Luận Văn Thạc Sĩ: Điều Chế và Đánh Giá Tính Chất Zeolite Từ Tro Bay Ứng Dụng Trong Nông Nghiệp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu điều chế zeolite từ tro bay, đánh giá tính chất và ứng dụng tiềm năng trong nông nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Bảo Nguyên
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Minh Viễn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Điều chế và đánh giá tính chất của zeolite từ tro bay định hướng ứng dụng trong nông nghiệp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Xâm nhập mặn và hạn hán
• 1.2. Tổng quan về zeolite
• 1.3. Ứng dụng zeolite trong nông nghiệp
• 1.4. Tổng quan về Zeolite K-F
• 1.5. Tính cấp thiết đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4. Hóa chất và dụng cụ
• 2.5. Dụng cụ và thiết bị
• 2.6. Quy trình tổng hợp Zeolite K-F
• 2.7. Phương pháp bề mặt đáp ứng
• 2.8. Phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu
• 2.8.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.8.2. Kính hiển vi điện tử (FESEM)
• 2.8.3. Tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.8.4. Hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt N2
• 2.8.5. Quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS)
• 2.9. Thí nghiệm đánh giá dung lượng trao đổi cation K+
• 2.10. Thí nghiệm đánh giá giảm tác động xâm nhập mặn
• 2.11. Mô tả thí nghiệm đánh giá dung lượng hấp phụ Na+
• 2.12. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Na+
• 2.13. Động học hấp phụ Na+
• 2.14. Thí nghiệm đánh giá giữ nước
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Thành phần tro bay
• 3.2. Tối ưu hóa các thông số công nghệ bằng phần mềm Design Expert
• 3.3. Các tính chất đặc trưng của vật liệu
• 3.3.1. Phân tích cấu trúc vật liệu
• 3.3.2. Phân tích hình thái vật liệu
• 3.3.3. Phân tích thành phần nguyên tố
• 3.3.4. Diện tích bề mặt riêng và cấu trúc mao quản vật liệu
• 3.3.5. Dung lượng hấp phụ cation Na+ của vật liệu
• 3.4. Khả năng giữ nước của vật liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Điều chế zeolite từ tro bay

Điều chế zeolite từ tro bay là một quá trình quan trọng trong nghiên cứu này. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp zeolite K-F từ tro bay, với các thông số công nghệ được tối ưu hóa bằng phần mềm Design Expert 13. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp bao gồm nồng độ KOH, nhiệt độ thủy nhiệt và tỷ lệ Si/Al. Kết quả cho thấy, zeolite K-F tổng hợp có dung lượng trao đổi cation cao, đạt 202 mg/g, phù hợp cho ứng dụng trong nông nghiệp.

1.1. Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt được áp dụng để tổng hợp zeolite K-F từ tro bay. Quá trình này bao gồm việc xử lý tro bay với dung dịch KOH ở nhiệt độ cao, tạo điều kiện cho sự hình thành cấu trúc tinh thể của zeolite. Các thông số như nồng độ KOH, nhiệt độ và tỷ lệ Si/Al được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất tổng hợp.

1.2. Tối ưu hóa thông số công nghệ

Sử dụng phần mềm Design Expert 13, các thông số công nghệ được tối ưu hóa để đạt được zeolite K-F với dung lượng trao đổi cation cao nhất. Kết quả tối ưu bao gồm nồng độ KOH 3.8M, nhiệt độ thủy nhiệt 150°C và tỷ lệ Si/Al 0.34. Điều này chứng tỏ hiệu quả của phương pháp thủy nhiệt trong việc tổng hợp zeolite từ tro bay.

II. Ứng dụng zeolite trong nông nghiệp

Zeolite tổng hợp từ tro bay có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nông nghiệp, đặc biệt là trong việc cải tạo đất, xử lý đất nhiễm mặn và giữ nước. Zeolite K-F được chứng minh có khả năng hấp phụ Na+ trong môi trường nước nhiễm mặn, đồng thời cung cấp ion K+ giúp cây trồng phát triển. Ngoài ra, zeolite còn có khả năng giữ nước trong đất cát, giúp cải thiện năng suất nông nghiệp ở các vùng hạn hán.

