Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật hóa học: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Carbon nanotubes đến khả năng hấp phụ Pb2+ của hydrogels từ acrylamide và maleic acid: Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học

Khả năng hấp phụ chì của mẫu hydrogels được đánh giá qua các thí nghiệm hấp phụ tĩnh và động, sử dụng phổ UV-Vis để đo nồng độ chì còn lại trong dung dịch.. Sự kết hợp giữa CNTs và hydro

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD: TS HUỲNH NGUYỄN ANH TUẤN SVTH: ĐOÀN MINH THUẬN

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CARBON NANOTUBES ĐẾN

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CNHH & TP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BỘ MÔN CN HÓA HỌC -

-

PHIẾU TRẢ LỜI GÓP Ý NỘI DUNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung

Tên đề tài: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Carbon Nanotubes đến khả năng hấp phụ chì

của hydrogels từ Acrylamide và Maleic Acid

Mã số khóa luận:

Họ và tên người hướng dẫn chính: TS Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn

II Nội dung trả lời

độ ở trang 32

Đã cập nhật lỗi chính tả Polyacrylamide ở trang 1, AAM ở trang 5, AAM ở trang 17, ký hiệu nhiệt độ ở trang 32

Tp.HCM, ngày 21 tháng 8 năm 2024

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

Đoàn Minh Thuận

Trong nghiên cứu này, semi-IPN hydrogels được tổng hợp từ linear PAM, monomer Acrylamide và Maleic acid bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do trong dung dịch nước Quá trình tổng hợp sử dụng methylenebisacrylamide (MBA) làm chất liên kết ngang, ammonium persulfate (APS) và N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TEMED) làm chất xúc tác và xúc tiến phản ứng Để tăng cường khả năng hấp phụ ion

Pb2+ của hydrogels, một lượng nhỏ Carbon Nanotubes (CNTs) đã được tích hợp vào hệ thống tổng hợp để đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng CNTs đến khả năng hấp phụ chì của hydrogels nhằm nâng cao hiệu suất hấp phụ chì từ dung dịch nước, đóng góp vào việc xử lý ô nhiễm kim loại nặng Ngoài ra, các mẫu hydrogels trắng (không chứa CNTs) cũng được tổng hợp và so sánh với các mẫu hydrogels chứa CNTs Điều này giúp đánh giá hiệu quả của CNTs trong việc cải thiện tính chất hấp phụ của hydrogels đối với ion

Pb2+, đồng thời nghiên cứu sự ảnh hưởng của CNTs đến cấu trúc và tính chất của vật liệu hydrogels

Khả năng hấp phụ chì của mẫu hydrogels được đánh giá qua các thí nghiệm hấp phụ tĩnh và động, sử dụng phổ UV-Vis để đo nồng độ chì còn lại trong dung dịch Các mẫu hydrogels được phân tích đặc tính cấu trúc - bề mặt, tính chất hoá lý bằng các kỹ thuật như FTIR, DSC, SEM/EDX, cơ tính, lưu biến và khả năng trương nở

Phân tích phổ FTIR cho thấy CNTs không tương tác hóa học với các nhóm chức của hydrogels, không hình thành liên kết mới hoặc phá vỡ liên kết hiện có, và các nhóm chức của hydrogels không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của CNTs Kết quả SEM cho thấy CNTs làm tăng kích thước lỗ xốp của hydrogels từ 0.226 mm ở CNT0 lên 0.391

mm ở CNT4, mở rộng cấu trúc xốp của mẫu Phân tích DSC cho thấy nhiệt độ chuyển thuỷ tinh tăng từ 220.2°C ở CNT0 lên 226.7°C ở CNT4, cho thấy CNTs cải thiện khả năng chịu nhiệt của hydrogels Về độ bền nén, mẫu CNT1 có giá trị cao nhất là 233.2

Pa, giảm dần đến 184.54 Pa ở CNT4, cho thấy CNTs tăng độ bền nén mặc dù có xu hướng giảm ở hàm lượng CNTs cao Khả năng hấp thụ nước không thay đổi nhiều giữa các mẫu, với giá trị SR cao nhất là 5198.0% ở CNT4 và thấp nhất là 4999% ở CNT0 Khả năng hấp phụ Pb2+ đạt tối đa 116.66 mg/g ở CNT4 và giảm xuống 50.68 mg/g ở CNT0, cho thấy CNTs có tác động tích cực đến khả năng hấp phụ chì nhờ vào việc mở rộng

diện tích bề mặt và cải thiện khả năng tương tác

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, và toàn thể các thầy cô giáo của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Công nghệ Hoá học và Thực phẩm đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Những kiến thức và kỹ năng quý báu mà em đã được học từ các thầy cô chính

là nền tảng vững chắc để em có thể thực hiện và hoàn thành khoá luận này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn – người đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện khoá luận Sự tận tâm, nhiệt tình và những chỉ dẫn quý báu từ thầy đã giúp em rất nhiều trong việc xác định phương hướng nghiên cứu, tiếp cận tài liệu và hoàn thiện các nội dung của khoá luận

Không thể thiếu, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các anh chị và các bạn học cùng

đã luôn sẵn lòng hỗ trợ, động viên và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập và thực hiện khoá luận

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến chị Py, anh Hùng và cái Ngọc Các anh chị là nguồn động viên và chữa lành cho tâm hồn em trong những lúc

em yếu lòng nhất Sự yêu thương và quan tâm của mọi người là nguồn sức mạnh tinh thần vô giá, giúp em vượt qua mọi khó khăn trong cuộc sống Nhờ vào sự hỗ trợ của các anh chị, em đã có thể vực dậy tinh thần và hoàn thành khóa luận này một cách tốt nhất

Em vô cùng biết ơn và trân trọng tất cả những gì các anh chị đã làm cho em

Cuối cùng, em xin kính chúc các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn học cùng luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và thành công trong công việc cũng như cuộc sống Một lần nữa,

em xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27, tháng 07, năm 2024

Sinh viên thực hiện

Đoàn Minh Thuận

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan mọi thông tin trong bài nghiên cứu này được trình bày một cách chân thực, dựa trên sự cẩn thận và chính xác của quá trình nghiên cứu với sự cố vấn của thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn Tất cả các dữ liệu và thông tin được sử dụng được xác minh

và hỗ trợ bằng phần mềm Turnitin, không có vi phạm nào về sao chép hoặc sử dụng không công bằng từ nguồn khác mà không được trích dẫn Mọi kết luận và suy luận trong báo cáo này được đưa ra dựa trên quan điểm và phân tích của chính tôi, không chịu ảnh hưởng từ bất kỳ cá nhân nào ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu và tuân thủ tất

cả các quy định và nguyên tắc về bản quyền, đạo đức nghiệp vụ và quy định về sự công bằng và minh bạch trong nghiên cứu khoa học

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27, tháng 07, năm 2024

Sinh viên thực hiện

Đoàn Minh Thuận

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC VIẾT TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu chung về hydrogels 4

