Đặt vấn đề Ngày nay, nguồn nƣớc phèn trong tự nhiên vẫn còn tồn tại nhiều nơi ở nƣớc ta nói chung và khu vực thuộc tỉnh An Giang nói riêng. Theo Sở Tài nguyên và Môi trƣờng tỉnh An Giang thì diện tích đất nhiễm phèn trên địa bàn tỉnh khoảng 30.146 ha, trong đó đất phèn phân bố nhiều ở huyện Tri Tôn với gần 67%. Vì vậy, khu vực này chịu ảnh hƣởng bởi nƣớc phèn nhiều nhất thuộc tỉnh An Giang. Trong đó, iron là một trong hai kim loại có hàm lƣợng lớn nhất trong nƣớc nhiễm phèn.
Các nghiên cứu trƣớc đó đã chỉ ra rằng iron, aluminium, calcium và magnesium có thể đƣợc sử dụng và tham gia vào quá trình tổng hợp thành dạng vật liệu có khả năng hấp phụ phosphate tốt với dung lƣợng tƣơng đối cao. Vì vậy, nếu có thể tận dụng nguồn iron trong nƣớc nhiễm phèn với các thành phần kim loại mà các nghiên cứu trƣớc đó đã thực hiện [1], để tổng hợp nên vật liệu có khả năng hấp phụ phosphate trong nƣớc là điều rất cần thiết và góp phần làm giảm ô nhiễm iron và các kim loại khác trong nƣớc mặt, tránh lãng phí nguồn tài nguyên trong tự nhiên. Bên cạnh đó cũng đƣa ra hƣớng tái sử dụng các ion kim loại trong nƣớc để tổng hợp nên vật liệu có khả năng xử lý môi trƣờng. Mặc khác, các nghiên cứu trƣớc đó đã tổng hợp thành công vật liệu ở dạng iron hydroxide trên nền hạt nhựa trao đổi anion [2, 3], kết quả cho thấy hoạt tính và độ bền vật liệu tƣơng đối ổn định trong quá trình áp dụng cho xử lý phosphate với nƣớc giả thải.
Điều này cho thấy việc gắn iron trên bề mặt hạt nhựa và tổng hợp thành dạng vật liệu có khả năng hấp phụ phosphate là một hƣớng đi mới, vì hạt nhựa có cơ tính tƣơng đối cao, kích thƣớc hạt nhựa không quá nhỏ nên việc tách và thu hồi một cách dễ dàng. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ dừng lại ở mức tạo ra đƣợc vật liệu đơn chức năng là chỉ xử lý đƣợc phosphate, điều này sẽ gây bất lợi khi xem xét trong quá trình áp dụng vào thực tế do trong nƣớc thƣờng có cả cation và anion nên khi áp dụng vật liệu này sẽ làm tăng chi phí, thể tích bể phản ứng và một số vấn đề khác cho việc xử lý thêm cation trong nƣớc. Từ các vấn đề trên có thể thấy rằng, việc thu hồi và tái sử dụng nguồn iron cùng với các kim loại khác trong nguồn nƣớc nhiễm phèn để tổng hợp nên vật liệu có khả năng 1 hấp phụ phosphate, tránh lãng phí nguồn kim loại trong tự nhiên là rất cần thiết theo hƣớng phát triển bền vững. Do đó, nghiên cứu sinh thực hiện luận án “Nghiên cứu tận dụng nƣớc nhiễm phèn để tổng hợp vật liệu lƣỡng chức năng hấp phụ - trao đổi ion phục vụ xử lý nƣớc” để có thể giải quyết các vấn đề nêu trên.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: + Kim loại (iron, aluminium, calcium và magnesium) trong nƣớc nhiễm phèn trên địa bàn thuộc huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang; + Phosphate trong nƣớc thải sinh hoạt; + Phosphate và độ cứng trong nƣớc thải nhà máy (cơ sở) chế biến thủy sản.
Phạm vi nghiên cứu: + Phạm vi không gian: mẫu nƣớc nhiễm phèn đƣợc lấy trên đoạn Kênh Ba Chúc thuộc ấp Vĩnh An, xã Vĩnh Phƣớc, huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang; mẫu nƣớc thải sinh hoạt đƣợc thu tại hố thu gom của nhà máy xử lý nƣớc thải trên địa bàn phƣờng Bình Đức, thành phố Long xuyên, tỉnh An Giang; mẫu nƣớc thải nhà máy (cơ sở) chế biến thuỷ sản đƣợc thu tại hố thu của nhà máy chế biến thủy sản Agifish nằm trên địa bàn phƣờng Bình Đức, thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang; các thí nghiệm chế tạo vật liệu, đánh giá đặc trƣng và khả năng hấp phụ phosphate của vật liệu, đánh giá khả năng xử lý đồng thời phosphate và độ cứng (magnesium và calcium) trong dung dịch giả thải và nƣớc thải thực tế đối với các vật liệu đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trƣờng Đại học An Giang; thí nghiệm xác định hàm lƣợng iron và aluminium bằng phƣơng pháp phân tích AAS đƣợc thực hiện tại Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật tài nguyên môi trƣờng của tỉnh An Giang. + Phạm vi thời gian: mẫu nƣớc nhiễm phèn đƣợc thu thập số liệu từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2021; mẫu nƣớc thải sinh hoạt (tháng 03/2022), mẫu nƣớc thải thủy sản (tháng 01/2023). Nghiên cứu nội dung tổng hợp và đánh giá 2 khả năng xử lý của vật liệu FeOOH/225H đƣợc thực hiện từ 03/2021 đến 03/2022; nghiên cứu nội dung tổng hợp và đánh giá khả năng xử lý của vật liệu HIAO/225H từ tháng 03/2022 đến tháng 03/2023.3 Mục tiêu, ý nghĩa và tính mới của luận án 1.1 Mục tiêu của luận án 1.1 Mục tiêu tổng quát Tổng hợp vật liệu lƣỡng chức năng hấp phụ - trao đổi ion mới từ nguồn kim loại đƣợc thu hồi trong nƣớc nhiễm phèn để xử lý phosphate và độ cứng trong điều kiện phòng thí nghiệm và đánh giá khả năng xử lý đối với nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải nhà máy (cơ sở) chế biến thủy sản.2 Mục tiêu cụ thể - 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 trƣờng nƣớc. - Đƣa ra cơ chế hấp phụ, đánh giá đƣợc khả năng xử lý phosphate và độ cứng của vật liệu HIAO/225H trong nƣớc giả thải, nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải nhà máy (cơ sở) chế biến thủy sản.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu này đã đề xuất một hƣớng tiếp cận mới trong việc thu hồi ion iron và các ion kim loại khác trong nƣớc để tổng hợp vật liệu lƣỡng chức năng có khả năng xử lý đồng thời phosphate và độ cứng, với hai ý nghĩa khoa học cụ thể nhƣ sau: (1) Đƣa ra giải pháp tách và thu hồi các ion iron, kim loại khác nhằm giảm thiểu sự ảnh hƣởng của các ion kim loại này đối với môi trƣờng và tránh lãng phí nguồn tài nguyên sẵn có trong tự nhiên; (2) Nghiên cứu này đã đề xuất quy trình tổng hợp vật liệu lƣỡng chức năng có hiệu quả hấp phụ phosphate và xử lý độ cứng từ ion iron và các ion kim loại khác từ nƣớc nhiễm phèn tự nhiên, điều này đã mở ra hƣớng nghiên cứu mới về vật 3 liệu lƣỡng chức năng có thể xử lý đồng thời đƣợc cả cation và anion trong nƣớc trên cùng một vật liệu.2 Ý nghĩa thực tiễn Với mục tiêu nhƣ trên, nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn nhƣ sau: (1) Đƣa ra giải pháp tách và thu hồi các ion kim loại trong nƣớc phèn; (2) Tổng hợp thành công vật liệu lƣỡng chức năng (HIAO/225H) để xử lý đồng thời phosphate và độ cứng trong môi trƣờng nƣớc; (3) Ứng dụng hiệu quả vật liệu (HIAO/225H) lƣỡng chức năng hấp phụ phosphate và xử lý độ cứng cho quá trình xử lý nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải từ nhà máy (cơ sở) chế biến thủy sản.5 Những đóng góp của luận án và khả năng áp dụng Luận án có những đóng góp nhƣ sau: (1) Nghiên cứu đã xác định điều kiện tối ƣu (pH, lƣu lƣợng, liều lƣợng, thời gian, tỷ lệ rắn/lỏng,…) để tổng hợp vật liệu hấp phụ phosphate trên cơ sở tận dụng thành phần iron trong nƣớc nhiễm phèn và hạt nhựa trao đổi cation.
(2) Nghiên cứu đã thử nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ phosphate của vật liệu HIAO/225H; đánh giá khả năng ảnh hƣởng của calcium, magnesium tới khả năng hấp phụ phosphate; đề xuất cơ chế hấp phụ của vật liệu tổng hợp. Từ những đóng góp của luận án nói trên và nội dung nghiên cứu đã cho thấy tính khả thi khi áp dụng nghiên cứu này vào thực tiễn với việc khai thác và sử dụng các ion kim loại trong nƣớc nhiễm phèn; cũng nhƣ ứng dụng vật liệu mới lƣỡng chức năng hấp phụ - trao đổi ion để giảm chi phí và thể tích trong quá trình xử lý. 4 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan về nƣớc nhiễm phèn và các phƣơng pháp xử lý nƣớc phèn 2.1 Sơ lược về đất phèn Nhìn chung, đất phèn đƣợc cho là có nguồn gốc từ quá trình tích tụ pyrite trong điều kiện đất ngập nƣớc, ở đất chứa nhiều chất hữu cơ và sulfate. Sau đó, pyrite bị oxi hoá và tạo thành sulfuric acid.
Trong đất, sulfuric acid phát triển ở những nơi có hàm lƣợng calcium và magnesium thấp làm cho pH có giá trị dƣới 4 tạo nên đất phèn. Trên thế giới: đất phèn có khoảng 12,6 triệu ha (chiếm khoảng 8% lƣợng đất canh tác) và thƣờng phân bố ở các vùng ven biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới nhƣ: Nam Nhật Bản, Nam Triều Tiên, Nam Ấn Độ, Thái Lan, Việt Nam,… và một số nƣớc ở Đông Phi, Tây Phi và Hà Lan. Trong các nghiên cứu trên thế giới, đất phèn đƣợc phát hiện và đƣợc đặt nhiều tên gọi khác nhau để chỉ đặc tính của đất nhƣ: Catclays (đất chua, có nhiều sét có màu xanh đen nhƣ mắt mèo), Mudclays (chứa nhiều sét bùn, chua và có chất nhờn), Daroxit (đất phèn có màu vàng trấu hoặc rơm của phức chất KFe3(SO4)2(OH)6) và một số tên gọi khác. Đất phèn đƣợc nghiên cứu và phát hiện từ rất sớm.
Từ năm 1735, các nhà khoa học đã phát hiện ra một loại khoáng chất có đặt tính chua (đƣợc xem là đất). Sau đó, đất phèn đƣợc phát hiện lần đầu tiên vào năm 1886 với giá trị pH rất thấp và hàm lƣợng sun phát iron và aluminium rất cao. Các năm sau đó, nhiều nghiên cứu chuyên sâu về đất phèn đã đƣợc thực hiện và đã có nhiều kết luận về nguồn gốc của đất phèn ở các khu vực đƣợc thực hiện nghiên cứu. Các nhà khoa học đã tổ chức thành công bốn hội nghị quốc tế lớn về đất phèn và hội nghị lần thứ tƣ đã đƣợc tổ chức ở thành phố Hồ Chí Minh và tháng 3 năm 1992.
Ở Việt Nam: có khoảng 2 triệu ha đất phèn và chiếm 16% diện tích đất phèn trên thế giới, chiếm khoảng 30% diện tích canh tác, phân bố chủ yếu ở vùng đồng bằng và một ít ở vùng ven biển miền Trung. Ở miền Bắc có khoảng 200.000 ha và miền Nam là 1,8 triệu ha đất phèn. Theo số liệu của diện tích đất phèn ở các tỉnh miền tây có thể phân 5 loại nhƣ: đất phèn nhiều (272.134 ha), đất phèn trung bình và ít (597689 ha), đất phèn mặn (772.