2.1. Cải tạo đất và xử lý đất nhiễm mặn

Zeolite K-F có khả năng hấp phụ Na+ trong môi trường nước nhiễm mặn, giúp giảm tác động của xâm nhập mặn. Các nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ và động học hấp phụ cho thấy, zeolite K-F hấp phụ Na+ theo cơ chế vật lý, phù hợp để xử lý đất nhiễm mặn. Điều này góp phần cải thiện chất lượng đất và tăng năng suất cây trồng.

2.2. Giữ nước trong đất cát

Zeolite K-F được chứng minh có khả năng giữ nước trong đất cát, giúp kéo dài thời gian nước được giữ lại trong đất. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc cải thiện năng suất nông nghiệp ở các vùng hạn hán. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc bổ sung zeolite vào đất cát giúp tăng khả năng giữ nước, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững.

III. Đánh giá zeolite từ tro bay

Đánh giá zeolite tổng hợp từ tro bay bao gồm việc phân tích cấu trúc, hình thái và tính chất hóa học của vật liệu. Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử (FESEM) và tán xạ năng lượng tia X (EDX) được sử dụng để xác định cấu trúc và thành phần của zeolite K-F. Kết quả cho thấy, zeolite K-F có cấu trúc tinh thể ổn định và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong nông nghiệp.

3.1. Phân tích cấu trúc và hình thái

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử (FESEM) được sử dụng để phân tích cấu trúc và hình thái của zeolite K-F. Kết quả cho thấy, zeolite K-F có cấu trúc tinh thể ổn định và hình thái bề mặt đồng nhất, đảm bảo hiệu quả trong các ứng dụng thực tế.

3.2. Phân tích thành phần hóa học

Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX) được sử dụng để xác định thành phần hóa học của zeolite K-F. Kết quả cho thấy, zeolite K-F chứa các nguyên tố chính như Si, Al, K, và O, phù hợp với cấu trúc và tính chất của zeolite. Điều này khẳng định hiệu quả của quá trình tổng hợp từ tro bay.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu đã làm gia tăng các hiện tượng xâm nhập mặn và hạn hán, đặc biệt ảnh hưởng nghiêm trọng đến nền nông nghiệp Việt Nam. Theo ước tính, khoảng 1,8 triệu ha đất đồng bằng sông Cửu Long bị nhiễm mặn với độ mặn trên 4 g/L, làm giảm năng suất cây trồng và thu hẹp diện tích đất canh tác. Hạn hán cũng tác động tiêu cực đến độ ẩm đất, gây khô cằn và giảm khả năng sinh trưởng của thực vật. Trong bối cảnh đó, việc phát triển các giải pháp cải tạo đất và nước nhằm giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn và hạn hán là cấp thiết để đảm bảo an ninh lương thực.

Luận văn tập trung vào điều chế và đánh giá tính chất của zeolite K-F tổng hợp từ tro bay, một nguồn nguyên liệu dồi dào và giá thành thấp tại Việt Nam. Zeolite K-F được biết đến với khả năng trao đổi cation cao, hấp phụ ion Na+ trong môi trường nước nhiễm mặn và giữ nước hiệu quả trong đất cát, từ đó hỗ trợ cải tạo đất và tăng năng suất nông nghiệp. Nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các thông số công nghệ tổng hợp zeolite K-F bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp siêu âm, đánh giá dung lượng trao đổi cation K+, khả năng hấp phụ Na+ và giữ nước trong đất.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng hợp zeolite K-F từ tro bay tại Việt Nam, khảo sát các điều kiện tổng hợp trong khoảng nồng độ KOH 1-5M, nhiệt độ 150-200°C và tỷ lệ Al(OH)3 thêm vào 0-0,5 so với khối lượng tro bay. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu cải tạo đất và nước, góp phần giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu đến nông nghiệp, đồng thời tận dụng hiệu quả nguồn tro bay công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết trao đổi cation (Cation Exchange Capacity - CEC): Zeolite có cấu trúc aluminosilicat với các khung tứ diện SiO4 và AlO4, tạo điện tích âm cân bằng bởi các cation như K+, Na+, Ca2+. Khả năng trao đổi cation của zeolite là cơ sở cho việc hấp phụ ion Na+ và cung cấp ion K+ cho cây trồng.

• Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ: Ba mô hình Langmuir, Freundlich và Dubinin-Radushkevich được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ Na+ trên bề mặt zeolite K-F. Mô hình Langmuir cho thấy quá trình hấp phụ thuận lợi với hệ số RL = 0,99; mô hình Freundlich có hệ số R² = 0,9294 chứng tỏ hấp phụ tốt; mô hình Dubinin-Radushkevich xác định cơ chế hấp phụ vật lý với năng lượng E = 3,11 x 10⁻⁴ J/mol.

• Mô hình động học hấp phụ bậc hai: Phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, mô tả tốc độ hấp phụ Na+ trên zeolite K-F.

• Lý thuyết lớp điện tích kép: Giải thích cơ chế hấp phụ Na+ trong dung dịch nước nhiễm mặn, trong đó zeolite tạo ra lớp điện tích kép giúp hấp phụ ion Na+ hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Tro bay được thu thập từ khu công nghệ cao TP. Hồ Chí Minh, sau khi tiền xử lý (rây, nghiền, sấy) và phân tích thành phần hóa học đảm bảo SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 ≥ 70%.

• Phương pháp tổng hợp: Zeolite K-F được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp siêu âm. Các yếu tố khảo sát gồm nồng độ KOH (1M, 3M, 5M), nhiệt độ thủy nhiệt (150°C, 175°C, 200°C), và tỷ lệ Al(OH)3 thêm vào (0; 0,25; 0,5 so với khối lượng tro bay). Thời gian thủy nhiệt là 24 giờ.

• Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) với mô hình Box-Behnken qua phần mềm Design Expert 13 để tối ưu hóa các thông số tổng hợp nhằm đạt dung lượng trao đổi cation K+ cao nhất.

• Phân tích đặc trưng vật liệu: Xác định cấu trúc và hình thái bằng XRD, SEM, EDX; đo diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước mao quản bằng phương pháp BET; xác định thế zeta để đánh giá tính ổn định phân tán.

• Đánh giá tính chất: Thí nghiệm đo dung lượng trao đổi cation K+ trong dung dịch NaCl; khảo sát hấp phụ Na+ ở các độ mặn 10, 20, 30, 40, 50 g/L NaCl; xây dựng mô hình đẳng nhiệt và động học hấp phụ; đánh giá khả năng giữ nước khi thêm zeolite vào đất cát so với mẫu chuẩn.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu tro bay được lấy đại diện từ khu công nghệ cao, tổng hợp nhiều mẫu theo ma trận thí nghiệm để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện từ tháng 8/2023 đến tháng 7/2024, bao gồm giai đoạn tổng hợp, phân tích đặc trưng, thí nghiệm đánh giá và xử lý số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp zeolite K-F:

   • Nồng độ KOH tối ưu là 3,8M, nhiệt độ thủy nhiệt 150°C, và tỷ lệ Al(OH)3 thêm vào 0,34 so với khối lượng tro bay.
   • Zeolite K-F tổng hợp theo điều kiện này đạt dung lượng trao đổi cation K+ là 202 mg/g, cao hơn đáng kể so với các điều kiện khác trong khoảng khảo sát.

2. Đặc trưng vật liệu:

   • Phân tích XRD xác nhận cấu trúc tinh thể zeolite K-F với các đỉnh đặc trưng rõ ràng.
   • SEM cho thấy hình thái tinh thể đồng đều, kích thước hạt phân bố hẹp.
   • Diện tích bề mặt riêng đạt khoảng 27 m²/g, phù hợp với khả năng hấp phụ cao.
   • Thế zeta cho thấy mẫu ổn định trong dung dịch nước và dung dịch NaCl 10 g/L.

3. Khả năng hấp phụ Na+ trong nước nhiễm mặn:

   • Ở các độ mặn từ 10 đến 50 g/L NaCl, zeolite K-F thể hiện khả năng hấp phụ Na+ hiệu quả.
   • Mô hình Langmuir cho hệ số RL = 0,99 < 1, chứng tỏ quá trình hấp phụ thuận lợi.
   • Mô hình Freundlich với R² = 0,9294 cho thấy hấp phụ Na+ trên bề mặt vật liệu tốt.
   • Mô hình Dubinin-Radushkevich xác định năng lượng hấp phụ E = 3,11 x 10⁻⁴ J/mol < 8000 J/mol, cho thấy cơ chế hấp phụ vật lý.
   • Động học hấp phụ bậc hai phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, cho biết quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ Na+ và thời gian.

4. Khả năng giữ nước trong đất cát:

   • Khi thêm zeolite K-F với hàm lượng 2%, 4% và 8% vào 50 g đất cát, phần trăm nước giữ lại tăng đáng kể so với đất cát không có zeolite.
   • Thời gian giữ nước trong đất cũng kéo dài hơn, giúp cải thiện khả năng chống hạn cho cây trồng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy zeolite K-F tổng hợp từ tro bay có dung lượng trao đổi cation K+ cao, phù hợp để cung cấp ion K+ cho cây trồng, đồng thời hấp phụ hiệu quả ion Na+ trong môi trường nước nhiễm mặn. Điều này giúp giảm tác động xâm nhập mặn, cải thiện cấu trúc đất và tăng khả năng sinh trưởng của cây trồng. So với các nghiên cứu trước đây, dung lượng trao đổi cation đạt 202 mg/g là mức cao, chứng tỏ hiệu quả của việc tối ưu hóa các thông số tổng hợp bằng phương pháp bề mặt đáp ứng.

Phân tích đẳng nhiệt hấp phụ và động học hấp phụ cho thấy quá trình hấp phụ Na+ chủ yếu theo cơ chế vật lý, phù hợp với lý thuyết lớp điện tích kép, giúp zeolite K-F giữ ion Na+ hiệu quả trong môi trường nước mặn. Khả năng giữ nước của zeolite K-F cũng được cải thiện rõ rệt, hỗ trợ giảm thiểu tác động hạn hán, tăng độ ẩm đất và kéo dài thời gian cung cấp nước cho cây trồng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đẳng nhiệt hấp phụ Na+ theo các mô hình Langmuir, Freundlich và Dubinin-Radushkevich, cùng đồ thị động học hấp phụ bậc hai, giúp minh họa rõ ràng quá trình hấp phụ và tốc độ hấp phụ Na+. Bảng so sánh dung lượng trao đổi cation và khả năng giữ nước giữa các mẫu đất có và không có zeolite cũng làm nổi bật hiệu quả cải tạo đất của zeolite K-F.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng zeolite K-F trong cải tạo đất nhiễm mặn:

   • Khuyến nghị sử dụng zeolite K-F với hàm lượng từ 2% đến 8% trong đất cát để tăng khả năng giữ nước và giảm ion Na+ trong đất.
   • Thời gian áp dụng: từ vụ mùa tiếp theo, ưu tiên các vùng đất bị xâm nhập mặn nặng.
   • Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý nông nghiệp, doanh nghiệp sản xuất vật liệu cải tạo đất.

2. Sử dụng zeolite K-F làm vật liệu hấp phụ trong xử lý nước tưới:

   • Áp dụng zeolite K-F để xử lý nước nhiễm mặn trước khi tưới tiêu, giảm độ mặn xuống mức cho phép (<4 g/L).
   • Thời gian thực hiện: triển khai thí điểm trong 6-12 tháng tại các vùng hạn chế nguồn nước ngọt.
   • Chủ thể thực hiện: các đơn vị cấp nước, hợp tác xã nông nghiệp.