1.1.1 Định nghĩa và cấu trúc 4

1.1.2 Thành phần hydrogels 4

1.1.3 Phân loại hydrogels 5

1.1.4 Tính chất hydrogels 8

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp 9

1.1.6 Ứng dụng 10

1.2 Giới thiệu về Carbon Nanotubes (CNTs) 11

1.2.1 Lịch sử phát triển 11

1.2.2 Cấu trúc và phân loại 11

1.2.3 Tính chất của CNTs [29] 12

1.2.4 Ứng dụng của CNTs 13

1.3 Giới thiệu về hấp phụ chì 14

1.3.1 Khái niệm hấp phụ 14

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ 14

1.4 Tác động của chì (Pb2+) đối với môi trường và sức khỏe 15

1.4.1 Nguồn gốc và tác động của chì trong môi trường 15

1.4.2 Các phương pháp xử lý chì trong nước thải 16

1.5 Tổng quan về nguyên liệu 17

1.5.1 Acrylamide (AAM) 17

1.5.2 Polyacrylamide (PAM) 17

1.5.3 Maleic acid (MA) 19

1.5.4 Ammonium persulfate (APS) 20

1.5.5 Tetramethylethylenediamine (TEMED) 20

1.5.6 N, N’-Methylenebisacrylamide 22

1.5.7 Chì (Pb2+) 23

1.5.8 Carbon Nanotubes (CNTs) 23

1.6 Một số phương pháp nghiên cứu hydrogels 24

1.6.1 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR) 24

1.6.2 Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimentry – DSC) 24

1.6.3 Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy – dispersive X-ray spectroscopy – EDX) 24

1.6.4 Phương pháp đo lưu biến (Rheological Measurement) 25

1.6.5 Phương pháp đo cơ tính 25

1.6.6 Tốc độ và khả năng trương nở (Swelling Rate; Swelling Ratio – SR) 25

1.6.7 Khảo sát ứng dụng hấp phụ Pb2+ bằng phương pháp UV – Vis 26

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị 27

2.1.1 Nguyên liệu 27

2.1.2 Dụng cụ 27

2.1.3 Thiết bị 27

2.2 Tổng hợp hydrogels 28

2.3 Phương pháp đánh giá 30

2.3.1 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy

– FTIR) 30

2.3.2 Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimentry – DSC) 31

2.3.3 Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy – dispersive X-ray spectroscopy – EDX) 31

2.3.4 Lưu biến (Rheological Measurement) 31

2.3.5 Khảo sát độ bền nén 31

2.3.6 Khả năng trương nở (Swelling Rate) 32

2.3.7 Khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ 32

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 35

3.1 Kết quả phổ hồng ngoại FTIR 35

3.2 Kết quả phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) 38

3.3 Kết quả chụp SEM/EDX 39

3.3.1 Kết quả quang phổ tán xạ năng lượng tia – EDX 39

3.3.2 Kết quả quan sát cấu trúc lỗ xốp của mẫu hydrogels 40

3.4 Kết quả đo lưu biến 41

3.5 Kết quả khảo sát cơ tính 42

3.6 Kết quả khảo sát quá trình trương nở 45

3.6.1 Quá trình trương nở trong nước 45

3.6.2 Tỷ lệ trương nở trong môi trường pH 46

3.6.3 Đường kính các mẫu hydrogels 48

3.7 Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ Pb2+ 49

3.7.1 Xây dựng đường chuẩn 49

3.7.2 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Pb2+ 49

3.7.3 Ảnh hưởng của nồng độ Pb2+ban đầu đến khả năng hấp phụ 52

3.7.4 Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogels đến khả năng hấp phụ 52

3.7.5 Khảo sát sự ảnh hưởng của CNTs đến khả năng hấp phụ Pb2+ 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần nguyên liệu tổng hợp hệ semi–IPN 28

Bảng 3.1 Kết quả phân bố kích thước các mẫu hydrogels 40

Bảng 3.2 Kết quả đo cơ tính cho các mẫu hydrogels 44

Bảng 3.3 Kết quả ảnh hưởng của hàm lượng hydrogels đến khả năng hấp phụ 53

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phân loại hydrogels dựa trên cấu trúc 6

Hình 1.2 Phân loại hydrogels dựa trên điện tích ion 7

Hình 1.3 Cấu trúc của Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs) và Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) 11

Hình 1.4 Sơ đồ biểu diễn dự hình thành cấu trúc CNTs 12

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của AM 17

Hình 1.6 Công thức cấu tạo của PAM 18

Hình 1.7 Công thức cấu tạo của Maleic Acid 19

Hình 1.8 Công thức cấu tạo của APS 20

Hình 1.9 Công thức cấu tạo của TEMED 21

Hình 1.10 Cơ chế xúc tác, xúc tiến của APS và TEMED 21

Hình 1.11 Công thức cấu tạo của MBA 22

Hình 2.1 Mẫu CNT0 – CNT4 sau khi tổng hợp 29

Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp Semi-IPN hydrogels 29

Hình 2.3 Sơ đồ minh hoạ quá trình tổng hợp semi-IPN 30

Hình 2.4 Phản ứng minh họa quá trình tổng hợp semi–IPN hydrogels 30

Hình 3.1 Kết quả phổ FTIR của linear PAM, monomer AAM, MA, MBA và mẫu hydrogels CNT0 35

Hình 3.2 Kết quả phân tích phổ FTIR mẫu hydrogels CNT0 36

Hình 3.3 Kết quả phân tích phổ FTIR của các mẫu hydrogels CNTs 37

Hình 3.4 Kết quả đo DSC của mẫu CNT0 và CNT4 38

Hình 3.5 Quang phổ EDX của các mẫu hydrogels 39

Hình 3.6 Kết quả kích thước lỗ xốp của các mẫu hydrogels 41

Hình 3.7 Đồ thị hiển thị giá trị G’, G’’ của các mẫu hydrogels theo thời gian 42

Hình 3.8 Kết quả đo cơ tính các mẫu hydrohel CNTs 43

Hình 3.9 Mô-đun nén của các mẫu hydrogels 43

Hình 3.10 Ứng suất nén các mẫu hydrogels 45

Hình 3.11 Khả năng trương nở theo thời gian của các mẫu hydrogels 46

Hình 3.12 Khả năng trương nở của các mẫu hydrogels CNTs tại pH từ 2 đến 12 47

Hình 3.13 Tỷ lệ trương nở của các mẫu hydrogels CNTs tại pH 2 – 12 47

Hình 3.14 Đường kính các mẫu hydrogels ở trạng thái trương cân bằng 48

Hình 3.15 Đường chuẩn dung dịch Pb2+ nồng độ 40 – 300 mg/L 49

Hình 3.16.Cơ chế chính để hấp phụ Pb2+ lên hydrogels 50

Hình 3.17 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ chì của mẫu hydrogels CNT2 50

Hình 3.18 Ảnh hưởng của nồng độ ion ban đầu đến khả năng hấp phụ chì của mẫu hydrogels CNT2 52

Hình 3.19 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng hydrogels đến khả năng hấp phụ 53

Hình 3.20 Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của CNTs đến khả năng hấp phụ Pb2+ của các mẫu hydrogels theo thời gian 54

CNT0 Hydrogels với hàm lượng CNTs 0 %

CNT1 Hydrogels với hàm lượng CNTs 0.1 %

CNT2 Hydrogels với hàm lượng CNTs 0.2 %

CNT3 Hydrogels với hàm lượng CNTs 0.3 %

CNT4 Hydrogels với hàm lượng CNTs 0.4 %

DSC Phân tích nhiệt lượng quét vi sai

EDX Quang phổ tán xạ năng lượng tia X

FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

IPN Interpenetrating Polymer Network

MA Maleic acid

MBA N, N’-Methylenebisacrylamide

MWCNTs Multi-Walled Carbon Nanotubes PAM Polyacrylamide

PEG Polyethylene glycol

PVA Polyvinyl alcohol

SEM Kính hiển vi điện tử quét

SWCNTs Single-Walled Carbon Nanotubes

TEMED Tetramethylethylenediamine

MỞ ĐẦU

Chì là một kim loại nặng gây nguy hại nghiêm trọng cho sức khoẻ con người, và sự hiện diện của nó trong nguồn nước là một vấn đề ngày càng được chú trọng Nguồn chì trong nước có thể xuất phát từ nhiều nguồn, bao gồm sự rò rỉ từ hệ thống ống dẫn cũ, ô nhiễm công nghiệp và hoạt động khai thác khoáng sản Khi chì xâm nhập vào nguồn nước, nó

có thể gây ra các vấn đề sức khoẻ nghiêm trọng như rối loạn chức năng thần kinh, tăng huyết áp, và ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của trẻ em

Với những hậu quả nghiêm trọng mà chì gây ra, ngoài việc thắt chặc các quy định tuân thủ về an toàn và bảo vệ môi trường, việc tìm kiếm giải pháp an toàn và hiệu quả để giảm hàm lượng chì cũng được chú trọng Hiện có nhiều phương pháp xử lý chì, từ phương pháp hóa học đến vật lý, nhưng việc sử dụng các vật liệu như hydrogels đang được hướng tới như một giải pháp tiềm năng Hydrogels có khả năng hấp phụ chì hiệu quả, nhờ vào cấu trúc mạng polymer của chúng và tính chất hấp phụ đặc biệt Sự nghiên cứu và phát triển trong việc ứng dụng hydrogels trong xử lý nước chứa chì đang được tiến hành, nhằm cung cấp giải pháp bền vững và hiệu quả hơn cho vấn đề ô nhiễm chì trong nguồn nước

Tuy nhiên, để cải thiện hiệu suất hấp phụ Pb2+, Carbon Nanotubes (CNTs) đã được bổ sung vào vật liệu hydrogels sẵn có Việc này nhằm tăng cường tính chất hấp phụ của hydrogels đối với ion Pb2+ từ dung dịch nước CNTs được lựa chọn vì có cấu trúc đặc biệt, gồm các lớp graphene cuộn lại thành hình ống, có diện tích bề mặt lớn và tính chất điện hóa học đặc biệt, giúp tăng cường quá trình hấp phụ và trao đổi ion Sự kết hợp giữa CNTs và hydrogels có thể cải thiện khả năng tiếp xúc và tương tác với các phân tử

Pb2+, từ đó nâng cao hiệu suất loại bỏ Pb2+ trong nước

Trong nghiên cứu này, các nguyên liệu được sử dụng để tổng hợp hydrogels hấp phụ chì bao gồm: Acrylamide, linear PAM, Maleic acid, MBA, APS, TEMED và Carbon Nanotubes

Acrylamide là vật liệu có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp dùng để sản xuất polymer đặc biệt là polyacrylamide thông qua quá trình polymer hoá gốc tự do Polyacrylamide được ứng dụng chủ yếu trong các quy trình xử lý nước thải, chế biến khoáng sản và khai thác mỏ Maleic acid, còn được gọi là cis-butenedioic acid, có hai nhóm carboxylic giúp tăng cường khả năng ưa nước của hydrogels Hơn nữa, Maleic acid có giá thành rẻ, giúp

giảm chi phí tổng hợp Carbon Nanotubes là một dạng cấu trúc Carbon trong đó các nguyên tử Carbon được sắp xếp theo hình ống trụ, có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp và đánh giá các tính chất lý hoá của composite hydrogels đi từ Carbon Nanotubes, linear PAM, Acrylamide và Maleic acid bằng các phương pháp FTIR, DSC, SEM/EDX, đo lưu biến, cơ tính và tỷ lệ trương nở

Nghiên cứu sự tác động của pH, nồng độ ion Pb2+ và hàm lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ Pb2+ của hydrogels

Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CNTs đến khả năng hấp phụ Pb2+ của hydrogels Nghiên cứu khả năng hấp phụ Pb2+ của hydrogels bằng phương pháp đo UV – Vis

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu bao gồm các mẫu semi-IPN hydrogels được tổng hợp từ Acrylamide, Maleic acid, MBA là tác nhân nối mạng ngang, hệ xúc tác oxy hóa khử APS/TEMED Carbon Nanotubes được sử dụng để tăng cường khả năng hấp phụ chì Thời gian thực hiện khóa luận: 02/2024

Địa điểm thí nghiệm: Phòng thí nghiệm Polymer B315, khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Phương pháp nghiên cứu

Giai đoạn 1: Nghiên cứu lý thuyết tổng quan và lý thuyết thực nghiệm

Giai đoạn 2: Tổng hợp các mẫu semi-IPN hydrogels với các hàm lượng Carbon

Nanotubes khác nhau

Giai đoạn 3: Khảo sát các tính chất của vật liệu dựa trên các phương pháp: FTIR, DSC,

SEM/EDX, đo lưu biến, cơ tính và tỷ lệ trương nở

Giai đoạn 4: Khảo sát ảnh hưởng của pH, nồng độ dung dịch Pb2+ và hàm lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ Pb2+

Giai đoạn 5: Khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ của các mẫu hydrogels

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đáp ứng của semi-IPN hydrogels khi kết hợp Acrylamide

và Maleic acid để hiểu rõ tính chất, quy trình tổng hợp Làm giàu nguồn tài liệu về hydrogels cho các nghiên cứu sau này

Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu ứng dụng semi – IPN hydrogels về khả năng hấp phụ

Pb2+

Kết quả dự kiến của đề tài

Hiểu rõ hơn về khả năng hấp phụ Pb2+ của hydrogels và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ

Đóng góp vào nghiên cứu và ứng dụng của vật liệu hydrogels trong giảm ô nhiễm chì

và bảo vệ môi trường nước

Nghiên cứu này có thể đóng góp vào việc phát triển các giải pháp hiệu quả và bền vững cho việc làm sạch nước ô nhiễm chì, giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường

Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Trong cấu trúc mạng này, các khoảng trống giữa các chuỗi polymer tạo ra không gian

để nước thấm vào và bị giữ lại Các chuỗi polymer trong hydrogels thường chứa nhiều nhóm chức ưa nước, chẳng hạn như nhóm hydroxyl (-OH), carboxyl (-COOH), amide (-CONH2), và sulfonate (-SO3H) [5, 6] Những nhóm chức này có khả năng tạo liên kết hydro với các phân tử nước, cho phép hydrogels hấp thụ một lượng nước rất lớn, thường gấp hàng trăm lần so với khối lượng khô của nó Độ trương nở và khả năng giữ nước của hydrogels phụ thuộc vào mật độ các liên kết trong mạng lưới và tính chất của các chuỗi polymer [7]

Ngoài ra, cấu trúc mạng của hydrogels cũng có thể được thiết kế để đáp ứng với các yếu

tố môi trường khác nhau Ví dụ, một số hydrogels có thể co lại hoặc giãn ra khi thay đổi

pH hoặc nhiệt độ, nhờ vào các nhóm chức đặc biệt trong chuỗi polymer Điều này làm cho hydrogels trở thành một vật liệu linh hoạt và đa năng, có thể được tùy chỉnh cho nhiều ứng dụng cụ thể [8]

Thành phần chính tổng hợp nên hydrogels bao gồm:

Polymer: là thành phần chính tạo nên cấu trúc của hydrogels Các polymer thường được

sử dụng có thể là tự nhiên (như gelatin, chitosan, alginate) hoặc tổng hợp (như polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol) [9] Polymer tự nhiên thường được ưu tiên trong các ứng dụng y sinh vì tính tương thích sinh học cao, trong khi

polymer tổng hợp cho phép điều chỉnh linh hoạt các tính chất cơ học và hóa học của hydrogels [10]

Monomer: là những phân tử nhỏ tham gia vào quá trình polymer hóa để tạo ra chuỗi

polymer của hydrogels [10] Acrylamide (AAM) là một monomer nổi bật được biết đến với khả năng tạo ra hydrogels có độ bền cơ học cao và khả năng phồng nở, quan trọng cho các ứng dụng y tế yêu cầu vật liệu sinh học mạnh mẽ trong hệ thống cung cấp thuốc kiểm soát và các cấy ghép y tế

Nước: chiếm phần lớn khối lượng hydrogels (thường từ 70% đến 90%) Nước được giữ

trong các lỗ trống của mạng lưới polymer bởi các lực tương tác hóa học và vật lý [11]

Chất liên kết chéo: là các tác nhân giúp tạo liên kết chéo giữa các chuỗi polymer, định

hình cấu trúc ba chiều của hydrogels Các chất liên kết chéo có thể là các phân tử hóa học (như glutaraldehyde, N,N'-methylenebisacrylamide) hoặc các yếu tố vật lý (như bức

xạ, nhiệt độ) [4] Chất liên kết chéo ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền cơ học, tính ổn định và tốc độ phân hủy của hydrogels, điều này rất quan trọng cho ứng dụng cụ thể

Chất xúc tác và xúc tiến: đóng vai trò quan trọng trong quá trình polymer hóa, kiểm

soát sự hình thành và phát triển của mạng hydrogels Các chất khởi đầu phổ biến bao gồm potassium persulfate (KPS), ammonium persulfate (APS) và ánh sáng UV cho polymer hóa quang học Lựa chọn các chất xúc tác và xúc tiến ảnh hưởng đến tốc độ polymer hóa, trọng lượng phân tử của các chuỗi polymer và các đặc tính tổng thể của hydrogels được tạo ra Việc lựa chọn và kiểm soát đúng các thành phần này là cần thiết để tạo ra hydrogels có các đặc điểm và hiệu suất mong muốn [10]

1.1.3 Phân loại hydrogels

1.1.3.1 Theo nguồn gốc

Phân loại hydrogels theo nguồn gốc chủ yếu chia thành hai nhóm chính: hydrogels tự nhiên và hydrogels tổng hợp

Hydrogels tự nhiên: là những loại hydrogels được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu tự

nhiên, thường là các polymer hoặc các hợp chất chiết xuất từ thiên nhiên như Gelatin,

Alginate, Chitosan Có tính tương thích sinh học cao, ít gây dị ứng, thường được sử

dụng trong các ứng dụng y tế và sinh học [3, 10]

Hydrogels tổng hợp: được sản xuất từ các polymer tổng hợp và các hợp chất hóa học

khác thông qua các quy trình tổng hợp hóa học hoặc vật lý như Polyacrylamide, polyethylene glycol (PEG), polyvinyl alcohol (PVA), được ứng dụng đa dạng từ y học đến công nghiệp với khả năng điều chỉnh tính chất vật lý và hóa học [3, 10]

1.1.3.2 Theo cấu trúc [12, 13]

Phân loại hydrogels theo cấu trúc polymer chủ yếu được chia thành bốn nhóm chính: homopolymer hydrogels, copolymer hydrogels, semi-IPN và IPN hydrogels được biểu diễn trong hình 1.1

Hình 1.1 Phân loại hydrogels dựa trên cấu trúc (a) Homopolymer, (b) Copolymer, (c) Semi-IPN, (d) IPN hydrogels

Homopolymer hydrogels: là loại hydrogels được hình thành từ một loại polymer duy

nhất Cấu trúc mạng lưới của hydrogels này hoàn toàn bao gồm một loại polymer và liên kết chéo được hình thành bởi các liên kết hóa học hoặc vật lý Điều này dẫn đến tính chất của hydrogels hoàn toàn phụ thuộc vào tính chất của polymer chính được sử dụng Hydrogels homopolymer thường được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng y tế và các

mô hình sinh học do tính chất dễ kiểm soát và đáp ứng đáng tin cậy của chúng

Copolymer hydrogels: là loại hydrogels được tạo thành từ hai hoặc nhiều loại polymer

khác nhau Sự kết hợp giữa các monomer khác nhau trong copolymer cho phép điều chỉnh và tăng cường các tính chất của hydrogels theo nhu cầu cụ thể của ứng dụng Điều này làm cho hydrogels copolymer rất linh hoạt và có thể được tinh chỉnh để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khác nhau Các loại hydrogels này được sử dụng phổ biến trong y học, công nghệ môi trường và công nghiệp nhờ vào khả năng cung cấp các tính chất đa dạng

và độ bền cao

Semi-IPN (Interpenetrating Polymer Network): là loại hydrogels trong đó một mạng

lưới polymer (polymer network) được kết hợp với một hoặc nhiều polymer mạch đơn

mà không có liên kết hóa học trực tiếp giữa chúng Điều này tạo ra một cấu trúc với các tính chất cơ học và hóa học được cải thiện, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Semi-IPN thường có tính đàn hồi và khả năng thay đổi tính chất dựa trên tỷ lệ và loại polymer phụ được sử dụng

IPN hydrogels: là loại hydrogels mà trong đó mạng lưới của ít nhất một polymer đã hình

thành trước đó, và sau đó mạng lưới của một hoặc nhiều polymer khác (polymer phụ) được thâm nhập vào mạng lưới của polymer chính Điều này tạo ra một cấu trúc mạng lưới phức hợp với các tính chất được tối ưu hóa từ cả hai loại polymer IPN hydrogels thường được sử dụng trong các ứng dụng y tế cao cấp và công nghệ vật liệu y tế tiên tiến, nơi mà tính chất chính xác và độ bền được yêu cầu

1.1.3.3 Theo tính chất ion [10, 13]

Hydrogels có thể được phân loại thành bốn nhóm được biểu diễn trong hình 1.2 dựa trên điện tích trên các chuỗi liên kết chéo gồm non-ionic, ionic, amphoteric electrolyte và zwitterionic hydrogels:

Hình 1.2 Phân loại hydrogels dựa trên điện tích ion

(a) non-ionic, (b) cation hydrogels, (c) amphoteric electrolyte, (d) zwitterionic

Non-ionic hydrogels: hydrogels không có nhóm chức ion trong cấu trúc polymer chính Nhờ vào tính chất này, chúng không tương tác điện hóa với các ion trong môi trường xung quanh, điều này làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng y tế và sinh học

Ionic hydrogels (bao gồm anion hoặc cation): hydrogels ion chứa các nhóm chức ion

trong cấu trúc polymer, có thể tương tác với các ion dương (cation) hoặc ion âm (anion) trong môi trường Điều này làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng trong xử lý nước, cảm biến ion và các hệ thống chuyển đổi năng lượng

Amphoteric electrolyte hydrogels : là loại hydrogels lưỡng tính có chứa cả nhóm axit và

nhóm bazơ trong cùng mạng lưới polymer, cho phép chúng tương tác với cả ion dương

và ion âm Điều này cung cấp tính linh hoạt trong việc điều chỉnh pH môi trường xung quanh và phù hợp cho các ứng dụng điều chỉnh pH và hệ thống cảm biến pH

Zwitterionic hydrogels (polybetaines): là hydrogels có cấu trúc chứa các nhóm chức

zwitterionic, tức là có cả điện tích dương và âm nhưng tổng điện tích trung hòa Điều này mang lại tính chất không ion, lưỡng tính và khả năng chống bám vi khuẩn, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng trong y tế và sinh học nhờ vào tính chất tương thích sinh học cao

1.1.3.4 Theo liên kết ngang [12, 13]

Các liên kết ngang đóng vai trò quan trọng trong xác định cấu trúc mạng lưới, tính chất vật lý và hóa học của hydrogels, đồng thời ảnh hưởng đến các ứng dụng khác nhau Bao gồm liên kết hoá học và liên kết vật lý trong mạng lưới hydrogels:

Liên kết hóa học: Đây là phương pháp phổ biến nhất để tạo ra hydrogels, trong đó các

mạng lưới được hình thành bởi các liên kết hóa học như liên kết cộng hóa trị, liên kết ion, liên kết hydrogen Các liên kết này có thể cung cấp cho hydrogels tính cơ học và hóa học ổn định cao Ví dụ, liên kết cộng hóa trị như liên kết acrylate trong hydrogels poly(acrylamide) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp tính chất hấp thụ nước và

độ co giãn Liên kết ion như trong hydrogels chitosan/alginate có khả năng hấp thụ ion mạnh và có thể ứng dụng trong xử lý nước thải và chế phẩm sinh học

Liên kết vật lý: Hydrogels có thể được liên kết thông qua các tương tác vật lý như liên

kết Van Der Waals, tương tác hydrophobic/hydrophilic, hay sự trùng hợp của chuỗi polymer Các liên kết này thường là yếu hơn so với liên kết hóa học nhưng cung cấp tính linh hoạt và dễ điều chỉnh cho vật liệu Ví dụ, trong hydrogels (poly(N-isopropylacrylamide)), sự thay đổi nhiệt độ có thể thay đổi tính chất hấp thụ nước do tương tác Van Der Waals giữa các chuỗi polymer

1.1.4 Tính chất hydrogels

Tính chất cơ học: hydrogels có độ bền kéo, độ dẻo dai và độ đàn hồi cao, phụ thuộc vào

loại liên kết ngang trong mạng lưới polymer [10] Các hydrogels với liên kết hóa học mạnh như liên kết cộng hóa trị thường có độ bền kéo cao hơn so với các hydrogels liên

kết bởi các tương tác vật lý như Van Der Waals hoặc liên kết hydrogen [3, 14] Độ dẻo dai cho phép hydrogels chịu được sự biến dạng lớn mà không bị phá vỡ, phù hợp với các ứng dụng sinh học như mô mềm nhân tạo Độ đàn hồi giúp hydrogels trở lại hình dạng ban đầu sau khi bị biến dạng, chúng thích hợp cho băng vết thương và cấy ghép y

tế [4]

Tính chất hấp thụ nước: hydrogels có khả năng hút và giữ nước gấp nhiều lần trọng

lượng khô của chúng, làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng y tế như băng vết thương và xử lý nước, nơi chúng có thể hấp thụ và loại bỏ các chất ô nhiễm [1, 11] Trong nông nghiệp, hydrogels được sử dụng làm chất giữ nước cho đất trồng cây, cải thiện khả năng giữ ẩm của đất và tăng năng suất cây trồng [15]

Tính tương thích sinh học: hydrogels có tính tương thích sinh học cao, không gây phản

ứng miễn dịch khi tiếp xúc với mô và tế bào sinh học, làm cho chúng trở thành vật liệu

lý tưởng cho các ứng dụng y tế và dược phẩm như cấy ghép mô và vận chuyển thuốc [4, 16] Hydrogels có thể được thiết kế để phân hủy sinh học trong cơ thể sau một khoảng thời gian nhất định, giảm nguy cơ gây hại lâu dài [17]

Tính chất đáp ứng môi trường: một số hydrogels có khả năng đáp ứng với các yếu tố

môi trường như nhiệt độ, pH và ánh sáng [1, 12] Ví dụ, hydrogels nhạy cảm với nhiệt

độ có thể co lại hoặc nở ra khi nhiệt độ thay đổi, phù hợp cho hệ thống giao thuốc thông minh Hydrogels nhạy cảm với pH có thể thay đổi độ trương phình dựa trên độ axit hoặc kiềm của môi trường, hữu ích trong cảm biến sinh học và kiểm soát giải phóng thuốc

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp

Hydrogels có thể được phân loại dựa trên phản ứng trùng hợp và các phương pháp vật

lý như sau:

Dựa trên phản ứng trùng hợp :

Trùng hợp gốc tự do (Free Radical Polymerization): Trong trùng hợp gốc tự do,

monomer và chất khởi đầu tạo gốc tự do được hòa tan trong một dung môi phù hợp, thường là nước Chất khởi đầu tạo gốc tự do tạo ra các radical gốc tự do khi bị kích hoạt bởi nhiệt độ hoặc ánh sáng UV [10] Các radical này sẽ tiếp xúc với monomer và khởi đầu chuỗi polymer hóa, dẫn đến quá trình trùng hợp Quá trình này có thể xảy ra trong dung dịch, trong khối lượng lớn của monomer, hoặc trong hệ nhũ tương tạo bởi sự phân tán của monomer và chất khởi đầu trong dung môi không pha nước [18] Hydrogels

được hình thành khi mạng lưới polymer kết dính trong dung dịch, cung cấp tính chất cơ học và hóa học đặc biệt phù hợp với nhiều ứng dụng sinh học và y tế

Trùng hợp ngưng tụ (Condensation Polymerization): Trùng hợp ngưng tụ là quá trình

hình thành hydrogels thông qua phản ứng ngưng tụ giữa các nhóm chức của monomer hoặc polymer tiền sinh [19] Trong quá trình này, các monomer hoặc polymer có thể có các nhóm chức như hydroxyl (–OH), amino (–NH₂), hoặc carboxyl (–COOH) [6], tương tác với nhau dưới sự tồn tại của một chất xúc tác hoặc điều kiện thích hợp Phản ứng ngưng tụ giữa các nhóm chức sẽ loại bỏ sản phẩm phụ như nước, etanol, hoặc axit acetic, dẫn đến hình thành mạng lưới polymer liên kết [10] Hydrogels có thể được điều chỉnh

về cấu trúc và tính chất vật lý-hóa học thông qua điều kiện phản ứng khác nhau, cung cấp sự linh hoạt cho nhiều ứng dụng trong y tế và khoa học vật liệu

Ngoài các phương pháp dựa trên phản ứng trùng hợp, hydrogels cũng được tổng hợp thông qua các phương pháp vật lý như đông tụ nhiệt, đông tụ bằng pH và đông tụ ion [12] Phương pháp đông tụ nhiệt sử dụng sự thay đổi nhiệt độ để kích hoạt liên kết giữa các phân tử polymer và hình thành mạng lưới 3 chiều của hydrogels Đông tụ bằng pH dựa trên sự thay đổi pH của môi trường để các nhóm chức trong polymer phản ứng với nhau và tạo ra liên kết, cũng như hình thành cấu trúc mạng lưới 3 chiều của hydrogels Phương pháp đông tụ ion sử dụng tương tác giữa các ion hóa trị cao

để hình thành mạng lưới polymer ổn định, phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực

y học và sinh học [20]

1.1.6 Ứng dụng

Trong lĩnh vực y sinh, hydrogels được sử dụng rộng rãi để làm miếng bao phủ vết thương, tạo mô hình tế bào, và thay thế mô [16] Chúng cung cấp môi trường ẩm ướt lý tưởng cho việc phục hồi da và hỗ trợ quá trình phục hồi tự nhiên của cơ thể Trong công nghệ sinh học, hydrogels được áp dụng để phát triển mô hình tế bào phức tạp và trong các thiết bị chẩn đoán sinh học như cảm biến sinh học Đối với ngành dược phẩm, chúng được sử dụng làm giao phối thuốc để cải thiện hiệu quả của điều trị [16]

Ngoài ra, hydrogels còn có thể được sử dụng trong các ứng dụng môi trường như xử lý nước thải và hấp phụ chất ô nhiễm từ môi trường [21] Trong cảm biến sinh học, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát sức khỏe và chẩn đoán sớm [22] Cuối cùng,

cây trồng, giúp tăng năng suất và chống lại tác động của khô hạn [23] Những ứng dụng này cho thấy tiềm năng lớn của hydrogels trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường

1.2 Giới thiệu về Carbon Nanotubes (CNTs)

1.2.1 Lịch sử phát triển

Carbon Nanotubes (CNTs) là một trong những khám phá quan trọng nhất trong lĩnh vực khoa học vật liệu cuối thế kỷ 20 Năm 1991, Sumio Iijima, một nhà khoa học Nhật Bản làm việc tại NEC Corporation, đã phát hiện ra CNTs khi nghiên cứu về sự hình thành của các ống Carbon trong quá trình bay hơi hồ quang Carbon [24] Khám phá này đã tạo nên một cơn sốt nghiên cứu trong cộng đồng khoa học do những tính chất cơ học và điện tử độc đáo của CNTs Trước phát hiện của Iijima, cấu trúc fullerene đã được biết đến và mang lại giải Nobel Hóa học năm 1996 Do đó, CNTs với hình dạng ống dài và các đặc tính vật lý độc đáo đã mở ra những ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực từ điện

tử, vật liệu đến y sinh học và môi trường Sự phát triển của CNTs đã được thúc đẩy mạnh mẽ bởi những nghiên cứu sâu rộng về cấu trúc, tính chất và ứng dụng [24]

1.2.2 Cấu trúc và phân loại

Carbon Nanotubes (CNTs) có cấu trúc độc đáo, được tạo thành từ các tấm graphene cuộn lại thành hình ống được mô tả trong hình 1.3 Tùy theo số lớp graphene mà CNTs được phân chia thành hai loại chính: Single-Walled Carbon Nanotubes và Multi-Walled Carbon Nanotubes

SWCNTs MWCNTs

0.5 – 2.5 nm 7 – 100 nm

Hình 1.3 Cấu trúc của Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs) và Multi-Walled

Carbon Nanotubes (MWCNTs) [25]

Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs): Được cấu tạo từ một lớp graphene duy

nhất cuộn thành ống với đường kính từ 0.5 đến 2.5 nm [26] SWCNTs có thể có các cấu trúc như chiral, zigzag hoặc armchair được thể hiện trên hình 1.4, và tùy vào cách sắp xếp cụ thể, chúng có thể mang các tính chất điện tử khác nhau, từ kim loại đến bán dẫn Điều này khiến SWCNTs đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng điện tử và công nghệ bán dẫn [27]

Hình 1.4 Sơ đồ biểu diễn dự hình thành cấu trúc CNTs

Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs): Bao gồm nhiều lớp graphene cuộn quanh

nhau, tạo thành hình trụ có chiều dài 20 nm và đường kính nhỏ hơn 100 nm [28] MWCNTs có thể được hình dung như các SWCNTs lồng vào nhau với khoảng cách giữa các lớp khoảng 0.34 nm MWCNTs thường có độ bền cơ học cao hơn SWCNTs nhờ vào cấu trúc nhiều lớp, nhưng tính chất điện tử của chúng phức tạp hơn do sự tương tác giữa các lớp graphene [27]

1.2.3 Tính chất của CNTs [29]

Carbon Nanotubes (CNTs) có nhiều tính chất vật lý và hóa học độc đáo, làm cho chúng trở thành một trong những vật liệu được nghiên cứu rộng rãi nhất hiện nay Đặc biệt, tính cơ học và diện tích bề mặt lớn là hai trong số những đặc điểm quan trọng nhất của CNTs

Tính chất cơ học: Carbon Nanotubes (CNTs) có độ bền kéo lên đến 63 GPa cao hơn thép khoảng 50 lần [30], trong khi nhẹ hơn rất nhiều, làm cho CNTs trở thành vật liệu

lý tưởng trong việc gia cường composite, từ đó nâng cao độ bền và hiệu suất của các vật liệu mà không làm tăng đáng kể trọng lượng Điều này có ý nghĩa quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật cao

Tính chất điện: CNTs có thể hoạt động như kim loại hoặc chất bán dẫn tùy thuộc vào cấu trúc của chúng, làm cho chúng quan trọng trong các ứng dụng điện tử và công nghệ bán dẫn [30] Tính chất điện của CNTs phụ thuộc vào góc quấn của các tấm graphene tạo thành ống, gọi là vector chiral Khi góc này là 0° hoặc 30°, CNTs sẽ có tính chất kim loại, trong khi các góc khác sẽ khiến chúng hoạt động như chất bán dẫn CNTs có khả năng dẫn điện rất cao, có thể lên đến 1000 lần so với đồng, nhờ vào cấu trúc nguyên tử hoàn hảo và sự di chuyển của electron dọc theo các ống Carbon [31]

Tính chất nhiệt: CNTs có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn cả kim cương (độ dẫn nhiệt của CNTs khoảng 3000 W/m·K so với 2000 W/m·K của kim cương) [30], đặc tính này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu hiệu quả tản nhiệt cao, chẳng hạn như trong các thiết bị điện tử và công nghệ nano [32]

Tính chất hoá học: CNTs thể hiện sự ổn định hóa học và khả năng chống ăn mòn cao

Bề mặt của CNTs có thể được biến tính bằng các nhóm hóa học khác nhau [28], từ đó tăng cường khả năng tương thích với các vật liệu khác và nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể như hệ thống vận chuyển thuốc và cảm biến sinh học Điều này mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học

Tính chất hấp phụ: CNTs có cấu trúc dạng xốp và diện tích bề mặt cao khoảng 1000

m2/g [33], phụ thuộc vào đường kính và chiều dài ống Diện tích bề mặt cao này tạo ra nhiều vị trí hoạt động, cho phép chúng hấp phụ một lượng lớn các phân tử, ion hoặc chất

ô nhiễm từ dung dịch hoặc không khí Khả năng hấp phụ này có thể được cải thiện thông qua các biến đổi hóa học, làm cho CNTs trở nên hiệu quả trong các ứng dụng làm sạch môi trường và xử lý nước thải

1.2.4 Ứng dụng của CNTs

Carbon Nanotubes (CNTs) có nhiều tính chất vượt trội, làm cho chúng trở thành một trong những vật liệu tiên tiến và đa dụng nhất hiện nay và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

Vật liệu hấp phụ: CNTs có khả năng hấp phụ các chất khí và hóa chất trong môi trường,

làm cho chúng được sử dụng trong các quy trình hấp phụ và làm sạch trong ngành công nghiệp hóa chất [30]

Xử lý nước và nước thải: CNTs có thể được áp dụng trong các hệ thống xử lý nước và

nước thải nhờ vào khả năng hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm như các hợp chất hữu

cơ và kim loại nặng Điều này giúp giảm thiểu tác động của các chất độc hại lên môi trường [34]

Gia cường vật liệu composite: CNTs được thêm vào các mạng polymer để tạo thành các

vật liệu composite có tính chất cơ học vượt trội như độ bền, độ cứng và độ co giãn Các vật liệu composite này được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất và xây dựng để giảm trọng lượng và tăng tính bền bỉ [35]

1.3 Giới thiệu về hấp phụ chì

1.3.1 Khái niệm hấp phụ

Hấp phụ là quá trình mà các phân tử, ion hoặc các chất khác từ môi trường bên ngoài được hấp thụ và giữ lại bởi bề mặt của vật liệu Quá trình này xảy ra khi các phân tử hoặc ion từ dung dịch hoặc không khí tiếp xúc với bề mặt vật liệu và tương tác với các

vị trí trống trên bề mặt này Sự hấp phụ thường phụ thuộc vào tính chất hóa học của cả hai pha, bao gồm tính chất bề mặt của vật liệu và tính chất hóa học của các phân tử hoặc ion

