Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật môi trường (mã số 9520320) của nghiên cứu sinh Trần Lê Ba, thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Trung Thành và PGS. Nguyễn Nhật Huy, có tiêu đề: "Nghiên cứu tận dụng nước nhiễm phèn để tổng hợp vật liệu lưỡng chức năng hấp phụ - trao đổi ion phục vụ xử lý nước".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nước nhiễm phèn là nguồn nước tự nhiên chứa hàm lượng cao các ion kim loại hòa tan như sắt (iron), nhôm (aluminium), canxi (calcium) và magie (magnesium) giải phóng từ đất phèn. Tại tỉnh An Giang, diện tích đất phèn ước tính khoảng 30.146 ha, tập trung chủ yếu tại huyện Tri Tôn (chiếm gần 67%). Nguồn nước mặt tại đây có hàm lượng sắt vượt nhiều lần giới hạn cho phép theo QCVN 08:2023/BTNMT (0,5 mg/L), có nơi vượt quá 50 mg/L, gây ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống, sức khỏe và sản xuất nông nghiệp của người dân.

Song song đó, vấn đề phú dưỡng hóa nguồn nước do phát thải hợp chất chứa phosphorus (orthophosphate) từ nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp chế biến thủy sản đang là thách thức kỹ thuật lớn. Các phương pháp xử lý truyền thống thường gặp khó khăn trong việc loại bỏ đồng thời các ion đa hóa trị mang điện tích trái dấu. Một số nghiên cứu trước đây đã tổng hợp vật liệu dạng iron hydroxide trên nền hạt nhựa trao đổi anion, tuy nhiên các vật liệu này chỉ dừng lại ở tính năng đơn lẻ (chỉ xử lý anion phosphate). Khi đưa vào thực tế xử lý các nguồn nước chứa đồng thời anion phosphate và các cation gây độ cứng ($Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$), việc sử dụng vật liệu đơn chức năng làm tăng chi phí hóa chất, diện tích mặt bằng và thể tích công trình phản ứng. Khoảng trống nghiên cứu được luận án tập trung giải quyết là: thu hồi các ion kim loại sẵn có trong nước nhiễm phèn tự nhiên để tổng hợp trực tiếp lên nền hạt nhựa trao đổi cation, tạo ra một loại vật liệu lưỡng chức năng có khả năng xử lý đồng thời phosphate (qua cơ chế hấp phụ tạo phức bề mặt) và độ cứng (qua cơ chế trao đổi ion).

Mục tiêu nghiên cứu

  • Mục tiêu tổng quát: Tổng hợp vật liệu lưỡng chức năng hấp phụ - trao đổi ion mới từ nguồn kim loại được thu hồi trong nước nhiễm phèn để xử lý phosphate và độ cứng trong điều kiện phòng thí nghiệm; đồng thời đánh giá khả năng xử lý đối với nước thải sinh hoạt và nước thải nhà máy (cơ sở) chế biến thủy sản.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Tìm ra các điều kiện phù hợp cho quá trình chế tạo vật liệu HIAO/225H có khả năng hấp phụ phosphate và xử lý độ cứng trong môi trường nước.
    2. Đưa ra cơ chế hấp phụ, đánh giá khả năng xử lý phosphate và độ cứng của vật liệu HIAO/225H trong nước giả thải, nước thải sinh hoạt và nước thải nhà máy (cơ sở) chế biến thủy sản.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Các kim loại hòa tan (iron, aluminium, calcium, magnesium) trong nguồn nước nhiễm phèn tại huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang.
    • Anion phosphate ($PO_4^{3-}$) trong nước thải sinh hoạt.
    • Anion phosphate và độ cứng ($Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$) trong nước thải nhà máy chế biến thủy sản.
  • Phạm vi không gian:
    • Nước nhiễm phèn tự nhiên thu thập tại đoạn Kênh Ba Chúc, ấp Vĩnh An, xã Vĩnh Phước, huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang.
    • Mẫu nước thải sinh hoạt lấy tại hố thu gom của nhà máy xử lý nước thải thuộc phường Bình Đức, thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang.
    • Mẫu nước thải công nghiệp thu tại hố thu gom của Công ty Cổ phần Xuất nhập khẩu Thủy sản An Giang (Agifish), phường Bình Đức, thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang.
    • Địa điểm chế tạo vật liệu và phân tích thực nghiệm: Phòng thí nghiệm Khoa Kỹ thuật – Công nghệ – Môi trường thuộc Trường Đại học An Giang; phân tích kim loại bằng phương pháp AAS tại Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Tài nguyên Môi trường tỉnh An Giang.
  • Phạm vi thời gian:
    • Thu thập mẫu nước phèn: Tháng 3 đến tháng 6 năm 2021.
    • Thu mẫu nước thải sinh hoạt: Tháng 3 năm 2022.
    • Thu mẫu nước thải chế biến thủy sản: Tháng 1 năm 2023.
    • Giai đoạn nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm vật liệu FeOOH/225H: Từ tháng 3/2021 đến tháng 3/2022.
    • Giai đoạn nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm vật liệu HIAO/225H: Từ tháng 3/2022 đến tháng 3/2023.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nguồn gốc đất phèn, các phương pháp khử sắt, xử lý độ cứng, xử lý ô nhiễm phosphate và công nghệ chế tạo vật liệu:

Các hướng nghiên cứu được điểm lại

  • Nguồn gốc và phân loại đất phèn/nước phèn: Tác giả viện dẫn phương pháp định lượng của FAO-UNESCO (1996) trong phân loại tầng sinh phèn (sulfur tổng số $> 0,7 - 0,75%$) và tầng phèn (chứa khoáng Jarosit $KFe_3(SO_4)_2(OH)_6$, $pH < 3,5$). Đào Xuân Học và cộng sự (2005) phân loại các dạng phèn theo kinh nghiệm thực tế ở Nam Bộ thành phèn nóng, phèn lạnh, phèn đỏ, phèn trắng và phèn đen. Phân loại 3 loại nước phèn tự nhiên theo hàm lượng sắt và sulfate (loại 1: Fe $30 - 120\text{ mg/L}$, $SO_4^{2-}$ $800 - 5000\text{ mg/L}$; loại 2: Fe $25 - 70\text{ mg/L}$; loại 3: Fe $2 - 10\text{ mg/L}$, Al $40 - 120\text{ mg/L}$).
  • Công nghệ khử sắt trong nước phèn:
    • Phương pháp dân gian: Sử dụng tro bếp ($5 - 10\text{ g/L}$), bã thơm khô, rửa phèn bằng nước mặn và nước ngọt.
    • Phương pháp hóa học và keo tụ: Trịnh Xuân Lai (2004) nâng pH và khử sắt bằng kiềm $Na_2CO_3$ kết hợp lắng lọc cát; Nguyễn Chánh (2003) khử sắt tại Công ty Dệt Đà Nẵng bằng hệ thống làm thoáng Ezectơ và dàn phun mưa (giảm sắt từ $4,15 - 5,09\text{ mg/L}$ xuống $0,116 - 0,179\text{ mg/L}$); Tô Văn Thiệp và cộng sự (2004) kết hợp làm thoáng với chất oxy hóa mạnh $KMnO_4$ để xử lý sắt dạng keo hữu cơ khó oxy hóa (đưa hàm lượng sắt về $0,10 - 0,12\text{ mg/L}$).
    • Phương pháp sinh học: Bùi Xuân Đông và cộng sự (2015) ứng dụng vi khuẩn khử sulfate (SRB) sử dụng cơ chất lactate để khử ion $SO_4^{2-}$ sinh $H_2S$, kết tủa sắt thành FeS, làm tăng pH từ 3,8 lên 7,4 và giảm nồng độ $Fe^{2+}$ từ $57\text{ mg/L}$ xuống $28,6\text{ mg/L}$ sau 8 ngày.
  • Xử lý độ cứng và phosphate:
    • Tổng quan các phương pháp khử canxi, magie bằng zeolite clinoptilolite tự nhiên (dung lượng $11\text{ mg }Ca^{2+}/\text{g}$), màng siêu lọc UF 5.000 (loại bỏ $94% Ca^{2+}$, $71%$ kiềm), khoáng sét, và hạt nhựa trao đổi cation gốc copolymer styrene-divinylbenzene (dung lượng $27,02 - 27,7\text{ mg/g}$).
    • H. Holtan và cộng sự (1988) phân tích các dạng tồn tại của phosphorus trong thủy vực; các công nghệ sinh học xử lý phosphorus như A/O, Phostrip, EBPR, MBR, MABR và SBR.
    • Nghiên cứu tận dụng nước phèn cho phản ứng Fenton dị thể xử lý COD và màu trong nước thải dệt nhuộm.
    • Các nghiên cứu gắn iron hydroxide lên hạt nhựa trao đổi anion thương mại để hấp phụ phosphate.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây chủ yếu sử dụng muối sắt hóa chất tinh khiết để tẩm lên nền nhựa anion hoặc vật liệu vô cơ, tạo ra chất hấp phụ đơn chức năng chỉ thu hồi được anion. Luận án chọn giải quyết hai hạn chế cốt lõi:

