Chiếm đến 1 triệu hecta trong tổng diện tích gần 4 triệu hecta ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), các khu vực đất phèn, lan truyền nước chua và gây ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt luôn là vấn đề đau đầu ở ĐBSCL. Trong số khoảng 13 triệu người dân sống ở vùng nông thôn nơi đây, chỉ có khoảng 55% người dân được sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia để sinh hoạt.

Thực tế, đã có rất nhiều phương pháp từ cổ điển đến hiện đại như dùng tro bếp, dùng vôi, nhựa trao đổi ion… để xử lý nước phèn. Tuy nhiên, "hầu như những phương pháp này sau khi xử lý xong thì đều bỏ đi chứ không tận dụng được phèn”, PGS.TS Nguyễn Trung Thành cho biết, "điều này khiến cho đất sẽ vẫn bị tích tụ và tồn trữ lượng phèn bên trong chứ không lấy ra được, và chúng ta vẫn không giải quyết được một vấn đề quan trọng là rửa phèn cho đất”. Trong khi đó, phèn sắt lại có tính chất rất phù hợp để tạo thành vật liệu loại bỏ photphat - một chất ô nhiễm trong nước thải có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái như gây ra hiện tượng phú dưỡng và hủy hoại môi trường sống của nhiều loài sinh vật.

Từ góc nhìn của nhà nghiên cứu về vật liệu, anh và các đồng nghiệp tự hỏi: nếu tận dụng phèn từ nước ô nhiễm để làm nguyên liệu tiếp tục xử lý nước thải ở nơi khác thì sao? "Nếu tận dụng được chất thải để xử lý chất thải, chúng ta sẽ có thể cùng lúc giải quyết được bài toán với nhiều mục tiêu của ĐBSCL, đó là: cung cấp nước sạch cho người dân, đa đạng hóa vật liệu xử lý môi trường, rửa phèn cho đất, cũng như giảm thiểu thiết bị, tối ưu hóa chi phí và thời gian xử lý”, PGS.TS Thành giải thích.

Trước bài toán đa mục tiêu ấy, điểm khó nhất mà nhóm phải giải quyết chính là làm sao để thu được nhiều sắt nhất từ nước nhiễm phèn. "Bình thường sắt trong nước phèn sẽ hình thành dưới dạng kết tủa khi tiếp xúc với không khí, do đó nồng độ của sắt và ion trong nước sẽ giảm đi, nếu không tìm ra phương thức xử lý đúng cách thì sẽ khó có thể đưa sắt vào các hạt nhựa trao đổi ion”, PGS.TS Thành cho biết.

Sau nhiều lần thất bại và thử đi thử lại, nhóm anh nhận ra hai vấn đề mấu chốt: phải thay đổi trạng thái của nước phèn và chọn loại hạt nhựa có tính chất phù hợp để xử lý nước thải. "Trước đây nhiều người cũng đã sử dụng hạt nhựa để lọc phèn, tuy nhiên vì họ không hướng đến việc tái sử dụng hạt làm nguyên liệu đầu vào tạo ra vật liệu mới nên vấn đề trạng thái của nước phèn chưa được chú ý”, PGS.TS Thành cho biết. Nhờ những kinh nghiệm nghiên cứu trước đó, anh và đồng nghiệp đã tìm ra được các điều kiện thích hợp để thay đổi trạng thái của nước cũng như xác định được loại nhựa trao đổi ion (225H) trên thị trường là phù hợp nhất để hấp phụ phèn sắt từ nước.

Cụ thể, đầu tiên nhựa trao đổi ion mang điện tích dương sẽ được đặt trong một cột nhựa có đường kính 1 cm. Sau đó, nhóm nghiên cứu sẽ thêm axit clohidric vào nước phèn chua tự nhiên với liều lượng 1 mL/L. Nước phèn chua tự nhiên này sau đó được đưa qua cột trao đổi cation từ dưới lên trên với tốc độ dòng chảy phù hợp. Khi đã lọc xong nước nhiễm phèn, các hạt nhựa sẽ được đưa ra khỏi cột và rửa nhiều lần để loại bỏ các cặn bẩn, rồi thêm vào nước khử ion có chứa dung dịch amoniac (28–34%). Cuối cùng, các hạt nhựa được tách ra khỏi dung dịch, rửa bằng nước khử ion và làm khô tự nhiên trong không khí để trở thành một vật liệu mới là nhựa - oxit phèn sắt ngậm nước (hydrated).

"Lúc này, chúng ta có thể tái sử dụng ‘chất thải’ ấy để xử lý đồng thời nhiều cấu tử của nước ô nhiễm khác có chứa photphat, canxi, magie,...”, PGS.TS Thành nói. "Đây cũng là lần đầu tiên loại nhựa trao đổi ion chứa oxit phèn - sắt ngậm nước được tổng hợp từ nước nhiễm phèn tự nhiên như vậy”. Kết quả nghiên cứu này mới đây đã được nhóm công bố trong bài báo "Advanced natural hydrated iron-alum oxides cation exchange resin for simultaneous phosphate and hardness removal” trên tạp chí npj Clean Water.

Sau khi tổng hợp thành công vào năm 2020, nhóm của PGS.TS Thành tiến hành thu thập mẫu và phân tích nước phèn trong mùa mưa và mưa khô. "Kết quả nghiên cứu đã giúp chúng tôi lượng hóa được sự thay đổi của nước phèn theo mùa. Do phương pháp xử lý này đi theo hướng tiếp cận ‘tích tiểu thành đại’, nếu mùa nào có nhiều phèn thì hạt nhựa hút nhiều, mùa nào ít thì hút ít, khi nào hạt nhựa đã bão hòa thì mới cần lấy ra để tái sử dụng, nên vật liệu này có thể sử dụng trong bất kỳ thời gian nào”, PGS.TS Thành cho biết.

Khi nhóm nghiên cứu thử nghiệm nhựa trao đổi ion với nước nhiễm phèn, cũng như thử vật liệu tổng hợp được sau đó với nước nhiễm photphat, canxi, magie, kết quả cho thấy các nguồn nước đầu ra đều đáp ứng được Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt (QCVN 08-MT: 2015 / BTNMT) dùng cho nước sinh hoạt.

Không chỉ vậy, khi sử dụng vật liệu mới để xử lý nước nhiễm photphat, nhóm nghiên cứu nhận thấy vật liệu này đem lại hiệu suất hấp phụ photphat cao hơn 1,12 lần so với vật liệu nhựa oxit sắt thông thường trên thị trường. Theo PGS.TS Thành, kết quả này có được là nhờ việc sử dụng nước phèn tự nhiên (vốn đã chứa nhiều nguyên tố khác nhau bên trong), do đó vật liệu nhựa oxit phèn sắt thu được sau quá trình xử lý nước phèn sẽ có thêm thành phần magie, canxi, nhôm, giúp cho vật liệu dễ dàng hình thành FeOOH trên bề mặt và đem lại hiệu quả xử lý photphat cao hơn.

"Đây cũng là một thí nghiệm cho mọi người thấy rằng vật liệu tổng hợp ra từ nước phèn tự nhiên có hiệu quả hơn so với những phương pháp công nghiệp khác. Thêm vào đó, phương pháp này không cần sử dụng nhiều hóa chất mà sử dụng chính hạt oxit phèn sắt với những cấu tử có bên trong tự nhiên để xử lý nước nhiễm photphat, do vậy cũng giảm thiểu được hóa chất đưa vào trong môi trường”, PGS.TS Thành nói.

Để có thể áp dụng rộng rãi giải pháp mới tại các vùng nông thôn, nhóm của PGS.TS Thành đã nghiên cứu việc sử dụng một loại vật liệu có khả năng tự thay đổi trạng thái của nước thay vì phải điều chỉnh nhiều điều kiện khác nhau. Dù vậy, hiện nay, nhóm nghiên cứu mới thử nghiệm ở một vài hộ gia đình nên chưa tính được chi phí thực tế, "và nếu so sánh chi phí sử dụng hạt nhựa để xử lý nước phèn với các phương pháp khác thì có thể sẽ cao hơn một chút”, PGS.TS Thành cho hay.

Tuy nhiên với tầm nhìn xa, anh cho rằng phương pháp này có tiềm năng áp dụng rất rộng rãi, "những khu vực nào mà trong nước có kim loại phù hợp để tổng hợp các dạng oxit như vậy thì đều có thể áp dụng”. Nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu trước đây chỉ thực hiện được ở những quặng hay mỏ lớn, trong khi đó, "phương pháp này có nguyên tắc là tích lũy dần dần nên có thể áp dụng đồng thời để xử lý nguồn nước hộ gia đình”. Và nếu áp dụng đại trà được như vậy, "chí phí xử lý tổng thể thực tế sẽ rẻ hơn, do người dân sau khi dùng xong hạt nhựa để xử lý phèn thì có thể bán lại vật liệu. Các nhà sản xuất cũng có thể đổi hạt nhựa mới cho người dân và thu lại hạt nhựa cũ để tiếp tục tạo thành vật liệu xử lý photphat trong nước hoặc dùng cho mục đích khác”, anh hình dung. "Quan trọng hơn, vật liệu này sau khi sử dụng có thể được hoàn nguyên lại và tái sử dụng nhiều lần, do đó không ảnh hưởng đến môi trường”.

Và để có thể tái sử dụng vật liệu ngay cả khi chúng đã đạt đến giới hạn cuối cùng, nhóm của PGS.TS Thành cũng đang tiếp tục các nghiên cứu hướng đến việc tận dụng các hạt này làm vật liệu đệm cho hệ thống thủy canh, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng.