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

Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp, ứng dụng công nghệ bức 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 bức xạ và Công nghệ sinh học, Viện Nghiên cứu hạt nhân
Email:
Tóm tắt: Copolyme – diatomite với thành phần gồm CMC (Sodium Caboxymethyl Cellulose), AA (Acrylic acid) và
diatomite được điều chế bằng kỹ thuật bức xạ gamma Co-60. Các yếu tố ảnh hưởng tới hàm lượng gel tạo thành đã được
khảo sát. Ở liều xạ 20 kGy lượng gel tạo thành đạt 90,25%. Các đặc trưng tính chất và cấu trúc của vật liệu đã được xác
định bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ ion kim loại như pH, thời gian hấp
phụ và nồng độ đầu các ion kim loại cũng đã được nghiên cứu. Theo mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, dung lượng hấp phụ
cực đại của vật liệu copolyme – diatomite đối với Cu2+ và Zn2+ lần lượt là 192,31 mg/g và 151,52 mg/g.
Từ khóa: copolyme – diatomite; ion kim loại; hấp phụ; bức 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

1. MỞ ĐẦU
Hiện nay, ô nhiễm nguồn nước đang trở thành vấn đề nghiêm trọng của mỗi quốc gia do sự gia tăng
các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái và sức khỏe

con người, điển hình là sự ơ nhiễm các ion kim loại nặng [1]. Vì vậy, việc thu gom, tách loại các kim loại
nặng ra khỏi nguồn nước là một vấn đề cần thiết. Có nhiều phương pháp được áp dụng nhằm loại bỏ các
ion kim loại nặng ra khỏi môi trường nước như: phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương
pháp kết tủa... Trong đó phương pháp hấp phụ được áp dụng rộng rãi và cho kết quả rất khả thi bởi vì hiệu
quả 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 nhưng khơng tan trong nước và nhạy
cảm với các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, áp suất, pH…Vì vậy, việc sử dụng các hydrogel để xử lý và
hấp phụ các ion kim loại đã và đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. CMC là một polyme tự nhiên có
khả năng tự phân hủy sinh học và có các nhóm chức cacboxylic và hydroxyl phù hợp để điều chế vật liệu
hấp phụ kim loại nặng. Ngồi ra, các monome mang nhóm cacboxylic như monome acrylic acid góp phần
làm tăng độ bền, tính chất hấp phụ và trương nở của hydrogel [2-5].
Diatomite là trầm tích cịn có tên là kizengua hay đất tảo silic, là nguồn ngun liệu có sẵn trong tự
nhiên. Thành phần hố học chủ yếu của diatomite là SiO2 (50-96%), phần còn lại là tạp chất Al2O3, Fe2O3,
MgO, CaO. Diatomite tỉ trọng nhẹ, có độ xốp cao nhờ vào cấu trúc có các lỗ hổng rất nhỏ và đều, cách
nhiệt, khơng hịa tan trong nước và bền trong khơng khí. Với những đặc tính này, diatomite được sử dụng
để làm sạch nước uống hoặc nước thải công nghiệp [6-8].
Phương pháp sử dụng bức xạ gamma Co-60 điều chế vật liệu hydrogel có những ưu điểm như hiệu
quả cao trong việc ghép và khâu mạch tạo mạng lưới không gian và không cần sử dụng chất khơi mào hóa
học nên sản phẩm thu được có độ sạch cao [2,3,5].
Bài viết 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.
492


Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14
Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14