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ

Khả năng hấp phụ của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu suất và tính chất của quá trình hấp phụ Các yếu tố này có thể được phân loại và điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng các vật liệu hấp phụ trong các ứng dụng thực tế:

Diện tích bề mặt của vật liệu: Diện tích bề mặt lớn hỗ trợ việc tăng cường tương tác vật

liệu với các chất hấp phụ Các vật liệu như với cấu trúc ống và hydrogels với mạng lưới polyme linh hoạt đều có diện tích bề mặt cao, từ đó cải thiện khả năng hấp phụ

Cấu trúc và tính chất vật liệu: Cấu trúc vật liệu, bao gồm cả kích thước và hình dạng

của các nano cấu trúc, có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ Điều này bao gồm

cả sự phân tán của các điểm hấp phụ trên bề mặt vật liệu và khả năng tương tác với các phân tử hấp phụ

Tính chất hóa học: Tính chất hóa học của vật liệu, bao gồm tính acid-base, tính tan trong

nước và các tương tác phân tử, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ Các vật

liệu có thể thay đổi tính chất hóa học của môi trường xung quanh để thu hút hoặc phân tán các phân tử hấp phụ

Điều kiện môi trường: Các điều kiện môi trường bao gồm nhiệt độ, áp suất và pH ảnh

hưởng đến quá trình hấp phụ Sự thay đổi các điều kiện này có thể làm thay đổi tính chất của vật liệu hấp phụ và làm tăng hoặc giảm hiệu suất hấp phụ

Loại chất hấp phụ: Tính chất của chất hấp phụ như kích thước phân tử, cấu trúc hóa học

và khả năng tương tác với vật liệu hấp phụ đều quyết định đến mức độ hấp phụ và hiệu quả của quá trình

Thời gian tiếp xúc và tốc độ dòng chảy: Thời gian tiếp xúc và tốc độ dòng chảy của

dung dịch qua vật liệu hấp phụ ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Việc tối ưu hóa thời

gian tiếp xúc và điều kiện dòng chảy có thể cải thiện hiệu quả quá trình hấp phụ 1.4 Tác động của chì (Pb 2+ ) đối với môi trường và sức khỏe

1.4.1 Nguồn gốc và tác động của chì trong môi trường

Nguồn gốc của chì: Chì (Pb) là một kim loại nặng tồn tại tự nhiên trong vỏ Trái Đất,

thường ở dạng các hợp chất như galen (PbS) và cerussite (PbCO₃) [36] Tuy nhiên, phần lớn ô nhiễm chì trong môi trường hiện nay xuất phát từ các hoạt động nhân tạo Các nguồn chính bao gồm hoạt động công nghiệp, khai thác mỏ, luyện kim, sản xuất pin, sơn, và xăng dầu [37] Chì được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp này do tính chất hóa học đặc biệt của nó, chẳng hạn như độ bền và khả năng chống ăn mòn Trước đây, việc sử dụng xăng pha chì trong giao thông vận tải cũng là một nguồn quan trọng gây ô nhiễm chì, mặc dù việc này đã giảm thiểu đáng kể nhờ các quy định môi trường Chất thải công nghiệp và sinh hoạt, nếu không được xử lý đúng cách, cũng góp phần đáng kể vào việc thải chì vào môi trường

Tác động của chì trong môi trường: Chì trong môi trường gây ra nhiều vấn đề nghiêm

trọng đối với hệ sinh thái và sức khỏe con người Khi chì lơ lửng trong không khí dưới dạng các hạt bụi mịn, chúng có thể dễ dàng xâm nhập vào hệ hô hấp của con người, gây

ra các bệnh về đường hô hấp và thậm chí là ngộ độc chì mãn tính [38] Khi lắng đọng xuống đất, chì có thể tồn tại trong thời gian dài, gây ra sự tích tụ trong chuỗi thực phẩm khi cây trồng hấp thụ chì từ đất Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng đất và

sự phát triển của cây trồng mà còn gây ra nguy cơ cho sức khỏe con người và động vật khi tiêu thụ thực phẩm nhiễm chì Trong nước, chì có thể xâm nhập qua quá trình lắng

đọng từ không khí hoặc rửa trôi từ đất Nước nhiễm chì gây hại cho hệ sinh thái nước, ảnh hưởng đến các loài thủy sinh và dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho con người khi sử dụng nước này để uống hoặc sinh hoạt, bao gồm tổn thương thần kinh, suy giảm chức năng thận và các vấn đề về hệ sinh sản

1.4.2 Các phương pháp xử lý chì trong nước thải

Phương pháp xử lý hóa học: Các phương pháp xử lý hóa học thường được sử dụng để

loại bỏ chì khỏi nước thải bao gồm kết tủa hóa học và trao đổi ion Trong phương pháp kết tủa hóa học, các chất kết tủa như hydroxit, sunfat hoặc cacbonat được thêm vào nước thải để tạo ra các hợp chất chì không tan, sau đó dễ dàng tách ra khỏi nước Trao đổi ion

sử dụng nhựa trao đổi ion để thay thế các ion chì trong nước thải bằng các ion không gây hại, hiệu quả cao và nhựa có thể tái sử dụng sau khi tái sinh [39]

Phương pháp xử lý vật lý: Phương pháp xử lý vật lý bao gồm các kỹ thuật như lọc và

hấp phụ Lọc sử dụng các bộ lọc như bộ lọc cát, bộ lọc than hoạt tính hoặc màng lọc để loại bỏ các hạt chì từ nước thải [40] Hấp phụ là một phương pháp hiệu quả, sử dụng các vật liệu như than hoạt tính, zeolite hoặc các vật liệu tổng hợp như Carbon Nanotubes (CNT) để hấp phụ chì từ nước thải [40] Đặc biệt, CNT và hydrogels chứa CNT đang được nghiên cứu rộng rãi vì khả năng hấp phụ cao và tiềm năng ứng dụng trong việc xử

lý nước thải chứa chì

Phương pháp xử lý sinh học: Phương pháp xử lý sinh học bao gồm biosorption và

phytoremediation Biosorption sử dụng các sinh vật sống hoặc vật liệu sinh học để hấp phụ chì từ nước thải Vi khuẩn, nấm và tảo là những sinh vật thường được sử dụng do khả năng tích lũy kim loại nặng trong tế bào của chúng Phytoremediation sử dụng thực vật để hấp thụ và tích lũy chì từ nước thải [39] Phương pháp này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn có chi phí thấp, làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho việc xử lý nước thải chứa chì

Phương pháp xử lý kết hợp: Các phương pháp xử lý kết hợp thường được sử dụng để

tận dụng ưu điểm của từng phương pháp riêng lẻ và tăng hiệu quả xử lý Ví dụ, kết hợp kết tủa hóa học với lọc giúp loại bỏ chì hiệu quả hơn bằng cách tạo ra kết tủa chì và sau

đó tách chúng ra bằng cách lọc [39] Tương tự, kết hợp phương pháp hóa học với sinh học như kết hợp kết tủa hóa học với biosorption cũng có thể cải thiện hiệu quả xử lý, đảm bảo rằng nước thải được xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi thải ra môi trường

1.5 Tổng quan về nguyên liệu

1.5.1 Acrylamide (AAM)

Công thức cấu tạo:

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của AAM Danh pháp UIPAC: Prop-2-enamide

Tên gọi khác: Acrylamide, Propenamide, 2-Propenamide, AAM

Công thức phân tử: C3H5NO

1.5.1.1 Tính chất vật lý

Điểm nóng chảy: 84.5 °C

Điểm sôi: 125 °C (ở 25 mmHg)

Khối lượng phân tử:71.08 g/mol

Acrylamide (AAM) là một hợp chất hữu cơ quan trọng có nhiều tính chất vật lý đặc trưng Với điểm nóng chảy là khoảng 84 – 85°C và tính tan cao trong nước cũng như trong nhiều dung môi hữu cơ như ethanol và acetonitrile, AM thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và nghiên cứu Đặc biệt, khả năng hấp thụ nước cao của AM làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trong xử lý nước và polymer hóa Ngoài ra, AM cũng

có tính chất điện hóa học yếu, dễ dàng polymer hóa để tạo thành polyacrylamide, một polymer có độ nhớt cao, được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và

khoa học khác nhau, từ công nghệ môi trường đến sản xuất giấy và dầu khí

1.5.1.2 Tính chất hoá học

Phản ứng trùng hợp: Acrylamide có thể tham gia vào các phản ứng trùng hợp tạo ra

polyacrylamide (PAM) khi có mặt các chất khơi mào polymer hóa như APS (ammonium persulfate) và TEMED (N, N, N',N'-Tetramethylethylenediamine)

Tính chất hóa học khác: Acrylamide có thể phản ứng với các tác nhân nucleophilic do

nhóm amid (CONH2) có tính chất hút electron, làm tăng tính chất điện dương của nhóm

Carbonyl, dễ bị tấn công bởi các nucleophile

1.5.2 Polyacrylamide (PAM)

Polyacrylamide (PAM) là một polymer tổng hợp từ acrylamide Theo danh pháp IUPAC, tên của polyacrylamide được xác định dựa trên đơn vị lặp lại của monomer

acrylamide

Công thức cấu tạo của PAM có thể được biểu diễn như sau:

Hình 1.6 Công thức cấu tạo của PAM Danh pháp UIPAC: Poly(2-propenamide)

Tên gọi khác: Poly(1-carbamoylethylene), PAM

Công thức phân tử: (C3H5NO)n

1.5.2.1 Tính chất vật lý

Polyacrylamide (PAM) là một polymer hữu cơ quan trọng có nhiều tính chất vật lý đáng chú ý Đầu tiên, PAM tồn tại dưới dạng bột trắng không màu hoặc dạng hạt nhựa trong các ứng dụng công nghiệp Nó tan trong nước và các dung môi hữu cơ như ethanol và methanol, tạo thành các dung dịch đặc biệt độ nhớt cao và ít nhớt

Điểm nóng chảy của PAM dao động từ khoảng 200°C đến 240°C, tùy thuộc vào cấu trúc phân tử và độ polymer hóa Điểm nóng chảy cao này làm cho PAM phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu sự ổn định nhiệt độ cao

Ngoài ra, PAM có khả năng hấp thụ nước cao, giúp nó thích hợp cho các ứng dụng trong

xử lý nước, đặc biệt là trong quá trình kết tủa và lắng kết trong các hệ thống xử lý nước thải và nước cấp Điều này là do cấu trúc polymer linh hoạt của PAM, có thể tạo ra các mạng liên kết hydrogen mạnh với nước và các phân tử khác, cải thiện khả năng tương tác và hấp thụ

1.5.2.2 Tính chất hoá học

Polyacrylamide (PAM) có nhiều tính chất hóa học đặc trưng, giúp nó trở thành một chất hữu ích trong nhiều ứng dụng Với cấu trúc gồm các đơn vị acrylamide lặp lại và nhóm amide (-CONH2), PAM có khả năng keo tụ mạnh mẽ, giúp kết tụ các hạt lơ lửng trong dung dịch, làm sạch nước hiệu quả Khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng và chất hữu

cơ của PAM rất tốt, nhờ tương tác ion-dipole và liên kết hydro Độ nhớt của PAM tăng theo trọng lượng phân tử và nồng độ, điều chỉnh tốt độ nhớt trong các ứng dụng công nghiệp PAM ổn định trong môi trường axit và kiềm nhẹ, nhưng kém ổn định ở pH rất cao hoặc rất thấp, và có độ bền nhiệt tốt nhưng sẽ phân hủy ở nhiệt độ trên 150°C

1.5.3 Maleic acid (MA)

Công thức cấu tạo:

Hình 1.7 Công thức cấu tạo của Maleic Acid Danh pháp UIPAC: (Z)-Butenedioic Acid

Tên gọi khác: Cis-Butenedioic Acid, Malenic Acid, Maleinic Acid, Toxilic Acid Công thức phân tử: C4H4O4

1.5.3.1 Tính chất vật lý

Điểm nóng chảy: 135 – 140°C

Điểm sôi: 160 – 165°C (1 atm)

Khối lượng phân tử: 116.07 g/mol

Maleic acid là một axit hữu cơ có công thức phân tử C₄H₄O₄, được biết đến với tính chất vật lý đặc trưng như bột tinh thể màu trắng Điểm nóng chảy của maleic acid khoảng 135°C, và nó tan tốt trong nước cũng như trong các dung môi hữu cơ như ethanol, methanol, và ether Maleic acid có khả năng tạo thành các tinh thể khi được tinh chế Tính chất vật lý này của maleic acid làm cho nó được áp dụng rộng rãi trong các quá

trình hóa học, sản xuất hợp chất hữu cơ, và trong các ứng dụng công nghiệp khác 1.5.3.2 Tính chất hoá học

Maleic acid có tính axit mạnh, với hai nhóm carboxyl (-COOH) gắn với cùng một chuỗi Carbon Tính chất này làm cho nó phản ứng dễ dàng trong các phản ứng ester hóa, thủy phân và các phản ứng tạo phức với các kim loại Maleic acid cũng là nguyên liệu quan

trọng trong việc sản xuất maleic anhydride, một hợp chất được sử dụng rộng rãi trong

ngành công nghiệp hóa chất

1.5.4 Ammonium persulfate (APS)

Công thức cấu tạo:

Hình 1.8 Công thức cấu tạo của APS Danh pháp UIPAC: Ammonium persulfate

Tên gọi khác: Amoni peroxydisulfate, APS

Công thức phân tử: (NH₄)₂S₂O₈

1.5.4.1 Tính chất vật lý

Điểm nóng chảy: 120 – 130°C

Khối lượng phân tử: 228.20 g/mol

APS là một chất rắn không màu, có thể tồn tại ở dạng bột hoặc hạt Nó tan tốt trong nước, tạo thành một dung dịch trong suốt khi tan trong nước APS có thể lưu trữ ở dạng bột và dễ dàng hòa tan trong nước, làm cho nó tiện lợi trong quá trình sử dụng và bảo quản trong các phương pháp phân tích và nghiên cứu

1.5.4.2 Tính chất hoá học

Tính chất hoá học chính của APS là khả năng tạo ra các gốc tự do khi phân hủy, có thể tác động mạnh mẽ lên các hợp chất hữu cơ và các phân tử khác trong các quá trình oxy hóa Điều này làm cho APS trở thành một trong những chất chủ yếu trong phương pháp khử mạnh trong hóa học và sinh học Ngoài ra, APS cũng có thể được sử dụng như một chất khử trong phân tích hóa học để tạo điều kiện oxy hóa cần thiết cho các phản ứng phân tích và nghiên cứu

1.5.5 Tetramethylethylenediamine (TEMED)

Công thức cấu tạo: