Ảnh hưởng của lưu lượng NaClO đến hiệu quả loại bỏ Mn²⁺

Tài nguyên nước đóng vai trò quan trọng phát triển kinh tế và xã hội và nước sạch là nhu cầu cơ bản về môi trường và xã hội được quy định trong các mục tiêu phát triển của Liên Hợp Quốc (Alexakis, 2021; Hülsmann et al., 2019). Tuy nhiên, ô nhiễm nước ngày càng gia tăng do các hoạt động công nghiệp, sinh hoạt và nông nghiệp, trong đó ô nhiễm mangan (Mn2+) trong nước mặt và nước ngầm xuất phát từ nước thải chưa qua xử lý hoặc không đạt chuẩn môi trường là một vấn đề nghiêm trọng. Theo nghiên cứu của Agusa et al. (2005), trong 25 mẫu nước giếng tại hai huyện ngoại ô Hà Nội, có đến 76% mẫu có nồng độ Mn2+ vượt ngưỡng khuyến cáo của WHO (0,4 mg/L), với giá trị trung vị trên 1 mg/L. Tại tỉnh Hà Nam, hơn 70% trong 66 mẫu nước ngầm thu thập được vượt quy chuẩn Việt Nam (0,3 mg/L). Tình trạng ô nhiễm còn nghiêm trọng hơn tại đồng bằng sông Mê Kông, với 74% trong 404 mẫu nước ở bốn tỉnh khảo sát trong giai đoạn 2007 – 2008 có nồng độ Mn2+ trên 0,05 mg/L, thậm chí có mẫu lên đến 14 mg/L. Tại An Giang và Đồng Tháp, tỷ lệ mẫu không đạt chuẩn về Mn2+ là 93% (Hoang et al., 2010).

Kết quả các nghiên cứu gần đây cũng cho thấy hàm lượng Mn²⁺ trong nước mặt ở đồng bằng sông Cửu Long có thể đạt tới 1,6597 mg/L, vượt xa tiêu chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT (0,1 mg/L) và WHO (0,4 mg/L) cho nước uống (Wilbers et al., 2014). Ngoài ra, mức độ ô nhiễm Mn2+ cũng được ghi nhận ở sông Bến Lức (0,14 – 0,28 mg/L) (Thieu et al., 2022) và trong nước ngầm tại Hà Nội (Le, 2019).

Nồng độ Mn²⁺ cao trong nước uống có thể gây tác động tiêu cực đến sức khỏe con người nếu không được xử lý hiệu quả. Cụ thể, nồng độ Mn2+ vượt trên 100 μg/L có thể ảnh hưởng xấu đến hệ thần kinh hoặc gây ra các rối loạn như tăng động, giảm tập trung ở trẻ em (Dion et al., 2016; Schullehner et al., 2020; Eaton 2024).

Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý Mn²⁺ trong nước được áp dụng, bao gồm kết tủa hóa học, oxy hóa, trao đổi ion, sinh học, hấp phụ và lọc (Nkele et al., 2022). Trong đó, phương pháp lọc đã chứng minh hiệu quả cao với tỷ lệ loại bỏ Mn²⁺ đạt trên 95% ở pH 7 – 7,3 mà không cần sử dụng tác nhân hóa học (Pacini et al., 2005). Ở một số nghiên cứu, vật liệu lọc cát/antraxit phủ oxit mangan được sử dụng và  cho thấy hiệu suất loại bỏ Mn²⁺ đạt hơn 91% khi pH > 9 (Piispanen & Sallanko, 2010). Tuy nhiên, trên thực tế các quy trình thông thường được sử dụng chủ yếu tập trung trong việc loại bỏ các hạt, chất rắn lơ lửng, vi sinh vật. Kết quả là các quy trình xử lý thông thường khá kém hiệu quả trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm Mn2+ (đặc biệt là phức hợp Mn2+ hữu cơ) khỏi nước (Jiang et al., 2023).

Trong các công nghệ xử lý hiện nay, tiền oxy hóa là phương pháp phổ biến giúp chuyển hóa Mn²⁺ thành MnOx không hòa tan để loại bỏ dễ dàng hơn (Knocke et al., 1988). Các thuốc thử oxy hóa thường được sử dụng bao gồm thuốc tím (tức là KMnO4 và muối hợp chất của nó), clo dioxide, clo tự do và ozone. Đặc biệt, quá trình tiền oxy hóa dựa trên Clo (ví dụ: clo lỏng, clo dioxide, natri hypochlorite) ngày càng được quan tâm như một phương pháp tiền xử lý rẻ tiền, hiệu quả cao và dễ thực hiện. Kết quả ở nhiều nghiên cứu cho thấy việc bổ sung chất oxy hóa clo giúp thúc đẩy sự hình thành màng MnOx trên bề mặt lọc cát tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa xúc tác Mn2+ thành MnO₂ không hòa tan, góp phần đẩy nhanh khả năng loại bỏ mangan trong cát lọc và đạt được hiệu quả loại bỏ cao hơn (Li et al., 2020; Tang et al., 2021). Việc bổ sung clo trước quá trình lọc giúp hình thành lớp MnOx trên bề mặt vật liệu lọc, thúc đẩy quá trình oxy hóa xúc tác Mn²⁺ thành MnO2 không hòa tan, từ đó nâng cao hiệu suất loại bỏ mangan (Yang et al., 2021).

Mặc dù phương pháp oxy hóa bằng clo mang lại nhiều lợi ích, nhưng tốc độ phản ứng thường chậm (Pankow & Morgan, 1981). Ngoài ra, các chất hữu cơ trong nước có thể tạo phức với Mn²⁺, làm giảm hiệu suất oxy hóa và tăng lượng clo tiêu thụ so với lý thuyết (Li et al., 2019). Bên cạnh đó, trong quá trình oxy hóa Clo liên quan đến quá trình loại bỏ mangan, lượng Clo dư có thể phản ứng với các hợp chất hữu cơ và tạo ra nhiều sản phẩm phụ khử trùng (trichloromethane, axit haloacetic, clorit, clorat, v.v.) từ đó có thể làm tăng nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe con người. Tuy nhiên, khi MnOx tồn tại trên bề mặt vật liệu lọc, tốc độ oxy hóa mangan bởi chất oxy hóa Clo sẽ tăng theo cấp số nhân. Các hợp chất mangan gắn trên bề mặt của vật liệu lọc biến tính có tác dụng xúc tác đối với quá trình oxy hóa mangan bằng chất oxy hóa Clo. Do đó, việc kiểm soát hiệu quả liều lượng Clo và tăng cường loại bỏ mangan bằng vật liệu lọc đã trở thành vấn đề then chốt của công nghệ này (Knocke et al., 1991).

Ngoài quá trình oxy hóa, các yếu tố khác như loại vật liệu lọc, cấu trúc lớp vật liệu và tốc độ lọc cũng ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ Mn²⁺. Zeolite tự nhiên là một vật liệu lọc tiềm năng nhờ trữ lượng dồi dào, chi phí thấp và khả năng trao đổi ion tốt (Adam et al., 2018). Do đó, nghiên cứu này được thực hiện tập trung vào việc đánh giá khả năng xử lý mangan trong nước bằng vật liệu lọc có bổ sung NaClO. Với phương pháp chế tạo đơn giản, vật liệu rẻ tiền đã được sử dụng nhưng hiệu quả cao, kết quả nghiên cứu này hướng đến ứng dụng thực tiễn trong tương lai.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả loại bỏ Mn²⁺ trong nước bằng phương pháp lọc, kết hợp với tác dụng hỗ trợ oxy hóa của NaClO. Thí nghiệm được thực hiện trên mô hình cột lọc quy mô phòng thí nghiệm với nước nhiễm Mn2+ nhân tạo và ba loại vật liệu lọc: cát thạch anh, cát mangan và zeolit. Các thông số khảo sát bao gồm: nồng độ Mn²⁺ đầu vào (5 – 25 mg/L), nồng độ và thể tích NaClO (2 – 10 mg/L, 2 – 10 mL), thời gian phản ứng (1 – 8 giờ), ở pH 7 ± 0,2 và nhiệt độ ~25°C. Nồng độ Mn2+ được phân tích theo TCVN 6002:1995 bằng phương pháp trắc quang sử dụng formaldoxim.

Qua thời gian thực hiện, kết quả nghiên cứu giúp xác nhận vai trò nổi bật của zeolit trong loại bỏ Mn²⁺ khỏi nước, đặc biệt khi kết hợp với NaClO. Hiệu suất xử lý của zeolit tại các nồng độ Mn2+ ban đầu 5 – 15 mg/L đạt trên 97%, với thời gian phản ứng là 2 giờ. Khi bổ sung NaClO, hiệu suất tăng lên đến 99,6% (Mn2+ còn 0,019 mg/L), cao hơn so với mẫu không bổ sung (87,32%, Mn2+ còn 0,61 mg/L). Nồng độ Mn2+ ban đầu 10 mg/L và NaClO ở 6 mg/L với thể tích 6 mL là điều kiện tối ưu, giúp đạt hiệu suất loại bỏ trên 99% và Mn2+ sau xử lý dưới 0,1 mg/L. Ngoài zeolit, NaClO cũng cải thiện hiệu quả lọc của cát thạch anh và cát mangan, điều này cho thấy vai trò kép vừa là chất oxy hóa vừa hỗ trợ tăng cường hiệu suất vật liệu lọc. Kết quả mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước cấp, giúp kiểm soát nồng độ Mn²⁺, nâng cao chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.