  1. Chuyển đổi nguồn chất thải/nước ô nhiễm (nước phèn tự nhiên chứa Fe, Al, Ca, Mg) thành nguồn nguyên liệu hữu ích để tổng hợp pha hoạt tính hấp phụ thay vì dùng hóa chất tinh khiết đắt tiền.
  2. Sử dụng nền hạt nhựa trao đổi cation acid mạnh (Indion 225H) để vừa cố định pha oxit/hydroxit sắt nhằm hấp phụ chọn lọc phosphate, vừa duy trì dung lượng trao đổi ion tự do của hạt nhựa để đồng thời làm mềm nước (loại bỏ $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết phản ứng oxy hóa - kết tủa: Dựa trên quá trình chuyển hóa các cation sắt hòa tan ($Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$) cùng các ion $Al^{3+}$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ thành dạng oxit/hydroxit hỗn hợp (chủ yếu là pha FeOOH) gắn kết trên bề mặt và trong cấu trúc mao quản của hạt nhựa.
  • Lý thuyết trao đổi ion: Sử dụng hạt nhựa trao đổi cation acid mạnh Indion 225H chứa nhóm chức sulfonic ($-SO_3H$) trên khung nền polymer styrene divinylbenzene, có khả năng phân ly ion $H^+$ để trao đổi thuận nghịch với các cation $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$.
  • Lý thuyết hấp phụ bề mặt: Quá trình lưu giữ phosphate ($H_2PO_4^-$, $HPO_4^{2-}$) diễn ra thông qua tương tác tĩnh điện và cơ chế tạo phức bề mặt với các vị trí hoạt tính hydro-oxit sắt ($\equiv FeOH + H_2PO_4^- \rightarrow \equiv FeH_2PO_4 + OH^-$). Đồng thời, hiện tượng tăng cường hấp phụ được giải thích nhờ các cation đa hóa trị ($Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$) đóng vai trò chất điện giải tạo cầu nối điện tích giữa bề mặt vật liệu và ion phosphate.
  • Mô hình tính toán: Động học hấp phụ (mô hình bậc 1, bậc 2 biểu kiến, khuếch tán nội hạt), mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, và các thông số nhiệt động lực học ($\Delta G^\circ, \Delta H^\circ, \Delta S^\circ$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án kết hợp phương pháp điều tra xã hội học định lượng với chuỗi thực nghiệm hóa lý quy mô phòng thí nghiệm:

Nhóm phương pháp Nội dung và kỹ thuật thực hiện Thiết bị / Tiêu chuẩn áp dụng
Điều tra xã hội học Khảo sát 100 hộ dân tại xã Vĩnh Tuyền và Vĩnh Phước (Tri Tôn) về hiện trạng sử dụng nước phèn, tác động sức khỏe và biện pháp xử lý dân gian. Phiếu phỏng vấn trực tiếp, phân tích tần suất thống kê.
Chế tạo vật liệu Tổng hợp vật liệu FeOOH/225H (từ muối sắt tinh khiết) và HIAO/225H (thu hồi kim loại từ nước phèn tự nhiên) trên nền nhựa Indion 225H. Phương pháp kết tủa hóa học, rửa khử ion và sấy mẫu.
Phân tích đặc trưng vật liệu Xác định nhóm chức bề mặt, cấu trúc tinh thể, hình thái vi cấu trúc, thành phần nguyên tố và điện tích điểm không. FTIR, XRD, SEM, EDX, phương pháp xác định $pH_{pzc}$.
Thực nghiệm hấp phụ Khảo sát theo mẻ (batch experiments): ảnh hưởng của thời gian (chế độ tĩnh và khuấy 150 rpm), pH (từ acid đến kiềm), liều lượng vật liệu ($g/L$), nồng độ ban đầu và nhiệt độ. Máy lắc, máy khuấy từ, nồng độ phosphate đo bằng quang phổ kế UV-Vis.
Khảo sát ion cạnh tranh Đánh giá ảnh hưởng của các anion ($Cl^-$, $HCO_3^-$, $SO_4^{2-}$, $NO_3^-$) và cation ($Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$) đến hiệu suất hấp phụ. Dung dịch giả thải đơn và đa cấu tử.
Xử lý nước thải thực tế Thử nghiệm xử lý phosphate và độ cứng trên nước giả thải, nước thải sinh hoạt và nước thải chế biến thủy sản Agifish. Quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT, QCVN 40:2011/BTNMT, phương pháp chuẩn SMEWW.
Độ bền và tái sinh Thử nghiệm chu kỳ hấp phụ - giải hấp 10 lần liên tiếp để kiểm tra độ bền cơ lý và khả năng duy trì hoạt tính. Tác nhân giải hấp: dung dịch axit $HCl$ và kiềm $NH_3$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm phèn tại vùng Tứ giác Long Xuyên (An Giang) và nguy cơ phú dưỡng do xả thải phosphate. Chương này xác định rõ đối tượng nghiên cứu (Fe, Al, Ca, Mg trong nước phèn; phosphate trong nước thải sinh hoạt; phosphate và độ cứng trong nước thải thủy sản), phạm vi không gian và thời gian từ năm 2021 đến năm 2023. Tác giả nêu 2 mục tiêu cụ thể, chỉ rõ ý nghĩa khoa học trong việc phát triển vật liệu lưỡng chức năng từ kim loại tự nhiên và ý nghĩa thực tiễn trong việc giảm thiểu chi phí xử lý nước thải.

Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu

Chương này tổng kết toàn diện cơ sở lý thuyết và các công trình liên quan:

  • Trình bày 5 bước biến đổi hóa học tạo thành đất phèn từ quá trình tích tụ khoáng pyrite ($FeS_2$) đến khi bị oxy hóa giải phóng $H_2SO_4$ và muối Jarosit.
  • Báo cáo kết quả điều tra 100 hộ dân tại Tri Tôn: $90%$ người dân xác nhận nước mặt bị nhiễm phèn; $39%$ phản ánh nước phèn gây ngứa, khô da; $19%$ làm ố vàng đồ dùng; $5%$ gây bệnh đường ruột; $79%$ không biết phương pháp xử lý; $16%$ dùng tro bếp; chỉ $2%$ dùng vôi hoặc cột lọc.
  • Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp khử sắt (làm thoáng tự nhiên/nhân tạo, dùng hóa chất $Cl_2/KMnO_4/Ca(OH)_2$, hạt nhựa trao đổi cation, vi khuẩn SRB).
  • Tổng hợp các giải pháp làm mềm nước cứng (zeolite, màng lọc nano/RO/UF, nhựa trao đổi ion) và công nghệ loại bỏ phosphorus (sinh học EBPR, MABR, hóa lý).
  • Giới thiệu đặc tính kỹ thuật của hạt nhựa trao đổi cation acid mạnh Indion 225H (gốc polymer styrene divinylbenzene dạng gel hình cầu, kích thước hạt $0,3 - 1,2\text{ mm}$, nhóm chức $RSO_3^-$, dung lượng trao đổi dạng $Na^+$ là $1,8\text{ eq/L}$, chịu nhiệt $\le 120^\circ C$, pH ổn định $0 - 14$).

Chương 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 xây dựng chi tiết quy trình thực nghiệm gồm 2 nội dung chính:

  • Nội dung 1: Tổng hợp và khảo sát vật liệu đối chứng FeOOH/225H từ muối sắt hóa chất trên nền hạt nhựa Indion 225H.
  • Nội dung 2: Thu hồi ion sắt và kim loại trong nước phèn tự nhiên Kênh Ba Chúc bằng hạt nhựa Indion 225H, sau đó kết tủa tạo vật liệu HIAO/225H.
  • Chi tiết hóa các phương pháp đo đạc: phổ FTIR xác định liên kết sắt-oxy, nhiễu xạ XRD nhận diện tinh thể FeOOH, ảnh SEM quan sát bề mặt hạt nhựa, EDX định lượng tỷ lệ $% Fe, Al, Ca, Mg$. Thiết lập các điều kiện thí nghiệm hấp phụ dạng mẻ khảo sát các biến số môi trường và phương pháp phân tích mẫu theo SMEWW.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu, phân tích và bàn luận

Chương 4 là phần cốt lõi của luận án, công bố toàn bộ dữ liệu thực nghiệm:

  • Đặc trưng vật liệu: Phổ FTIR và XRD xác nhận trên nền nhựa Indion 225H đã hình thành các nhóm chức FeOOH. Kết quả EDX chứng minh sự có mặt đồng thời của các nguyên tố $Fe, Al, Ca, Mg$ trên vật liệu HIAO/225H.
  • Thông số vận hành hấp phụ phosphate:
    • Thời gian đạt cân bằng hấp phụ ở chế độ tĩnh là 50 giờ; khi áp dụng khuấy cơ học 150 vòng/phút, thời gian cân bằng rút ngắn xuống chỉ còn 3,5 giờ.
    • Giá trị pH tối ưu cho quá trình hấp phụ phosphate là 6,0; liều lượng vật liệu thích hợp là $10\text{ g/L}$.
    • Dữ liệu hấp phụ đẳng nhiệt của HIAO/225H tương thích với mô hình Langmuir.
  • Hiệu năng xử lý và vai trò của kim loại:
    • Hiệu suất hấp phụ phosphate của vật liệu HIAO/225H cao hơn khoảng 1,4 lần so với vật liệu đối chứng FeOOH/225H.
    • Sự xuất hiện của các cation $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ trong dung dịch làm tăng dung lượng hấp phụ phosphate lên 1,2 lần (từ $1,52\text{ mg }PO_4^{3-}-P/\text{g}$ lên $1,83\text{ mg }PO_4^{3-}-P/\text{g}$).
    • Dung lượng xử lý của HIAO/225H đạt $26,83\text{ mg }PO_4^{3-}-P/\text{g}$, vượt trội so với hạt nhựa trao đổi ion hỗn hợp thương mại MB6SR ($12,7\text{ mg }PO_4^{3-}-P/\text{g}$) và than hoạt tính GAC.
  • Ảnh hưởng của ion cạnh tranh: Khả năng hấp phụ phosphate bị suy giảm khi có các anion khác, trong đó ion $HCO_3^-$ thể hiện mức độ cạnh tranh mạnh nhất so với $Cl^-$, $SO_4^{2-}$ và $NO_3^-$.
  • Xử lý nước thải thực tế: Thử nghiệm trên nước thải sinh hoạt và nước thải chế biến thủy sản Agifish cho thấy HIAO/225H loại bỏ triệt để phosphate đạt tiêu chuẩn xả thải hiện hành, đồng thời khử hiệu quả độ cứng ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$).
  • Cơ chế và độ bền tái sinh: Luận án làm sáng tỏ cơ chế lưỡng chức năng (hấp phụ phosphate qua nhóm FeOOH và trao đổi ion làm mềm nước qua nhóm $-SO_3H$). Sau 10 chu kỳ tái sinh bằng dung dịch $HCl$ và $NH_3$, vật liệu HIAO/225H vẫn duy trì được $80%$ hiệu suất xử lý ban đầu. Tác giả đã đề xuất sơ đồ quy trình công nghệ và thông số thiết kế hệ thống cột hấp phụ ứng dụng thực tế.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được: chứng minh tính khả thi của việc tận dụng nước nhiễm phèn để chế tạo vật liệu lưỡng chức năng HIAO/225H, xác lập bộ thông số kỹ thuật tối ưu và cơ chế phản ứng. Đồng thời, chương này đưa ra các kiến nghị về việc thử nghiệm mô hình pilot liên tục và đánh giá chi phí vận hành ở quy mô công nghiệp.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Đóng góp về mặt khoa học:
    • Đề xuất quy trình tận dụng nguồn ion sắt và các kim loại ($Al, Ca, Mg$) thu hồi từ nước nhiễm phèn tự nhiên để tổng hợp thành công vật liệu lưỡng chức năng HIAO/225H trên nền hạt nhựa trao đổi cation Indion 225H.
    • Làm sáng tỏ cơ chế hoạt động đồng thời: nhóm FeOOH chịu trách nhiệm hấp phụ chọn lọc anion phosphate thông qua tạo phức bề mặt, trong khi các vị trí trao đổi cation còn lại của hạt nhựa tiếp tục thực hiện chức năng khử ion $Ca^{2+}, Mg^{2+}$ làm mềm nước.
    • Phát hiện và giải thích cơ chế tương tác hiệp đồng: sự hiện diện của $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ (cả trong thành phần pha rắn của vật liệu lẫn trong pha dung dịch) tạo cầu nối ion giúp gia tăng hiệu suất hấp phụ phosphate lên 1,2 - 1,4 lần so với vật liệu sắt đơn thuần.
  2. Đóng góp về mặt thực tiễn:
    • Cung cấp giải pháp kỹ thuật kép: vừa xử lý, thu hồi kim loại làm giảm mức độ ô nhiễm của nguồn nước phèn tự nhiên tại địa phương, vừa tạo ra sản phẩm vật liệu xử lý nước có hiệu quả cao hơn than hoạt tính và hạt nhựa thương mại MB6SR.
    • Giúp tối ưu hóa diện tích bể phản ứng và giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị xử lý nước thải do một loại vật liệu có thể xử lý đồng thời cả anion gây phú dưỡng và cation gây độ cứng.

Giải pháp và quy trình đề xuất

  • Đề xuất dây chuyền công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải chế biến thủy sản tích hợp hệ thống hấp phụ dạng cột sử dụng vật liệu HIAO/225H sau các công đoạn xử lý sinh học.
  • Đưa ra quy trình hoàn nguyên - tái sinh vật liệu bằng dung dịch $HCl$ và $NH_3$ theo chu kỳ, duy trì độ bền hoạt tính trên $80%$ sau 10 lần tái sử dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong luận án:

  • Hạn chế:
    • Nguồn nước phèn tự nhiên dùng để tổng hợp vật liệu chỉ mới khảo sát và thu thập tại khu vực Kênh Ba Chúc (huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang) trong khung thời gian từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2021, mang tính chất mùa vụ và đặc thù địa phương.
    • Các thử nghiệm đánh giá hiệu năng chủ yếu thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm dạng mẻ (batch) và mô hình cột quy mô nhỏ; chưa vận hành thử nghiệm ở quy mô pilot công nghiệp dài ngày với lưu lượng lớn.
    • Đối tượng nước thải thực tế mới giới hạn ở hai nguồn: nước thải sinh hoạt đô thị và nước thải chế biến cá tra của Công ty Agifish tại Long Xuyên.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng khảo sát thu hồi kim loại từ các nguồn nước nhiễm phèn ở những vùng địa lý khác nhau để kiểm chứng tính ổn định của quy trình tổng hợp.
    • Chế tạo và vận hành hệ thống cột hấp phụ liên tục quy mô pilot tại các trạm xử lý nước thải công nghiệp thực tế.
    • Nghiên cứu sâu hơn về phương án thu hồi, tái chế phosphate từ dung dịch giải hấp sau quá trình hoàn nguyên vật liệu nhằm hướng tới kinh tế tuần hoàn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ hóa học, Khoa học vật liệu. Có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa thu hồi tài nguyên từ chất thải và chế tạo vật liệu chức năng; phương pháp mô hình hóa động học, nhiệt động học và phân tích cơ chế tạo phức bề mặt.
  • Kỹ sư và nhà công nghệ môi trường:
    • Chương 3 và Chương 4 cung cấp chi tiết quy trình chế tạo vật liệu HIAO/225H, các thông số vận hành tối ưu (pH 6, khuấy 150 rpm trong 3,5 giờ, liều lượng $10\text{ g/L}$) và thông số thiết kế cột hấp phụ có thể ứng dụng trực tiếp để nâng cấp các trạm xử lý nước thải chế biến thủy sản và nước thải sinh hoạt.
  • Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường địa phương:
    • Cung cấp số liệu điều tra thực trạng và mức độ ảnh hưởng của nước nhiễm phèn tại vùng Tứ giác Long Xuyên (An Giang), hỗ trợ xây dựng kế hoạch quản lý nguồn nước mặt và chuyển đổi tài nguyên ô nhiễm thành sản phẩm hữu ích.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu HIAO/225H được tổng hợp từ nguồn nguyên liệu nào và có cấu trúc đặc trưng ra sao?

Vật liệu HIAO/225H được tổng hợp bằng cách thu hồi trực tiếp các ion sắt và các kim loại hòa tan ($Al, Ca, Mg$) từ nguồn nước nhiễm phèn tự nhiên tại Kênh Ba Chúc (Tri Tôn, An Giang) kết tủa lên khung hạt nhựa trao đổi cation acid mạnh Indion 225H. Kết quả phân tích FTIR, XRD, SEM và EDX cho thấy trên bề mặt và trong mao quản hạt nhựa đã hình thành pha oxit/hydroxit sắt dạng FeOOH cùng sự phân bố đồng đều của các nguyên tố Al, Ca và Mg.

2. Hiệu suất xử lý phosphate và độ cứng của HIAO/225H vượt trội như thế nào so với các vật liệu khác?

Vật liệu HIAO/225H có hiệu suất hấp phụ phosphate cao hơn khoảng 1,4 lần so với vật liệu FeOOH/225H (chế tạo từ sắt tinh khiết). Dung lượng xử lý phosphate của HIAO/225H đạt $26,83\text{ mg }PO_4^{3-}-P/\text{g}$, cao hơn gấp đôi so với hạt nhựa trao đổi ion hỗn hợp MB6SR ($12,7\text{ mg }PO_4^{3-}-P/\text{g}$) và vượt trội so với than hoạt tính thương mại GAC. Đồng thời, HIAO/225H duy trì khả năng khử ion độ cứng ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$) tốt hơn hạt nhựa MB6SR.

3. Các điều kiện kỹ thuật tối ưu cho quá trình hấp phụ phosphate bằng vật liệu HIAO/225H là gì?

Quá trình hấp phụ đạt trạng thái cân bằng sau 50 giờ ở điều kiện tĩnh, nhưng có thể rút ngắn xuống còn 3,5 giờ khi áp dụng khuấy trộn ở tốc độ 150 vòng/phút. Môi trường pH tối ưu của dung dịch là 6,0; liều lượng chất hấp phụ thích hợp là $10\text{ g/L}$. Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt tuân theo mô hình Langmuir.

4. Sự hiện diện của các ion khác trong dung dịch ảnh hưởng ra sao đến khả năng hấp phụ của HIAO/225H?

Trong số các anion thường gặp ($Cl^-$, $HCO_3^-$, $SO_4^{2-}$, $NO_3^-$), ion $HCO_3^-$ thể hiện mức độ cạnh tranh làm giảm khả năng hấp phụ phosphate nhiều nhất. Ngược lại, sự có mặt của các cation $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ trong dung dịch lại đóng vai trò tích cực, làm tăng dung lượng hấp phụ phosphate lên 1,2 lần (từ $1,52\text{ mg/g}$ lên $1,83\text{ mg/g}$) nhờ cơ chế bắc cầu ion điện tích giữa bề mặt vật liệu và anion phosphate.

5. Khả năng tái sinh và độ bền sử dụng của vật liệu HIAO/225H được chứng minh như thế nào?

Vật liệu HIAO/225H thể hiện độ bền cơ lý và hóa học cao trên nền khung polymer Indion 225H. Sau khi bão hòa hấp phụ, vật liệu được giải hấp và tái sinh bằng dung dịch $HCl$ và $NH_3$. Sau 10 chu kỳ hấp phụ - giải hấp liên tiếp, vật liệu vẫn duy trì được trên $80%$ hiệu suất xử lý so với ban đầu.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Lê Ba đã giải quyết thành công bài toán chuyển hóa nguồn nước nhiễm phèn tự nhiên tại An Giang thành vật liệu lưỡng chức năng HIAO/225H phục vụ công nghệ xử lý nước. Công trình đã xác lập bộ thông số chế tạo và vận hành tối ưu, chứng minh khả năng xử lý đồng thời anion phosphate và độ cứng ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$) với dung lượng vượt trội so với các vật liệu thương mại. Các kết quả thực nghiệm trên nước thải sinh hoạt và nước thải chế biến thủy sản cùng mô hình cột hấp phụ đề xuất cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu mới theo định hướng kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững.