت عناصر سمناک در مرحله چهارم استخراج گزینشی…….167

 شکل 4-21 روابط زمین شیمیایی عناصر سمناک در مرحله چهارم روش BCR با استفاده از آزمون آنالیز خوشه‌ای………………………………………………………………………………………………………………167

 شکل 4-22- گونه پذیری سرب در خاکهای مورد مطالعه…………………………………………………..168