Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại Cu2+ và Zn2+ của vật liệu copolyme – diatomite điều chế bằng kỹ thuật bức xạ gamma

Bài viết Khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại Cu2+ và Zn2+ của vật liệu copolyme – diatomite điều chế bằng kỹ thuật bức xạ gamma trình bày các kết quả nghiên cứu tính chất đặc trưng và khả năng hấp phụ các ion kim loại của vật liệu copolyme – diatomite được điều chế bằng kỹ thuật biến tính bức xạ gamma Co-60.

Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân nông nghiệp, ứng dụng công nghệ xạ Section D3-D4: Application of nuclear techniques in agriculture, radiation technology application KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KIM LOẠI Cu2+ VÀ Zn2+ CỦA VẬT LIỆU COPOLYME – DIATOMITE ĐIỀU CHẾ BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ GAMMA STUDY ON THE ABSORPTION OF HEAVY METAL IONS CU2+ AND ZN2+ OF COPOLYME – DIATOMITE PREPARED BY GAMMA RAY IRRADIATION LÊ XUÂN CƯỜNG, NGUYỄN TRỌNG HOÀNH PHONG, LÊ VĂN TOÀN, NGUYỄN MINH HIỆP, TRẦN THU HỒNG, VŨ NGỌC BÍCH ĐÀO, NGUYỄN NGỌC THÙY TRANG, PHẠM BẢO NGỌC Trung tâm Công nghệ xạ Công nghệ sinh học, Viện Nghiên cứu hạt nhân Email: xuancuongtk85@gmail.com Tóm tắt: Copolyme – diatomite với thành phần gồm CMC (Sodium Caboxymethyl Cellulose), AA (Acrylic acid) diatomite điều chế kỹ thuật xạ gamma Co-60 Các yếu tố ảnh hưởng tới hàm lượng gel tạo thành khảo sát Ở liều xạ 20 kGy lượng gel tạo thành đạt 90,25% Các đặc trưng tính chất cấu trúc vật liệu xác định kính hiển vi điện tử quét (SEM) Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ ion kim loại pH, thời gian hấp phụ nồng độ đầu ion kim loại nghiên cứu Theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu copolyme – diatomite Cu2+ Zn2+ 192,31 mg/g 151,52 mg/g Từ khóa: copolyme – diatomite; ion kim loại; hấp phụ; xạ Abstract: A diatomite based hydrogel consisting of CMC (Sodium Caboxymethyl Cellulose), AAc (Acrylic Acid) and diatomite was prepared by using gamma irradiation method Mophorlogy of resulting hydrogel was observed by scaning electron microscopse (SEM), and its gelation was investigated with radiation dose The results revealed that gel fraction increased with radiation dose, and it reached to 90,25% in the hydrogel prepared by gamma irradiation at 20 kGy The factors affecting the adsorption capacity of hydrogels include pH, time, and initial metal concentration were investigated for removal Cu2+ and Zn2+ ions from aqueous solution Adsorption isotherm of the hydrogels follow the Langmuir model, and its maximum adsorption capacities for Cu2+ and Zn2+ were 192,31 mg/g and 151,52 mg/g, respectively Keywords: copolyme – diatomite; metal ion, absorption, radiation MỞ ĐẦU Hiện nay, ô nhiễm nguồn nước trở thành vấn đề nghiêm trọng quốc gia gia tăng hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái sức khỏe người, điển hình nhiễm ion kim loại nặng [1] Vì vậy, việc thu gom, tách loại kim loại nặng khỏi nguồn nước vấn đề cần thiết Có nhiều phương pháp áp dụng nhằm loại bỏ ion kim loại nặng khỏi môi trường nước như: phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp kết tủa Trong phương pháp hấp phụ áp dụng rộng rãi cho kết khả thi hiệu cao, chi phí thấp, dễ dàng thu gom xử lý [1,2,5] Vật liệu hydrogel có cấu trúc mạng ba chiều, tính chất ưa nước không tan nước nhạy cảm với điều kiện bên ngồi nhiệt độ, áp suất, pH…Vì vậy, việc sử dụng hydrogel để xử lý hấp phụ ion kim loại nghiên cứu ứng dụng rộng rãi CMC polyme tự nhiên có khả tự phân hủy sinh học có nhóm chức cacboxylic hydroxyl phù hợp để điều chế vật liệu hấp phụ kim loại nặng Ngoài ra, monome mang nhóm cacboxylic monome acrylic acid góp phần làm tăng độ bền, tính chất hấp phụ trương nở hydrogel [2-5] Diatomite trầm tích cịn có tên kizengua hay đất tảo silic, nguồn nguyên liệu có sẵn tự nhiên Thành phần hoá học chủ yếu diatomite SiO2 (50-96%), phần lại tạp chất Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO Diatomite tỉ trọng nhẹ, có độ xốp cao nhờ vào cấu trúc có lỗ hổng nhỏ đều, cách nhiệt, khơng hịa tan nước bền khơng khí Với đặc tính này, diatomite sử dụng để làm nước uống nước thải công nghiệp [6-8] Phương pháp sử dụng xạ gamma Co-60 điều chế vật liệu hydrogel có ưu điểm hiệu cao việc ghép khâu mạch tạo mạng lưới không gian không cần sử dụng chất khơi mào hóa học nên sản phẩm thu có độ cao [2,3,5] Bài viết trình bày kết nghiên cứu tính chất đặc trưng khả hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite điều chế kỹ thuật biến tính xạ gamma Co-60 492 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 NỘI DUNG Hóa chất, vật liệu Phương pháp 2.1.1 Hóa chất, vật liệu - Bột diatomite (Mỏ Tuy An, Tuy Hòa, Phú Yên, Việt Nam), Công ty cổ phần điatomit Việt Nam - Sodium Caboxymethyl Cellulose (CMC) Sigma với Mw~250.000 DS = 0,7 - Acrylic acid (AA) dạng PA 99%, Sigma - Các hóa chất chuẩn phân tích PA Merck: CuSO4; Zn(NO3)2; NaOH; HNO3 - Nước cất lần sử dụng cho thí nghiệm 2.1.2 Phương pháp nghiên cứu Điều chế vật liệu copolyme – diatomite kỹ thuật ghép xạ Cân xác g CMC hịa tan vào 100 mL nước cất khuấy tan hoàn toàn Thêm 100 mL acrylic acid khuấy máy khuấy với tốc độ 600 vòng/phút 30 phút [2] Sau thêm g diatomite trộn 30 phút Hỗn hợp sau khuấy chia nhỏ thành phần vào túi PE sau chiếu xạ thiết bị Co-60 Gamma Chamber 5000 với dải liều chiếu xạ 5-25 kGy, suất liều 1,3 kGy/h Mẫu sau chiếu xạ cắt nhỏ sấy khô 600 C Xác định hàm lượng gel tạo thành Cân xác lượng vật liệu copolyme – diatomite sấy khô vào túi lọc ngâm nước cất 800C giờ, lấy rửa nước cất để loại bỏ phần hòa tan, sau sấy khơ đến khối lượng khơng đổi nhiệt độ 400 C Mẫu sau sấy khô nghiền nhỏ, bảo quản túi PE Hàm lượng gel tạo thành tính tốn theo cơng thức sau: Gel(%)  m1 x100 m2 (1) m1: Khối lượng vật liệu copolyme – diatomite lại (g) m2: Khối lượng vật liệu copolyme – diatomite ban đầu (g) Gel (%): Hàm lượng gel tạo thành Khảo sát khả hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite Cân 0,1 g vật liệu copolyme – diatomite cho vào bình tam giác 250 mL chứa 50 mL dung dịch ion Cu2+ Zn2+ nồng độ 100 mg/L, khuấy tốc độ 250 vòng/phút Khảo sát ảnh hưởng pH, thời gian khuấy nồng độ ban đầu ion kim loại đến khả hấp phụ vật liệu copolyme – diatomite Hỗn hợp sau khuấy lọc qua giấy lọc lấy phần dung dịch xác định lượng ion kim loại lại phương pháp AAS máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Shmadzu A4−6800 (Nhật Bản) Hiệu suất hấp phụ tính theo công thức: H%= C0 -Ce x100 C0 (2) Dung lượng hấp phụ tính theo cơng thức: qe = (C0 -Ce )xV W Cо nồng độ ion kim loại ban đầu dung dich (mg/L) Ce nồng độ ion kim loại lại dung dịch (mg/L) V thể tích dung dịch (L) W khối lượng chất hấp phụ dùng (g) 493 (3) Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân nông nghiệp, ứng dụng công nghệ xạ Section D3-D4: Application of nuclear techniques in agriculture, radiation technology application Mơ hình đẳng nhiệt Mơ hình đẳng nhiệt mơ tả q trình tương tác chất hấp phụ ion kim loại bị hấp phụ có dạng tuyến tính sau [2] Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir: Ce Ce   q e q max q max K L (4) Mô hình đẳng nhiệt Freundlich: LnCe n qe dung lượng hấp phụ thời điểm cân (mg/g) qmax dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) Ce nồng độ chất tan pha lỏng trạng thái cân (mg/L) KL: số Langmuir KF n: số Freundlich Lnqe  LnK F  (5) 2.2 Kết Ảnh hưởng liều xạ tới hàm lượng gel tạo thành Ảnh hưởng liều xạ đến hàm lượng gel copolyme – diatomite tạo thành trình bày hình Hàm lượng gel tạo thành vật liệu copolyme – diatomite tăng nhanh với liều xạ từ đến 20 kGy Tuy nhiên liều xạ 20 kGy 25kGy hàm lượng gel tạo thành 90,25% 92,13% tăng không đáng kể Quá trình chiếu xạ xảy đồng thời hai trình khâu mạch cắt mạch Đối với hệ CMC-AA-diatomite trình khâu mạch xạ chiếm ưu khoảng liều xạ từ 5- 20 kGy Hình 1: Ảnh hưởng liều xạ tới hàm lượng gel tạo thành Ảnh SEM diatomite vật liệu copolyme – diatomite Hình 2: ảnh SEM diatomite (a) vật liệu copolyme – diatomite(b) 494 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 Kết chụp ảnh SEM hình 2a cho thấy diatomite có nhiều lớp, mịn có ống mao quản nhỏ Ảnh SEM vật liệu copolyme – diatomite hình 2b điều chế bẳng kỹ thuật xạ hình thành cấu trúc có nhiều lỗ xốp diện tích bề mặt lớn thích hợp làm vật liệu hấp phụ Khả hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite Khả hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite theo liều xạ Kết nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu copolyme – diatomite có theo liều xạ khác ion kim loại Cu2+ Zn2+ trình bày hình Hình Khả hấp phụ ion kim loại copolyme – diatomite theo liều xạ Kết hình cho thấy hiệu suất hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite tăng dần với liều xạ từ đến 20 kGy Vật liệu copolyme – diatomite liều xạ 20 kGy có hiệu suất hấp phụ cao ion kim loại Cu2+ Zn2+, 87,25 79,36 % Tuy nhiên liều xạ 25 kGy hiệu suất hấp phụ giảm Do đó, vật liệu copolyme – diatomite liều xạ 20 kGy chọn để khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Ảnh hưởng pH Kết khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất hấp phụ ion Cu2+ Zn2+ vật liệu copolyme – diatomite với thời gian khuấy 180 phút trình bày hình 4a Hình Ảnh hưởng pH (a) thời gian (b) đến khả hấp phụ vật liệu Hiệu suất hấp phụ vật liệu copolyme – diatomite đạt giá trị cao pH ion Cu2+ Zn , 91,25 83,36 % Cụ thể, pH tăng từ 3-5 hiệu suất hấp phụ tăng, từ 5-7 hiệu suất hấp phụ giảm 2+ Ảnh hưởng thời gian khuấy Khảo sát ảnh hưởng thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ ion Cu2+ Zn2+ vật liệu copolyme – diatomite pH trình bày hình 4b 495 Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân nông nghiệp, ứng dụng công nghệ xạ Section D3-D4: Application of nuclear techniques in agriculture, radiation technology application Kết cho thấy hiệu suất hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite tăng lên theo thời gian khuấy Thời gian khuấy tối ưu 180 phút với hiệu suất hấp phụ 91,25% 83,36% ion Cu2+ Zn2+ Mơ hình đẳng nhiệt Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt dùng để mô tả hấp phụ ion Cu2+ Zn2+ lên vật liệu copolyme – diatomite mơ hình Langmuir, Freundlich trình bày hình Hình Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir (a) Freundlich (b) Kết tính tốn dựa phương trình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich trình bày bảng 1: Bảng Các tham số mơ hình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich Mơ hình Ion Langmuir Freundlich qmax(mg/g) KL(L/mg) R KF(mg/g) n R2 Cu2+ 192,31 0,016 0,9899 13,62 2,38 0,9575 Zn2+ 151,52 0,015 0,9985 10,35 2,36 0,9582 Kết nghiên cứu dựa mơ hình đẳng nhiệt Langmuir tính tốn dung lượng hấp phụ cực đại cho ion Cu2+ 192,31 mg/g ion Zn2+ 151,52 mg/g Với mô hình đẳng nhiệt Freundlich giá trị n Cu2+ Zn2+ 2,38 2,36 phù hợp cho trình hấp phụ lỏng rắn [2] Hệ số tương quan cho thấy mơ hình đẳng nhiệt Freundlich (Cu2+: R2= 0,9575 Zn2+: R2= 0,9582) thấp mơ hình đẳng nhiệt Langmuir (Cu2+: R2= 0,9899 Zn2+: R2= 0,9985) cho thấy hấp phụ ion Cu2+ Zn2+ vật liệu copolyme – diatomite phù hợp với mơ hình đẳng nhiệt Langmuir 2.3 Bàn luận Từ kết nghiên cứu cho thấy hàm lượng gel tạo thành vật liệu copolyme – diatomite tăng theo liều chiếu xạ Tuy nhiên 25 kGy hàm lượng gel tạo thành có tăng khơng đáng kể so với chiếu xạ liều xạ 20 kGy Kết phù hợp với báo cáo Sultana cộng [3] Vật liệu tạo thành có cấu trúc nhiều lỗ xốp diện tích bề mặt lớn thích hợp làm vật liệu hấp phụ Hiệu suất hấp phụ vật liệu copolyme – diatomite cao liều xạ 20 kGy giảm với liều xạ 25 kGy Nguyên nhân liên kết vật liệu copolyme – diatomite trở nên bền vững hình thành mạng lưới khơng gian chặt chẽ làm ngăn cản hấp phụ ion kim loại từ dung dịch nước Khả hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite tối ưu pH phù hợp với kết nghiên cứu Hendy cộng [2] Rõ ràng, pH tham số quan trọng cho trình hấp thu ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite Khi mơi trường dung dịch có pH thấp cation kim loại phải cạnh tranh với ion H+, đồng thời gia tăng ion H+ bề mặt chất hấp phụ gây lực đẩy tĩnh điện cation kim loại dẫn đến làm giảm khả hấp phụ ion kim loại Khi pH tiếp tục tăng, ion kim loại có xu hướng tạo thành dạng phức hydroxy làm giảm khả hấp phụ Thời gian hấp phụ ảnh hưởng 496 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 nhiều tới hiệu suất hấp phụ ion kim loại vật copolyme – diatomite Có thể nói trình hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite xảy hai giai đoạn riêng biệt: Giai đoạn đầu ứng với tốc độ hấp phụ xảy nhanh khoảng 30 ÷ 120 phút, ion kim loại khuếch tán nhanh vào bề mặt chất hấp phụ dẫn đến hiệu suất hấp phụ tăng nhanh Giai đoạn thứ hai giai đoạn tốc độ hấp phụ chậm lại hiệu suất hấp phụ đạt đến giá trị cân Dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu copolyme – diatomite ion Cu2+ Zn2+ 192,31 151,52 mg/g tương đối lớn có tiềm ứng dụng vào việc xử lý thu gom ion kim loại Tuy nhiên để ứng dụng vật liệu copolyme – diatomite vào thực tiễn xử lý môi trường nước ô nhiễm kim loại nặng cần khảo sát thêm điều kiện ảnh hưởng nhiệt độ, tốc độ khuấy khả hấp phụ ion kim loại khác KẾT LUẬN Vật liệu copolyme – diatomite điều chế thành công kỹ thuật xạ gamma nguồn Co-60 Liều xạ 20 kGy cho hàm lượng gel tạo thành 90,25% có hiệu suất hấp phụ cao Kết khảo sát khả hấp phụ vật liệu copolyme – diatomite ion kim loại Cu2+ Zn2+ đạt hiệu suất cao pH thời gian khuấy 180 phút Quá trình hấp phụ vật liệu copolyme – diatomite phù hợp với mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại ion Cu2+ Zn2+ 192,31 151,52 mg/g Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu có khả ứng dụng lĩnh vực xử lý môi trường nước ô nhiễm kim loại nặng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Huy Bá (2008), Độc học môi trường bản, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hồ Chí Minh [2] Hendy Ahmed A, Khozemy E, Mahmoud G, Saad E, Sorror S “Implementation of Carboxymethyl Cellulose/Acrylic acid/ Titanium Dioxide Nanocomposite Hydrogel in Remediation of Cd(II), Zn(II) and Pb(II) for Water Treatment Application”, Egyptian Journal Of Chemistry, 62 (10), 1785-1798, 2019 [3] Sultana S, Rabiul Islam M, Dafader N C, Haque M E “Preparation of carboxymethyl cellulose/acrylamide copolymer hydrogel using gamma radiation and investigation of its swelling behavior”, Journal of the Bangladesh Chemical Society, 25 (2), 132-138, 2012 [4] Wang W , Xu J X, Wang Q “A pH-, salt- and solvent-responsive carboxymethylcellulose-g-poly(sodium acrylate)/medical stone superabsorbent composite with enhanced swelling and responsive properties”, Express Polymer Letters, (5), 385-400, 2011 [5] Tran To U, Trinh Thi Tu A, Tamikazu K, Cao Dong V, Nguyen Minh H, Le Xuan C, Nguyen Ngoc H “Preparation of hydrogel reinforced with bentonite by gamma irradiation for metal absorption.”, Nuclear Science and Technology, 10 (4), 48-55, 2020 [6] Sriram G, Kigga M, Uthappa U T, Rego R M, Thendral V, Tushar K, Ho-Young J, Mahaveer D K “Naturally available diatomite and their surface modification for the removal of hazardous dye and metal ions: A review”, Advances in Colloid and Interface Science, 282 (2), 102-198, 2020 [7] ElSayed ElBastamy E “Natural diatomite as an effective adsorbent for heavy metals in water and wastewater treatment (a batch study)”, Water Science, 32 (1), 32-43, 2018 [8] Yong F, Xiaoxu X, Yue H, Jianshe H, Qifan C, Yaoqing W “Preparation of new diatomite–chitosan composite materials and their adsorption properties and mechanism of Hg(II)”, Royal Society Open Science, (12), 2017 497 ... làm vật liệu hấp phụ Khả hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite Khả hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite theo liều xạ Kết nghiên cứu khả hấp phụ vật liệu copolyme – diatomite. .. theo liều xạ khác ion kim loại Cu2+ Zn2+ trình bày hình Hình Khả hấp phụ ion kim loại copolyme – diatomite theo liều xạ Kết hình cho thấy hiệu suất hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite. .. lượng vật liệu copolyme – diatomite lại (g) m2: Khối lượng vật liệu copolyme – diatomite ban đầu (g) Gel (%): Hàm lượng gel tạo thành Khảo sát khả hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme – diatomite