3. Phát triển quy trình sản xuất zeolite K-F từ tro bay quy mô công nghiệp:

   • Tối ưu hóa quy trình thủy nhiệt kết hợp siêu âm để sản xuất zeolite K-F với chất lượng ổn định và chi phí hợp lý.
   • Thời gian: nghiên cứu và triển khai trong 1-2 năm.
   • Chủ thể thực hiện: các nhà máy nhiệt điện, doanh nghiệp công nghiệp hóa chất.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ:

   • Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng zeolite K-F cho cán bộ kỹ thuật và nông dân.
   • Thời gian: liên tục trong các năm tới.
   • Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu, trung tâm khuyến nông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường và Nông nghiệp:

   • Học hỏi quy trình tổng hợp zeolite từ tro bay, phương pháp tối ưu hóa công nghệ và đánh giá tính chất vật liệu.
   • Áp dụng kiến thức vào nghiên cứu phát triển vật liệu cải tạo đất và xử lý nước.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu cải tạo đất và xử lý nước:

   • Tham khảo công nghệ tổng hợp zeolite K-F hiệu quả, tiết kiệm chi phí từ nguồn nguyên liệu tro bay dồi dào.
   • Phát triển sản phẩm mới phục vụ thị trường nông nghiệp và môi trường.

3. Cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường:

   • Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, chương trình hỗ trợ cải tạo đất nhiễm mặn và hạn hán.
   • Đánh giá hiệu quả các giải pháp kỹ thuật trong thực tiễn.

4. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp:

   • Áp dụng zeolite K-F để cải tạo đất, tăng năng suất cây trồng, giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn và hạn hán.
   • Nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo an ninh lương thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Zeolite K-F là gì và tại sao được chọn để nghiên cứu?
   Zeolite K-F là loại zeolite tổng hợp có cấu trúc aluminosilicat với khả năng trao đổi cation cao, đặc biệt cung cấp ion K+ cần thiết cho cây trồng. Nó được chọn vì có khả năng hấp phụ ion Na+ trong nước nhiễm mặn và giữ nước tốt, phù hợp để cải tạo đất nhiễm mặn và hạn hán.

2. Tại sao sử dụng tro bay làm nguyên liệu tổng hợp zeolite?
   Tro bay là phụ phẩm công nghiệp dồi dào, chứa nhiều silica và alumina, có giá thành thấp. Sử dụng tro bay giúp giảm ô nhiễm môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có và giảm chi phí sản xuất zeolite.

3. Phương pháp thủy nhiệt kết hợp siêu âm có ưu điểm gì?
   Phương pháp này giúp tăng tốc độ kết tinh, giảm thời gian tổng hợp, tạo ra zeolite có kích thước hạt đồng đều và diện tích bề mặt lớn hơn so với phương pháp thủy nhiệt truyền thống.

4. Zeolite K-F có thể giảm xâm nhập mặn như thế nào?
   Zeolite K-F hấp phụ ion Na+ trong dung dịch nước nhiễm mặn qua quá trình trao đổi cation và hấp phụ vật lý, từ đó giảm nồng độ Na+ trong nước tưới, hạn chế tác động xâm nhập mặn lên đất và cây trồng.

5. Khả năng giữ nước của zeolite K-F ảnh hưởng thế nào đến nông nghiệp?
   Zeolite K-F có cấu trúc xốp giúp giữ nước trong đất lâu hơn, cải thiện độ ẩm đất, hỗ trợ cây trồng chống chịu hạn hán, tăng hiệu quả sử dụng nước và năng suất cây trồng.

Kết luận

• Zeolite K-F được tổng hợp thành công từ tro bay bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp siêu âm với dung lượng trao đổi cation K+ đạt 202 mg/g.
• Các mô hình đẳng nhiệt và động học hấp phụ cho thấy zeolite K-F hấp phụ Na+ hiệu quả theo cơ chế vật lý, phù hợp để giảm xâm nhập mặn trong nước tưới.
• Zeolite K-F cải thiện khả năng giữ nước trong đất cát, kéo dài thời gian cung cấp nước cho cây trồng, hỗ trợ chống hạn.
• Nghiên cứu đề xuất các điều kiện tổng hợp tối ưu và ứng dụng thực tiễn trong cải tạo đất và xử lý nước nhiễm mặn.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp, triển khai ứng dụng thực tế và đào tạo chuyển giao công nghệ.

Hành động khuyến nghị: Các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý nên phối hợp triển khai ứng dụng zeolite K-F trong nông nghiệp để nâng cao năng suất và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Xâm nhập mặn và hạn hán Xâm nhập mặn Xâm nhập mặn là hiện tượng nước mặn với nồng độ muối bằng 4‰ xâm nhập sâu vào nội đồng khi xảy ra triều cường, nước biển dâng hoặc cạn kiệt nguồn nước ngọt. Hiện tượng này diễn ra phổ biến tại các cửa sông tiếp giáp với biển. Vào mùa khô, lượng nước từ sông đổ ra biển giảm, nước biển lấn sâu vào sông làm cho nước sông bị nhiễm mặn, độ mặn sẽ giảm dần theo hướng vào đất liền (hình 1.

Khi nước biển xâm nhập vào đất liền mang theo các muối hòa tan và bị kết cấu đất giữ lại, tích tụ và gây đất nhiễm mặn. Các muối hòa tan thường chứa các ion là Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42- và HCO3- nhưng phần lớn là ion Na+ và Cl- [1]. Mặc dù các loại ion có vai trò quan trọng trong cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng nhưng ion Na+ không tham gia vào quá trình sinh trưởng và phát triển của phần lớn các loại thực vật [2]. Lượng lớn ion Na+ trong đất nhiễm mặn làm phân tán đất sét và các chất hữu cơ có sẵn trong đất dẫn đến đất có cấu trúc kém, độ xốp, khả năng vận chuyển nước và thông khí giảm nên đất dễ bị xói mòn, giảm sự nảy mầm của hạt và sự phát triển của rễ [3].

Hơn nữa, tích trữ lượng dư ion Na+ quanh rễ làm cây trồng không hấp thu được nước và chất dinh dưỡng do các ion Na+ ức chế sự phát triển của rễ, can thiệp vào quá trình vận chuyển trong màng sinh chất ở rễ [4]. Do đó, sự dư thừa lượng lớn ion Na+ được xem là nguyên nhân chính dẫn đến đất và nước nhiễm mặn. Hiện tượng xâm nhập mặn ở vùng cửa sông [5] 3 Độ mặn của nước và đất nhiễm mặn được thể hiện thông qua độ dẫn điện (Electrical Conductivity – EC). Độ dẫn điện là một chỉ số để đo lượng muối hòa tan có trong nước hoặc đất nhiễm mặn và đơn vị được quốc tế sử dụng là DeciSiemens trên mét (dS/m) [6].

Ở Việt Nam, đơn vị thường được sử dụng là ‰ và g/L với 1 dS/m tương đương với 0,64 ‰ hoặc 0,64 g/L. Dựa vào nồng độ muối hòa tan và độ dẫn điện, nước và đất nhiễm mặn được phân loại như Bảng 1. Phân loại nước nhiễm mặn [7] Phân loại nước nhiễm mặn Nồng độ muối hòa tan (g/L) Ngọt <2 Hơi mặn 2-4 Rất mặn >4 Bảng 1. Phân loại đất nhiễm mặn [8] Phân loại đất nhiễm mặn Độ dẫn điện của đất (dS/m) Không mặn 0-2 Mặn ít 2-4 Mặn 4-8 Rất mặn >8 Xâm nhập mặn gây ảnh hưởng tiêu cực đến nguồn nước và đất nông nghiệp.

Khi xâm nhập mặn xảy ra, không có nước ngọt để tưới tiêu các loại cây ăn quả, hoa màu và lương thực dẫn đến việc sản xuất nông nghiệp bị trì trệ. Sử dụng nước nhiễm mặn để tưới cây trồng có thể làm cây trồng rụng lá, hoa, trái hàng loạt và thậm chí dẫn đến chết cây trồng. Xâm nhập mặn vào đất liền làm đất nhiễm mặn, thay đổi cấu trúc đất và hàm lượng nước, các chất dinh dưỡng làm ảnh hưởng đến sự tồn tại và phát triển của thực vật [9], vi sinh vật [10], [11] và các chu trình sinh địa hóa [12]. 4 Hạn hán Hạn hán là hiện tượng thời tiết cực đoan, xảy ra khi một khu vực trải qua một khoảng thời gian kéo dài có lượng mưa ít hơn nhiều so với mức bình thường.