2. NỘI DUNG
2. 1. Hóa chất, vật liệu và 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) của Sigma với Mw~250.000 và DS = 0,7
- Acrylic acid (AA) dạng PA 99%, của Sigma
- Các hóa chất chuẩn phân tích PA của Merck: CuSO4; Zn(NO3)2; NaOH; HNO3.
- Nước cất 3 lần được sử dụng cho thí nghiệm.
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu
Điều chế vật liệu copolyme – diatomite bằng kỹ thuật ghép bức xạ
Cân chính xác 5 g CMC hòa tan vào 100 mL nước cất khuấy tan hoàn toàn. Thêm 100 mL acrylic
acid và khuấy đều bằng máy khuấy cơ với tốc độ 600 vòng/phút trong 30 phút [2]. Sau đó thêm 5 g
diatomite trộn đều trong 30 phút. Hỗn hợp sau khi khuấy được chia nhỏ thành các phần bằng nhau vào các
túi PE sau đó chiếu xạ trên thiết bị Co-60 Gamma Chamber 5000 với dải liều chiếu xạ 5-25 kGy, suất liều
1,3 kGy/h. Mẫu sau khi chiếu xạ được cắt nhỏ và sấy khô ở 600 C.
Xác định hàm lượng gel tạo thành
Cân chính xác một lượng vật liệu copolyme – diatomite đã sấy khô vào các túi lọc ngâm trong nước cất
ở 800C trong 8 giờ, lấy ra và rửa bằng nước cất để loại bỏ phần hịa tan, sau đó sấy khô đến khối lượng
không đổi ở nhiệt độ 400 C. Mẫu sau khi sấy khô được nghiền nhỏ, bảo quản trong các túi PE.
Hàm lượng gel tạo thành được tính tốn theo cơng thức sau:

Gel(%) 

m1
x100
m2

(1)

m1: Khối lượng vật liệu copolyme – diatomite còn lại (g).
m2: Khối lượng vật liệu copolyme – diatomite ban đầu (g).
Gel (%): Hàm lượng gel tạo thành.
Khảo sát khả năng hấp phụ các ion kim loại của vật liệu copolyme – diatomite

Cân 0,1 g vật liệu copolyme – diatomite lần lượt cho vào bình tam giác 250 mL chứa 50 mL dung
dịch các ion Cu2+ và Zn2+ nồng độ 100 mg/L, khuấy ở tốc độ 250 vòng/phút. Khảo sát ảnh hưởng của pH,
thời gian khuấy và nồng độ ban đầu ion kim loại đến khả năng hấp phụ của vật liệu copolyme – diatomite.
Hỗn hợp sau khi khuấy lọc qua giấy lọc lấy phần dung dịch xác định lượng ion kim loại còn lại bằng
phương pháp AAS trên máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Shmadzu A4−6800 (Nhật Bản).
Hiệu suất hấp phụ được tính theo cơng thức:

H%=

C0 -Ce
x100
C0

(2)

Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:
qe =

(C0 -Ce )xV
W

Cо là nồng độ ion kim loại ban đầu trong dung dich (mg/L).
Ce là nồng độ ion kim loại còn lại trong dung dịch (mg/L).
V là thể tích dung dịch (L).
W là khối lượng chất hấp phụ đã dùng (g).
493

(3)

Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp, ứng dụng công nghệ bức 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 giữa chất hấp phụ và ion kim loại bị hấp phụ có dạng
tuyến tính như sau [2].
Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir:

Ce Ce
1


q e q max q max .K L

(4)

Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich:
1
LnCe
n
qe là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).
qmax là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g).
Ce là nồng độ của chất tan trong pha lỏng ở trạng thái cân bằng (mg/L).
KL: hằng số Langmuir.
KF và n: các hằng số Freundlich.
Lnqe  LnK F 

(5)

2.2. Kết quả

Ảnh hưởng của liều xạ tới hàm lượng gel tạo thành
Ảnh hưởng của liều xạ đến hàm lượng gel copolyme – diatomite tạo thành được trình bày ở hình 1.
Hàm lượng gel tạo thành của vật liệu copolyme – diatomite tăng nhanh với các liều xạ từ 5 đến 20 kGy. Tuy
nhiên liều xạ 20 kGy và 25kGy hàm lượng gel tạo thành lần lượt là 90,25% và 92,13% tăng khơng đáng kể.
Q trình chiếu xạ xảy ra đồng thời hai quá trình khâu mạch và cắt mạch. Đối với hệ CMC-AA-diatomite quá
trình khâu mạch bức xạ chiếm ưu thế trong khoảng liều xạ từ 5- 20 kGy.

Hình 1: Ảnh hưởng của liều xạ tới hàm lượng gel tạo thành

Ảnh SEM của diatomite và vật liệu copolyme – diatomite

Hình 2: ảnh SEM của diatomite (a) và vật liệu copolyme – diatomite(b)

494


Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14
Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14

Kết quả chụp ảnh SEM ở hình 2a cho thấy diatomite có nhiều lớp, mịn và có những ống mao quản
nhỏ. Ảnh SEM vật liệu copolyme – diatomite hình 2b điều chế bẳng kỹ thuật bức xạ hình thành cấu trúc có
nhiều lỗ xốp do đó diện tích bề mặt lớn rất thích hợp làm vật liệu hấp phụ.
Khả năng hấp phụ các ion kim loại của vật liệu copolyme – diatomite
Khả năng hấp phụ các ion kim loại của vật liệu copolyme – diatomite theo liều xạ
Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu copolyme – diatomite có theo liều xạ khác nhau đối
với ion kim loại Cu2+ và Zn2+ được trình bày trên hình 3.

Hình 3. Khả năng hấp phụ ion kim loại của copolyme – diatomite theo liều xạ

Kết quả hình 3 cho thấy hiệu suất hấp phụ các ion kim loại của vật liệu copolyme – diatomite tăng

dần với các liều xạ từ 5 đến 20 kGy. Vật liệu copolyme – diatomite ở liều xạ 20 kGy có hiệu suất hấp phụ
cao nhất đối với ion kim loại Cu2+ và Zn2+, lần lượt là 87,25 và 79,36 %. Tuy nhiên ở liều xạ 25 kGy hiệu
suất hấp phụ giảm. Do đó, vật liệu copolyme – diatomite ở liều xạ 20 kGy được chọn để khảo sát các yếu tố
ảnh hưởng tiếp theo đến khả năng hấp phụ.
Ảnh hưởng của pH
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ ion Cu2+ và Zn2+ của vật liệu copolyme –
diatomite với thời gian khuấy là 180 phút được trình bày ở hình 4a.

Hình 4. Ảnh hưởng của pH (a) và thời gian (b) đến khả năng hấp phụ của vật liệu

Hiệu suất hấp phụ của vật liệu copolyme – diatomite đạt giá trị cao nhất ở pH 5 đối với ion Cu2+ và
Zn , lần lượt là 91,25 và 83,36 %. Cụ thể, khi pH tăng từ 3-5 thì hiệu suất hấp phụ tăng, từ 5-7 thì hiệu
suất hấp phụ giảm.
2+

Ảnh hưởng của thời gian khuấy
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất hấp phụ ion Cu2+ và Zn2+ của vật liệu
copolyme – diatomite ở pH 5 được trình bày ở hình 4b.
495


Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp, ứng dụng công nghệ bức xạ
Section D3-D4: Application of nuclear techniques in agriculture, radiation technology application

Kết quả cho thấy hiệu suất hấp phụ các ion kim loại của vật liệu copolyme – diatomite tăng lên theo
thời gian khuấy. Thời gian khuấy tối ưu là 180 phút với hiệu suất hấp phụ lần lượt là 91,25% và 83,36%
đối với ion Cu2+ và Zn2+.
Mơ hình đẳng nhiệt
Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt được dùng để mô tả sự hấp phụ các ion Cu2+ và Zn2+ lên vật liệu
copolyme – diatomite như mơ hình Langmuir, Freundlich được trình bày ở hình 5.

Hình 5. Mơ hình đẳng nhiệt Langmuir (a) và Freundlich (b)

Kết quả tính tốn dựa trên phương trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich được trình bày ở bảng 1:
Bảng 1. Các tham số mơ hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich

Mơ hình
Ion

Langmuir

Freundlich
2

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 quả nghiên cứu dựa trên mơ hình đẳng nhiệt Langmuir tính tốn được dung lượng hấp phụ cực
đại cho ion Cu2+ là 192,31 mg/g và ion Zn2+ là 151,52 mg/g. Với mơ hình đẳng nhiệt Freundlich giá trị n
của Cu2+ và Zn2+ lần lượt là 2,38 và 2,36 phù hợp cho quá trình hấp phụ lỏng rắn [2]. Hệ số tương quan cho
thấy mơ hình đẳng nhiệt Freundlich (Cu2+: R2= 0,9575 và Zn2+: R2= 0,9582) thấp hơn mơ hình đẳng nhiệt
Langmuir (Cu2+: R2= 0,9899 và Zn2+: R2= 0,9985) cho thấy sự hấp phụ các ion Cu2+ và Zn2+ của vật liệu
copolyme – diatomite phù hợp với mơ hình đẳng nhiệt Langmuir.

2.3. Bàn luận
Từ các kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng gel tạo thành của vật liệu copolyme – diatomite tăng
theo liều chiếu xạ. Tuy nhiên ở 25 kGy hàm lượng gel tạo thành tuy có tăng nhưng không đáng kể so với
chiếu xạ ở liều xạ 20 kGy. Kết quả này cũng phù hợp với báo cáo của Sultana và cộng sự [3]. Vật liệu tạo
thành có cấu trúc nhiều lỗ xốp do đó diện tích bề mặt lớn rất thích hợp làm vật liệu hấp phụ.
Hiệu suất hấp phụ của vật liệu copolyme – diatomite cao nhất ở liều xạ 20 kGy và giảm với liều xạ 25
kGy. Nguyên nhân có thể là do các liên kết trong vật liệu copolyme – diatomite trở nên bền vững hơn do
hình thành các mạng lưới khơng gian chặt chẽ làm ngăn cản sự hấp phụ các ion kim loại từ dung dịch nước.
Khả năng hấp phụ các ion kim loại của vật liệu copolyme – diatomite tối ưu ở pH 5 phù hợp với kết quả
nghiên cứu của Hendy và cộng sự [2]. Rõ ràng, pH là một tham số hết sức quan trọng cho quá trình hấp thu
các ion kim loại của vật liệu copolyme – diatomite. Khi mơi trường dung dịch có pH thấp các cation kim
loại phải cạnh tranh với ion H+, đồng thời gia tăng ion H+ trên bề mặt chất hấp phụ gây ra lực đẩy tĩnh điện
đối với cation kim loại dẫn đến làm giảm khả năng hấp phụ ion kim loại. Khi pH tiếp tục tăng, các ion kim
loại có xu hướng tạo thành dạng phức hydroxy làm giảm khả năng hấp phụ. Thời gian hấp phụ ảnh hưởng
496


Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14
Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14

nhiều tới hiệu suất hấp phụ các ion kim loại của vật copolyme – diatomite. Có thể nói rằng q trình hấp
phụ các ion kim loại bằng vật liệu copolyme – diatomite xảy ra hai giai đoạn riêng biệt: Giai đoạn đầu ứng
với tốc độ hấp phụ xảy ra nhanh trong 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 là giai đoạn tốc độ hấp phụ chậm lại
cho đến khi hiệu suất hấp phụ đạt đến giá trị cân bằng. Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu copolyme –
diatomite đối với ion Cu2+ và Zn2+ lần lượt là 192,31 và 151,52 mg/g là tương đối lớn có tiềm năng ứng
dụng vào việc xử lý và 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 các điều kiện ảnh hưởng như nhiệt độ,
tốc độ khuấy và khả năng hấp phụ các ion kim loại khác.

3. KẾT LUẬN
Vật liệu copolyme – diatomite đã được điều chế thành công bằng kỹ thuật bức xạ gamma trên nguồn
Co-60. Liều xạ 20 kGy cho hàm lượng gel tạo thành là 90,25% và có hiệu suất hấp phụ cao nhất. Kết quả
khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu copolyme – diatomite đối với ion kim loại Cu2+ và Zn2+ đạt hiệu suất
cao nhất ở pH 5 và thời gian khuấy là 180 phút. Quá trình hấp phụ vật liệu copolyme – diatomite phù hợp
với mơ hình đẳng nhiệt Langmuir, dung lượng hấp phụ cực đại đối với ion Cu2+ và Zn2+ lần lượt là 192,31
và 151,52 mg/g. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu có khả năng ứng dụng trong 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 cơ 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 (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, 4 (12), 2017.

497