Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại Co2+, Zn2+ , Ni2+, Pb2+ của vật liệu copolyme điều chế bằng kỹ thuật ghép bức xạ γCo60

Khoa học Tự nhiên Nghiên cứu khả hấp phụ ion kim loại Co2+, Zn2+, Ni2+, Pb2+ vật liệu copolyme điều chế kỹ thuật ghép xạ γCo60 Phạm Bảo Ngọc, Nguyễn Giằng, Lê Văn Toàn, Lê Xuân Cường, Nguyễn Minh Hiệp, Vũ Ngọc Bích Đào, Trần Thị Tâm, Lê Văn Thức, Lê Thị Thùy Linh, Lê Thị Bích Thy, Hán Huỳnh Diện, Nguyễn Trọng Hồnh Phong* Trung tâm Công nghệ xạ Công nghệ sinh học, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Ngày nhận 17/8/2020; ngày chuyển phản biện 21/8/2020; ngày nhận phản biện 30/9/2020; ngày chấp nhận đăng 6/10/2020 Tóm tắt: Copolyme (PVA-g-AA) có tỷ lệ PVA (Polyvinyl alcohol) AA (Acid acrylic) khác theo khối lượng (w/w) điều chế phản ứng ghép xạ gamma Co-60 Các yếu tố ảnh hưởng tới hàm lượng gel tạo thành khảo sát Ở liều chiếu xạ 20 kGy, lượng gel tạo thành đạt 92,39% với độ trương nước khoảng 905% Các đặc trưng tính chất cấu trúc vật liệu xác định phổ hồng ngoại chuyển đổi chuỗi Fourier (FTIR) phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) Hình thái bề mặt trước sau ghép mạch xạ xác định kính hiển vi điện tử quét (SEM) Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ kim loại pH, thời gian hấp phụ nồng độ ion kim loại sử dụng ban đầu nghiên cứu Kết cho thấy, lượng hấp phụ cực đại vật liệu sau 240 phút pH=5 Pb2+, Zn2+, Co2+ Ni2+ 178, 161, 117 110 mg/g Từ khóa: copolyme, ghép xạ, PVA-g-AA Chỉ số phân loại: 1.4 Đặt vấn đề Ngày nay, với phát triển ngành công nghiệp ô nhiễm môi trường đất nước kim loại nặng thải thông qua hoạt động sản xuất hay sinh hoạt người, làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe người hệ sinh thái Trong thể, chúng khơng bị chuyển hóa, mà chuyển từ phận sang phận khác, bị đào thải qua đường tiết tích tụ lại số quan với hàm lượng tăng dần theo thời gian tiếp xúc Các ion kim loại Zn, Co, Ni, Pb có độ hịa tan mơi trường lớn, có mặt thể nồng độ cao ion chuyển hóa gây hại cho sức khỏe người như: tổn thương nội tạng, tổn thương hệ thần kinh, ung thư chí tử vong [1] Do đó, vấn đề loại bỏ ion kim loại nặng từ nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp trở thành vấn đề cấp thiết Có nhiều phương pháp áp dụng nhằm tách ion kim loại nặng khỏi môi trường nước như: phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp kết tủa Trong đó, phương pháp hấp phụ áp dụng rộng rãi cho kết khả thi hiệu cao, chi phí thấp, dễ dàng thu gom xử lý Gần đây, việc sử dụng hydrogel, copolyme để hấp phụ ion kim loại nghiên cứu ứng dụng rộng rãi vật liệu hydrogel trương mà khơng tan nước Ngồi ra, vật liệu thường chứa nhóm chức ưa nước khác (COOH, OH, NH2) cấu trúc mạng nên dễ dàng hấp phụ ion kim loại có nước thải [2, 3] Hydrogel điều chế phương pháp vật lý, hóa học phương pháp sử dụng gamma Co60 để ghép khâu mạch tạo mạng lưới không gian chiều cho hiệu có tính ưu việt sau: tốc độ phản ứng nhanh, kiểm sốt tốc độ phản ứng, đặc biệt không cần sử dụng chất xúc tác nên sản phẩm thu có độ cao [4-6] Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng thông số gia công đến hàm lượng gel, độ trương nước và khả hấp phụ ion kim loại vật liệu copolyme điều chế kỹ thuật chiếu xạ gamma Co-60 từ Polyvinyl alcohol Acid acrylic (PVA-g-AA) Phương pháp nghiên cứu Điều chế copolyme kỹ thuật ghép xạ Copolyme PVA-g-AA tổng hợp phản ứng trùng hợp gốc tự tác dụng xạ gamma Co60 Hòa tan 10 g PVA 90 ml nước cất, khuấy máy khuấy với tốc độ 250 vòng/phút, nhiệt độ 800C Dung dịch khuấy liên tục giờ, sau làm nguội đến nhiệt độ phòng, thêm từ từ lượng AA vào để đạt tỷ lệ PVA:AA (w/w) 1:1; 1:2 1:3 Khuấy máy khuấy với tốc độ 500 vòng/phút 60 phút Hỗn hợp sau khuấy chia nhỏ vào túi PE, sau đó chiếu xạ thiết bị chiếu xạ Gamma Chamber 5000 ở khoảng liều xạ 0-25 kGy Mẫu sau chiếu xạ sấy khô 400C đến khối lượng khơng đổi xác định đặc trưng tính chất Tác giả liên hệ: Email: sharahio@yahoo.com * 63(3) 3.2021 tính chất Xác định đặc trưng tính chất copolyme Khoa họckhô Tự nhiênngâm nước cất Hàm lượng gel tạo thành: m u copolyme 80 C, lấy rửa nước nóng để loại bỏ phần hịa tan, sau sấy khơ đ khơng đổi nhiệt độ 400C Hàm lượng gel tạo thành tính tốn theo (1) Gel (%) = 100 Study on the adsorption đó, W cáclàkhối u khơ trước lần W lượt m khối mẫusau khơvàsau chiết Trong đó, WW of heavy metal ions Pb2+, Zn2+, Co2+, Ni2+ Trong trước chiết Tinhkhi copolyme: m u copolyme khô ngâm nước cất tr from the aqueous solution Tinh copolyme: cácnóng mẫuđể copolyme khơ ngâm 80 C, lấy rửa nước loại bỏ phần hòa tan, sau sấy khơ đ of the copolymer prepared nước cất 12 80 C, lấy rửa nước nóng khơng độhịa 40 C u sau để đổi loại ởbỏnhiệt phần tan,Msau sấy sấy khơkhơ đếnđược khốinghiền lượng nhỏ, bảo quản by gamma induced radiation C Mẫu sau sấy khô không đổi nhiệt độ 40 PE Các m u copolyme sau tinh sử dụng để kiểm tra nghiền nhỏ, bảo quản túi PE Các mẫu copolyme polymerization chất.sau tinh sử dụng để kiểm tra đặc trưng d d 0 0 0 tính chất Bao Ngoc Pham, Giang Nguyen, Van Toan Le, Độ trương nước bão hòa (TNBH): xác định ằng phương pháp T Xuan Cuong Le, Minh Hiep Nguyen, Ngoc Bich Dao Vu, Độ trương nước bão hòa (TNBH): được xác định bằng lượng copolyme tinh M1 cho vào t i vải không thấm nước có khối lư Thi Tam Tran, Van Thuc Le, Thi Thuy Linh Le, phương pháp Tea Bag: cân lượng copolyme tinh Thi Bich Thy Le, Huynh Dien Han, M1 cho vào túi vải không thấm nước có khối lượng là M0, Trong Hoanh Phong Nguyen* sau đó ngâm trương nước 24h Tiếp3 đó, để ráo nước ngâm nước 24h Tiếp đó,tớiđểkhi ráokhơng nước còn hoặcthấy thấm nước ằng hoặc trương thấm nước giấy thấm cho Radiation Technology and Biotechnology Center, ) Thí nghiệm lặp lại nước nhỏ giọt cân khối lượng (M Dalat Nuclear Research Institute tới khơng cịn thấy nước nhỏ giọt và2cân khối lượng M2 Thí nghiệm lặp lần, lấy kết quả trung bình Độ TNBH của vật liệu được tính Received 17 August 2020; accepted October 2020 theotrung công thức: kết nh ộ TNBH vật liệu tính theo cơng thức: Abstract: (2) ( ) Copolymer hydrogel (PVA-g-AA) having varied PVA Khảo sátsát khảkhả hấp hấp phụ củaloại copolyme (Polyvinyl alcohol) and AA (Acrylic acid) content is Khảo phụion cáckim ionloại kim prepared by gamma induced radiation polymerization copolyme Cân 0,1 g copolyme khô tinh cho vào nh tam giác có chứa The parameters affecting the gel fraction yield have been 2+ 0,1 độ g copolyme tinh vàotừbình tamđộ vịng/p nồng 200 mg/l.khơ Khuấy máy cho khuấy với tốc studied The gel fraction and the swelling property aredịch P Cân 2+ nồng độ 200 mg/l giác có chứa 100 ml dung dịch Pb found to be 92.39 and 905% respectively at an absorbedph t Dung dịch sau đem lọc xác định nồng độ P 2+ lại du Khuấy máy khuấy từ với tốc độ 250 vòng/phút dose of 20 kGy Structural and property characteristics 150 phút Dung dịch sau đem lọc xác định nồng độ were determined by Fourier Transform Infrared (FTIR)phương2+ pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS Tiến hành thí nghiệm tương t Pb cịn lại dung dịch phương pháp đo phổ hấp spectrometer and Differential Scanning CalorimetryCo2+, Ni2+ Zn2+ thụ nguyên tử AAS Tiến hành thí nghiệm tương tự với (DSC) The surface morphology of PVA and copolymer has 2+ , Niảnh vàhưởng Zn2+ pH đến khả hấp phụ ion kim loại c ion Co2+sát Khảo been studied with Scanning Electron Microscope (SEM) Khảo ảnh hưởng The factors affecting the metal uptake such as pH, time, Cân 0,1 sát g copolyme khôcủa pH tinhđến sạchkhả chonăng vào hấp nh phụ tam giác có chứa and initial feed metal concentration were investigated It các2+ion kim loại copolyme dịch P nồng độ 200 mg/l Khuấy máy khuấy từ với tốc độ vòng/p is found that at pH and after 240 minutes the maximum Cân 0,1 g copolyme khơ tinh cho vào bình tam dịchcónằm 2-6,dịch tiếpPb tục 2+ khuấy trong 150 ph t Dun adsorption amount are 178, 161, 117, and 110 mg/g fordunggiác nồng độ 200 mg/l chứa 100khoảng ml dung 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ độ 250 vòng/phút, chỉnh Pb , Zn , Co , and Ni respectively Khuấy máy khuấy từ với tốc đem lọc xác định nồng độ P lại dung dịch ằng phương ph pH dung dịch nằm khoảng 2-6, tiếp tục khuấy 2+ 2+ Keywords: copolymer, PVA-g-AA, radiation polymerization.thụ ngun tử phút AAS.Dung Tiến dịch hànhsau thí nghiệm tương tự xác với 150 đem lọc địnhion o , Ni Classification number: 1.4 cònM;lại0,01 dịch 0,1 Pb32+0,1 dungnồng dịch độ HNO M dung NaOH M;phương 0,01 M pháp đo dùng để hiệu phổ hấp thụ nguyên tử AAS Tiến hành thí nghiệm tương tự Ni2+ vàhấp Zn2+ Các dịch loại HNOcủa 0,1copolyme M; với ion dung Co2+, lượng Xác định phụ cácdung ion kim 0,01 M NaOH 0,1 M; 0,01 M dùng để hiệu chỉnh pH Cân 0,1 g copolyme cho vào bình tam giác 250 ml chứa Xác định dung lượng hấp phụ ion kim loại dịch ion Pb2+ nồng độ 200 mg/l, khuấy tốc độ 250 vòng/phút, thời gian khu Xác định đặc trưng tính chất copolyme copolyme 30, 60, 90, 120, 150, 180 240 phút Dung dịch sau khuấy lọc x Cân 0,1 g copolyme cho vào bình tam giác Hàm lượng gel tạo thành: mẫu copolyme khô nồng phương độ 200 mg/l, 250 ml phụ chứaion 100kim ml loại dungcủa dịch ion Pb2+ lượng hấp copolyme pháp AAS m ngâm nước cất 12 80 C, lấy rửa nước khuấy tốc độ 250 vòng/phút, thời gian khuấy thụ nguyên tử Shmadzu A4-6800 (Nhật Bản) nóng để loại bỏ phần hịa tan, sau sấy khơ đến khối lượnghấp 30, 60, 90, 120, 150, 180 240 phút Dung dịch sau không đổi nhiệt độ 40 C Hàm lượng gel tạo thành khuấy Hiệu suất đượcđịnh tínhdung theo lượng công thức: đượchấp lọc phụ xác hấp phụ ion kim loại copolyme phương pháp AAS máy quang tính tốn theo cơng thức sau: ( ) 63(3) 3.2021 Trong đó, Cо nồng độ kim loại an đầu dung dich (mg/l), Ce nồn loại lại dung dịch (mg/l) Dung lượng hấp phụ tính theo cơng thức: thụ ngun tử AAS Tiến hành thí nghiệm tương tự với ion o2+, Ni2+ Zn2+ Các dung dịch HNO 0,1 M; 0,01 M NaOH 0,1 M; 0,01 M dùng để hiệu chỉnh pH Xử lý số liệu dung dịch HNO3 0,1 M; 0,01 M NaOH 0,1 M; 0,01 M dùng để hiệu chỉnh pH Số liệu xử lý phần mềm SPSS 16.0 Sử dụng Xác định dung lượng hấp phụ ion kim loại copolyme với mức tin cậy 95% (p6 có nhiều lỗ mao quản nhỏ, điều cho thấy AA Dung lượng hấp phụ copolyme cạnh tranh hấp phụ ion OH- diễn bề mặt chất hấp phụ dung môi, làm giảm ghép lên PVA Các kết nghiên cứu rằng, dung khả hấp phụ Trên sở copolyme điều kiện thời gian, pH tối ưu tìm lượng hấp phụ cực đại qmax copolyme Pb2+; Zn2+; được, hấp phụ với nồng độ Pb2+; Zn2+ Dungtiến lượnghành hấp phụ trình copolyme Co2+ Ni2+ 178,57; 161,29; 117,64 109,89 2+ Co2+ vàcơNi khác phụquá Trên sở cácban điềuđầu kiện thời gian, pH tốiCác ưu đãdữ t m liệu được, hấp tiến hành trình hấp mg/g Năng lượng liên kết b (Kqmax) trường hợp là: phân tích độ theo Dạng phụ với nồng Pb2+mơ ; Zn2+hình Co2+ đẳng Ni2+ nhiệt an đầuhấp khácphụ nhau.Langmuir Các liệu hấp phụ 2+ 2+ 2+ 2+ tuyến tính phương trình Langmuir biểu diễn Pb =0,4668; Zn =0,6339; Co =0,7664 Pb =0,9574 hiệu suất hấp phụ ion kim lại tăng, tiếp tục tăng pH=6 th2+ hiệu suất 2+ hấp phân tích theo mơ h nh đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Dạng tuyến tính phương tr nh hình 10 Langmuir biểu diễn hình 10 Ce/Qe TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Huy Bá (2008), Độc học môi trường bản, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh y=0,0056x + 0,4668 R²=0,9937 y = 0,0062x + 0,6339 R² = 0,9812 y = 0,0085x + 0,7664 R²=0,9872 y = 0,0091x + 1,4651 R² = 0,9574 [2] M.A Barakat (2011), “New trends in removing heavy metals from industrial wastewater”, Arabian Journal of Chemistry, 4(4), pp.361-77 [3] H.F Yahya Al-qudah, A Ghada, M.A Mahmoud, Abdel Khalek (2014), “Radiation crosslinked poly (vinyl alcohol)/acrylic acid copolymer for removal of heavy metal ions from aqueous solutions”, Journal of Radiation Research and Applied Sciences, 7, pp.135-145 Pb 100 200 300 Ce Zn 400 Co Ni 500 600 Hình 10 Dạng tuyến tính phương tr nh Langmuir ion kim loại Hình 10 Dạng tuyến tính phương trình Langmuir ion Kết nghiên cứu cho thấy, mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mơ tả kim loại 2+ 2+ 2+ 2+ xác hấp phụ Pb ; Zn ; Co Ni lên vật liệu copolyme Dung lượng hấp phụ [4] N.A Maziad, M Mohsen, E Gomaaand, R Mohammed (2015), “Radiation copolymerization of hydrogels based in polyacrylic acid/polyvinyl alcohol applied in water treatment processes”, Journal of Materials Science and Engineering A, 5, pp.11-12 [5] H.F Yahya Al-Qudah, M.A Mahmoud, Abdel-Khalek (2014), crosslinked poly (vinyl alcohol)/acrylic acid copolymer for removal of heavy metal ions from aqueous solutions”, J Rad Res Appl Sci 7(2), pp.135-145 2+ cực đại qmaxquả nghiên copolyme cứu Pb2+ ; Zn2+mơ ; Co2+hình Nihấp lầnphụ lượt đẳng 178,57; 161,29; “Radiation Kết cho thấy, nhiệt 12 hấp phụ Pb2+; Zn2+; Langmuir mô tả xác 2+ 2+ Co Ni lên vật liệu copolyme Dung lượng hấp phụ cực đại qmax copolyme Pb2+; Zn2+; Co2+ Ni2+ 178,57; 161,29; 117,64 109,89 mg/g Năng lượng liên kết b (Kqmax) trường hợp là: Pb2+=0,4668; Zn2+=0,6339; Co2+=0,7664 Pb2+=0,9574 Kết luận Sử dụng kỹ thuật ghép xạ AA lên phân tử PVA thực khoảng liều xạ 0-25 kGy, hàm lượng gel tạo thành phụ thuộc vào liều chiếu xạ đạt 92,39% liều xạ 20 kGy Sự hình thành liên kết ngang phân tử copolyme tạo mạng lưới không gian chiều làm cho vật liệu trương mà không tan nước với độ trương khoảng 905% Các kết phân tích FTIR DSC chứng 63(3) 3.2021 [6] H.L Abd El-Mohdy, E.A Hegazy, E.M El-Nesr, M.A Wahab (2013), “Metal sorption behavior of poly(N-vinyl-2-pyrrolidone)/ (acrylic acid-co-styrene) hydrogels synthesized by gamma radiation”, Journal of Environmental Chemical Engineering, 1(3), pp.328-338 [7] A.O Dada, A.P Olalekan, A.M Olatunya, O DaDa (2012), “Langmuir, freundlich, temkin and dubinin-radushkevich isotherms studies of equilibrium sorption of Zn2+ onto phosphoric acid modified rice husk”, Journal of Applied Chemistry (IOSR-JAC), 3(1), pp.38-45 [8] Ch Linga Raju, J.L Rao, B.C.V Reddy, K Veera Brahmam (2007), “Thermal and IR studies on copper doped polyvinyl alcohol”, Bulletin of Materials Science, 30, pp.215-218 11 ... gian đến khả hấp phụ vật liệu CácCác kếtkết quảquả nghiên cứu cho thấy hiệu suất nghiên cứu cho thấy hiệu suấthấp hấpphụ ph? ?của củavật vậtliệu liệutăng tăngtheo theot Các kết nghiên cứu cho thấy... ion kim loại vật liệu copolyme tăng Kết nghiên cứu cho thấy, copolyme chiếu xạ liều xạ 20 kGy có hiệu suất hấp phụ cao ion kim loại Pb2+; Zn2+; Co2+ Ni2+ 6 1,5 6; 5 8,0 8; 3 6,0 8 3 1,9 5% Mặt khác, copolyme. .. ứng với ion kim loại Pb2+; 5 7,9 4 ;của 3 6,1 3 3 1,7 7% 2+ 2+ 2+ vàhưởng Ni 6 1,5 0; 3 6,1 3 Zn ; CoẢnh pHlàđến khả 5 7,9 4; hấp phụ của3 1,7 7% vật liệu khoảng p Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ vật liệu khoảng