Những yếu tố khí tượng đi kèm thường là nhiệt độ cao, gió mạnh và độ ẩm không khí thấp [13]. Hạn hán thường gây ảnh hưởng trên diện tích rộng dẫn đến thiếu nước, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường, kinh tế và xã hội. Hạn hán được phân làm 4 loại: Hạn khí tượng, hạn thủy văn, hạn nông nghiệp và hạn kinh tế - xã hội. Hạn nông nghiệp xảy ra khi đất có độ ẩm thấp, không đáp ứng đủ nhu cầu duy trì sự phát triển của cây trồng, làm giảm năng suất hoặc gây chết.

Đặc trưng của hạn nông nghiệp được biểu thị: đối với cây trồng là sự chuyển đổi về hình dạng, màu sắc của cây và lá như héo, khô, chết; đối với đất canh tác là độ ẩm của đất. Dựa vào hai tiêu chí dung tích hồ chứa và mưa, hạn hán được phân làm 4 cấp độ theo TCVN 8643:2020 và được tóm tắt như bảng 1. Trong đó, dung tích hồ là thể tích nước trong hồ điều tiết – hồ dùng để trữ lượng nước thừa trong mùa lũ để bổ sung cho mùa khô. Các tiêu chí dung tích hồ chứa và mưa được xác định trong mùa khô và khi thỏa mãn đồng thời thì cấp độ hạn được xác định.

Trường hợp các tiêu chí không đồng thời thỏa mãn thì cấp độ hạn được đánh giá dựa trên dung tích hồ chứa. Phân loại cấp độ hạn hán Tiêu chí đánh Cấp độ hạn hán giá hạn hán Cấp độ 1 Cấp độ 2 Cấp độ 3 Cấp độ 4 Dung tích hồ Thiếu hụt so Thiếu hụt so Thiếu hụt so Thiếu hụt so chứa với trung bình với trung bình với trung bình với trung bình nhiều năm từ nhiều năm trên nhiều năm trên nhiều năm trên 20-50% 50-70% 50-70% 50-70% Mưa 1. Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa tháng thiếu hụt tháng thiếu hụt tháng thiếu hụt tháng thiếu hụt so với trung so với trung so với trung so với trung bình nhiều năm bình nhiều năm bình nhiều năm bình nhiều năm 5 trên 50%. Thời gian 1-2 tháng (liên Trên 2-3 tháng 3-6 tháng (liên Trên 6 tháng kéo dài tiếp) (liên tiếp) tiếp) (liên tiếp) Hạn hán gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất nông nghiệp [14].

Hạn hán làm giảm mực nước trong các sông và hồ dẫn đến thiếu nước để tưới tiêu cây trồng [15]. Ở vùng hạn hán, do lượng mưa ít hoặc không có mưa dẫn đến độ ẩm trong đất thấp, chỉ một lượng nước nhỏ được thực vật giữ lại trong thân do tốc độ thoát hơi nước qua lá nhanh hơn tốc độ lấy nước từ rễ của thực vật. Sự thiếu hụt nước trong đất và không khí dẫn đến lá vàng, khô héo, cháy lá [16]. Để thích ứng với độ ẩm trong đất, thực vật phải thay đổi sự phát triển và cấu trúc của rễ, đồng thời đóng khí khổng.

Những phản ứng này dẫn đến thực vật ra hoa sớm hoặc tăng trưởng còi cọc và thường làm giảm năng suất cây trồng [17]. Bên cạnh đó, hạn hán còn làm gia tăng mức độ xâm nhập mặn. Tác động xâm nhập mặn và hạn hán đến đồng bằng sông Cửu Long Trong mùa khô 2019–2020, đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) xảy ra một đợt hạn hán và xâm nhập mặn nghiêm trọng hơn những năm trước đây (hình 1. Nước mặn xâm nhập sâu vào đất liền tới 110 km, sâu hơn trung bình hằng năm khoảng 10 km.

Cụ thể, xâm nhập mặn vào sâu đất liền đến 71 km trên sông Hàm Luông vào tháng 2 năm 2019, vượt kỷ lục cao nhất là 11 km vào năm 2016. Trong thảm họa 2019–2020, xâm nhập mặn xảy ra từ tháng 11 năm 2019, sớm hơn 2,5 - 3,5 tháng so với mức trung bình hàng năm và kéo dài hơn 30 ngày. Xâm nhập mặn và hạn hán gây ra nhiều thiệt hại: Hàng năm, khoảng 1,8 triệu ha, tương đương khoảng 45% diện tích đất đồng bằng có độ mặn trên 4 g/l [18] gây ảnh hưởng đến năng suất sản xuất gạo vì cây lúa không phát triển tốt ở độ mặn trên 4 g/l [19]. Hạn hán và xâm nhập mặn xảy ra nghiêm trọng vào mùa khô năm 2015-2016 đã gây mất mùa trên diện rộng, ảnh hưởng đến 9 tỉnh ven biển và 13 tỉnh đều bị ảnh hưởng do thiếu nước.

Tổng thiệt hại trong sản xuất nông nghiệp ước tính khoảng 300 triệu USD, với 250.000 ha lúa bị hư hại và hơn một triệu dân thiếu nước uống sạch [20]. Năm 2019, sản lượng lúa thấp hơn mức trung bình 0,6 triệu tấn do hạn hán và 6 thời tiết nắng nóng. Năm 2020, Sóc Trăng và Trà Vinh đã tuyên bố tình trạng khẩn cấp do hạn hán và nhiễm mặn ảnh hưởng đến hơn 100.000 ha sản xuất lúa gạo khi nước mặn xâm nhập khoảng 60–70 km vào đất liền [21]. Hơn nữa, hạn hán và xâm nhập mặn còn gây thiệt hại 30.000 ha lúa ở Cà Mau, khoảng 20.000 ha cây ăn quả và 6.500 ha rau màu ở Bến Tre.

Xâm nhập mặn ở đồng bằng sông Cửu Long [21] Biện pháp hạn chế xâm nhập mặn và hạn hán Phương pháp phổ biến được sử dụng để giảm thiểu xâm nhập mặn và hạn hán là nạp nước nhân tạo (artificial recharge) bằng cách đưa nước ngọt vào tầng chứa nước ngầm thông qua việc sử dụng giếng hoặc ao nhân tạo [22]. Các nguồn nước ngọt được sử dụng thường là nước mưa, sông hồ, nước lợ hoặc nước mặn đã khử muối và nước thải đã qua xử lý [23, 24]. Mục đích của việc bơm nước ngọt vào giếng là tạo ra rào cản thủy lực và ngăn nước mặn di chuyển vào đất liền [25]. Vào mùa khô, nước được dự trữ trong giếng có thể được sử dụng để cung cấp nước cho việc tưới tiêu các loại cây nông nghiệp.

Các kỹ thuật khác có thể được sử dụng như trồng các loại cây có khả năng chịu mặn và hạn phù hợp với đất nhiễm mặn và hạn hán [26-28], sử dụng vi sinh vật [29, 30]… Trong đó, phương pháp cải tạo đất được sử dụng khá phổ biến và mang lại hiệu quả cao [31]. Có hai loại cải tạo đất: vô cơ và hữu cơ. Chất cải tạo hữu cơ có khả năng cải thiện cấu trúc của đất, tăng khả năng giữ nước và tăng cường 7 hoạt động của vi sinh vật do đó muối dần dần được thấm qua cấu trúc xốp của đất. Trong khi đó, chất cải tạo đất vô cơ sẽ thay thế ion Na+ có trong đất bằng cách hấp phụ từ đó làm giảm độ mặn.

Việc này làm tăng độ bão hòa bazơ, khả năng tích trữ nước của đất và tác động tích cực đến sự sinh trưởng của thực vật [2]. Các loại chất cải tạo đất thường được sử dụng là than sinh học, phân trùn quế, thạch cao… Một chất cải tạo đất được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây là zeolite do có khả năng trao đổi cation cao, hấp phụ và giữ nước tốt nên được sử dụng để làm giảm độ mặn của nước tưới tiêu cây trồng, cải tạo đất nhiễm mặn và khô cằn do hạn hán [32- 36]. Tổng quan về zeolite 1. Giới thiệu chung về zeolite Zeolite là tên gọi chung chỉ một họ vật liệu khoáng vô cơ có cùng thành phần là aluminosilicat [37].