Nghiên cứu chế tạo và sử dụng polyme hấp thụ làm chất hấp thu trong xử lý môi trường

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (995.55 KB, 72 trang )

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
1

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Lời cảm ơn
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn
PGS.TS. Nguyễn Văn Khôi và ThS. Nguyễn Thanh
Tùng đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành bản
khoá luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn
Hoá môi trường và các thầy cô giáo trong Khoa Hoá học, gia
đình, bạn bè đã hết sức giúp đỡ, động viên em hoàn thành bản
khoá luận.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị tại Phòng Vật
liệu Polyme, Viện Hoá học, Viện KH&CN Việt Nam đã tạo
điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khoá luận.

Hà nội, ngày 8 tháng 5 năm 2009
Sinh viên: Trần Thị Thu Hoà

___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
2

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Lời cam đoan

Khoá luận tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu chế tạo và sử dụng polyme
siêu hấp thụ nước làm chất hấp thu trong xử lý môi trường” là kết quả nghiên
cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Khôi và ThS.
Nguyễn Thanh Tùng thuộc Phòng Vật liệu Polyme, Viện Hoá học, Viện
KH&CN Việt Nam.
Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp của mình không trùng với kết quả
của các công trình nghiên cứu đã công bố trước đó.

Hà Nội, ngày 08 tháng 05 năm 2009
Sinh viên: Trần Thị Thu Hoà

___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
3

Natri metacrylat

TMEDA

N,N,N',N'- tetrametylendiamin

BDDA

1,4- butandiol diacrylat

EGDMA

Etylenglycol dimetacrylat

Q

độ hấp thụ nước

HEA

Hydroxyetyl acrylat

HPA

2- hydroxypropyl acrylat

SDS

Natri dodecyl sunfat

AMPS

2- acrylamido-2- metylpropanosunfonic axit

PEG

Poly(etylenglycol)

ITA

Itaconic axit

PVP

Popyvinyl pyrrolidon

PAM

Polyacrylamit

AV

giá trị amin

EDS

mức độ trương cân bằng

EDA

Etylendiamin

DETA

dietylentriamin

___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
4

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

HEMA

Poly(hydroxyetyl metacrylat)

TETA

Trietylentetramin

BGC

hàm lượng nhóm bazơ

HMG

hàm lượng nhóm hydroxymetyl

TMPTA

Trimetylolpropan triacrylat

SEM

kính hiển vi điện tử quét

FTIR

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

PAA

Polyacrylic axit

PAAG

Poly(2- acrylamidoglycolic axit)

MA

Maleic axit

CAME

Copolyme acrylamit- axit mesaconic

CITA

Axit citraconic

___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
5

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

mở đầu

Trong những thập niên gần đây sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa
học vật liệu nói chung và vật liệu polyme nói riêng đã đem lại những thành tựu
to lớn mà cụ thể là rất nhiều loại vật liệu đã được phát minh và ứng dụng rộng
rãi trong mọi mặt của đời sống. Trong số đó, vật liệu polyme ưa nước trên cơ sở
axit acrylic và dẫn xuất chiếm tỷ lệ không nhỏ và được nhiều nhà khoa học quan

tâm nghiên cứu, nhất là polyme siêu hấp thụ nước được sử dụng trong nhiều lĩnh
vực khác nhau như: các sản phẩm chăm sóc cá nhân (băng vệ sinh, tã lót...),
nông nghiệp, vật liệu xây dựng, y sinh...
Theo tính toán của các nhà khoa học khối lượng nước ngọt chỉ bằng 3,5%
tổng khối lượng nước trong thuỷ quyển. Trong đó lượng nước con người có thể
sử dụng được chỉ chiếm 1%. Với lượng nước như vậy phân bố không đồng đều
theo thời gian và không gian dẫn đến hiện tượng lúc thiếu, lúc thừa, nơi thiếu,
nơi thừa. Hơn thế nữa do sự bùng nổ dân số, quá trình đô thị hoá phát triển
nhanh, nhu cầu về nước ngày càng gia tăng mà việc xử lý nước thải chưa được
chú ý, gây ra sự suy giảm nguồn nước cả về số lượng lẫn chất lượng.
Theo dự báo của Viện cảnh báo thế giới, đến năm 2020 sẽ có khoảng trên
20% nhân loại phải sống ở vùng thiếu nước. Thiếu nước sẽ trở thành hiểm họa
của nhân loại vào thế kỷ XXI. Việc xử lý nước nói chung, đặc biệt nước nhiễm
ion kim loại nặng là một vấn đề đang thực sự cần thiết. Để tách, khử các kim
loại này khỏi lan truyền ra môi trường cần có phương pháp hiệu quả, kinh tế và
có tính khả thi cao. Một trong những phương pháp đang được áp dụng là sử
dụng các hợp chất polyme. Bên cạnh những ứng dụng to lớn trong nông nghiệp
như: vận chuyển cây trồng đi xa, chuyển chỗ cây trồng, giữ ẩm và cải tạo
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
6

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

đất...polyme siêu hấp thụ nước trên cơ sở acrylic và dẫn xuất còn có khả năng
hấp phụ các ion kim loại nặng nhờ có các nhóm chức tạo phức trong mạng lưới
polyme như -COO-, -NH2, -OH. Ngoài khả năng tách loại, các ion kim loại còn
được làm giàu, thu hồi và tái sử dụng. Chính vì vậy, trong khoá luận này, chúng
tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và sử dụng polyme siêu hấp thụ nước
làm chất hấp thu trong xử lý môi trường”.

___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
7

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

chương 1. tổng quan
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu, chế tạo polyme siêu hấp thụ nước
1.1.1. Trên thế giới
Polyme siêu hấp thụ nước là các polyme ưa nước được tạo lưới nhẹ có thể
hấp thụ, trương và giữ nước tới vài trăm lần khối lượng của chính nó, thậm chí
dưới áp lực. Những vật liệu này được biết tới lần đầu tiên tại Mỹ là tác nhân giữ
nước trong nông nghiệp và được phát triển ở Nhật Bản vào giữa thập niên 1970

trong các sản phẩm vệ sinh và chăm sóc cá nhân. Ngoài các sản phẩm chăm sóc
cá nhân, polyme siêu hấp thụ nước còn được sử dụng trong nông nghiệp, hệ vận
chuyển thuốc, đất nhân tạo cho thuỷ canh, tác nhân nhả chậm cho phân bón và
thuốc trừ sâu, nhựa trao đổi ion, chất mang xúc tác...Ban đầu polyme siêu hấp
thụ nước được chế tạo trên cơ sở quá trình trùng hợp ghép các vinyl monome ưa
nước lên các polyme sinh học như tinh bột, xenlulozơ, chitosan hay các
polysaccarit khác. Sau này, polyme siêu hấp thụ nước nguồn gốc tự nhiên dần
được thay thế bởi các polyme tổng hợp có thời gian sử dụng kéo dài, khả năng
hấp thụ nước và độ bền gel lớn.
Polyme siêu hấp thụ nước thường được chế tạo từ quá trình đồng trùng
hợp axit acrylic, natri hoặc kali acrylat và dẫn xuất có mặt chất tạo lưới. Phản
ứng được khơi mào gốc tự do, hệ khơi mào oxy hoá- khử hay các hệ khơi mào
hỗn hợp. Tuy nhiên, tia ó, tia tử ngoại hay các bức xạ năng lượng cao khác cũng
được sử dụng để khơi mào phản ứng. Tác nhân tạo lưới thường là các hợp chất
divinyl có 2 liên kết đôi ở đầu mạch. Trước tiên một liên kết phản ứng với gốc
đang phát triển trong khi liên kết còn lại phản ứng với một gốc đang phát triển
khác tạo thành cấu trúc mạng lưới 3 chiều. Polyme phải được tạo lưới phù hợp
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
8

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

để tăng tối đa khả năng hấp thụ nước mà vẫn ngăn chặn được sự hoà tan của các
mạch không được tạo lưới. Hàm lượng chất tạo lưới đóng vai trò quan trọng đối
với khả năng hấp thụ nước của sản phẩm. Ngoài ra, các thông số khác như kiểu
chất tạo lưới, tỷ lệ các monome, loại chất khơi mào, nhiệt độ và phương pháp
trùng hợp cũng ảnh hưởng tới tính chất sản phẩm [18].
Polyme siêu hấp thụ nước có thể được chế tạo trong môi trường nước
bằng quá trình trùng hợp dung dịch hoặc trong môi trường hydrocacbon, trong
đó monome được phân tán dưới dạng huyền phù hoặc nhũ tương. Đối với trùng
hợp nhũ tương, sản phẩm thu được ở dạng cục được cắt, sấy và nghiền trước khi
sử dụng. Quá trình trùng hợp huyền phù thu được các hạt có kích thước phụ
thuộc độ nhớt của monome và một số yếu tố khác. Để cải thiện độ xốp và cấu
trúc mạng lưới của polyme siêu hấp thụ nước, đôi khi người ta sử dụng các phụ
gia đặc biệt như tác nhân tạo bọt, chất chuyển mạch, tác nhân tạo phức, ion kim
loại và các chất bẫy gốc tự do. Quá trình biến tính polyme siêu hấp thụ nước sau
phản ứng để tạo lưới bề mặt cũng cải thiện khả năng hấp thụ nước [44].
Raju và cộng sự [40] đã tổng hợp polyme siêu hấp thụ nước trên cơ sở các
monome acrylamit, canxi acrylat và natri acrylat sử dụng chất khơi mào amoni
pesunfat (APS) và chất tạo lưới N,N'- metylenbisacrylamit (MBA). Copolyme
được tổng hợp bằng cách thay đổi nồng độ monome, chất tạo lưới và chất khơi
mào. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng polyme siêu hấp thụ nước có độ hấp
thụ cao cả trong nước cất và trong dung dịch NaCl (Qmax= 384g H2O/g mẫu).
Việc sử dụng polyme siêu hấp thụ nước để trồng cây đỗ cũng được nghiên cứu
và kết quả chứng tỏ rằng polyme siêu hấp thụ nước có khả năng giữ nước tốt và
có thể ứng dụng trong nông nghiệp, đặc biệt ở những vùng có nguy cơ hạn hán.
Khi sử dụng các monome là acrylamit, kali acrylat và magie metacrylat thì khả
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
9

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

năng hấp thụ nước cực đại đạt được là 460g/g. Sự phát triển của cây hoa hướng
dương khi sử dụng polyme siêu hấp thụ nước cũng khẳng định khả năng ứng
dụng của sản phẩm trong nông nghiệp, những nơi khan hiếm nước [41].
Kabiri và cộng sự [27] đưa ra một quan điểm mới về quá trình chế tạo
polyme siêu hấp thụ nước. Polyme siêu hấp thụ nước trên cơ sở axit acrylic
(AA), acrylamit (AM) và kali acrylat (KA) được tổng hợp từ quá trình đồng
trùng hợp trong dung dịch đặc. Hệ khơi mào oxy hoá- khử amoni pesunfat/natri
metabisunfit được sử dụng cho quá trình trùng hợp gốc tự do 3 cấu tử và chất
tạo lưới MBA. Một số thông số của quá trình (nồng độ chất tạo lưới và chất khơi
mào) có ảnh hưởng tới khả năng trương hay tốc độ trương được nghiên cứu chi
tiết. Đây là một phương pháp tổng hợp hiệu quả và dễ dàng để chế tạo polyme
siêu hấp thụ nước với hiệu suất định lượng ở điều kiện thường. Quá trình trùng
hợp bao gồm 2 giai đoạn: diễn ra chậm ở giai đoạn đầu và sau đó diễn ra rất
nhanh ở giai đoạn 2. Giảm phần trăm acrylamit cũng như tăng nồng độ chất khơi
mào làm cho tốc độ trùng hợp tăng. Tăng phần trăm acrylamit trong hỗn hợp
monome kéo dài thời gian phản ứng, thời gian tạo gel cũng như khả năng
trương. Thời gian phản ứng và tạo gel giảm, độ hấp thụ nước tăng khi tăng nồng
độ chất khơi mào.
Loại chất tạo lưới và thành phần monome có ảnh hưởng đáng kể tới tính
chất của polyme siêu hấp thụ nước. Liu và Rempel [32] tổng hợp polyme siêu

hấp thụ nước bao gồm AA và AM sử dụng tác nhân tạo lưới ahdehit đơn chức
bằng kỹ thuật trùng hợp dung dịch với hệ khơi mào oxy hoá khử. Polyme được
tạo thành hấp thụ khoảng 900g nước/g polyme khô. Quá trình trương của
copolyme này được nghiên cứu trong hỗn hợp ancol/nước có hàm lượng ancol
tăng ở 294, 304 và 314K. Quá trình chuyển tiếp của hỗn hợp etanol/nước và
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
10

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

metanol/nước là sự giảm nhanh khả năng hấp thụ của polyme tương ứng ở 5060% thể tích etanol và 55-65% thể tích metanol.
Polyme siêu hấp thụ nước trên cơ sở acrylamit (AM) và natri metacrylat
(NMA) được tổng hợp bằng cách trùng hợp gốc tự do trong dung dịch sử dụng
hệ khơi mào APS và N,N,N',N'- tetrametylendiamin (TMEDA). 8 copolyme
khác nhau được tổng hợp bằng cách thay đổi thành phần NMA và cố định nồng
độ acrylamit và 1,4- butanediol diacrylat (BDDA) hay etylenglycol dimetacrylat
(EGDMA) là các chất tạo lưới. Polyme siêu hấp thụ nước AM- NMA được tổng
hợp thành công trong dung dịch nồng độ cao ở điều kiện khí quyển bình thường
và nhiệt độ phòng. Tỷ lệ trương của copolyme tăng khi tăng nhiệt độ trong tất cả
các truờng hợp. Thành phần monome ở 1,4.10-2 (AM), 9,25.10-3 mol (NMA) cho
tỷ lệ trương tối đa và giá trị này khá phù hợp với polyme siêu hấp thụ nước

NMA tinh khiết. Nồng độ tối ưu hoá để đạt giá trị tỷ lệ trương cao hơn là
4,032.10-4 và 7,05.10-4 mol tương ứng đối với chất tạo lưới BDDA và EGDMA.
Giá trị điều kiện tối ưu hoá của chất khơi mào và chất hoạt hoá để thu được tỷ lệ
trương cao là 2,19.10-4 và 6,88.10-5 mol đối với copolyme được tạo lưới bằng
BDDA, 8,76.10-5 và 1,2.10-4 mol đối với copolyme được tạo lưới bằng EGDMA
[57].
So với quá trình trùng hợp nhiệt, quá trình trùng hợp khơi mào bằng bức
xạ có nhiều ưu điểm như trùng hợp ở nhiệt độ thường, thời gian tiếp xúc ngắn, ít
gây ô nhiễm...Weiqing và cộng sự [56] đã tổng hợp hydrogel siêu hấp thụ nước
từ AA- KA bằng quá trình trùng hợp khơi mào bức xạ tử ngoại trực tiếp. ảnh
hưởng của mức độ trung hoà AA, chất khơi mào quang, tác nhân tạo lưới và thời
gian tiếp xúc bức xạ UV tới tính chất hấp thụ nước được nghiên cứu. Kết quả
cho thấy độ hấp thụ nước Q và độ hấp thụ dung dịch NaCl 0,9% của polyme khá
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
11

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

cao, tương ứng đạt khoảng 1400 và 130ml/g. Phổ hấp thụ UV chứng tỏ rằng pic
hấp thụ UV của Irgacure 651 phù hợp với nguồn bức xạ UV sử dụng. Trong số
các tác nhân tạo lưới, MBA hiệu quả hơn các tác nhân khác do hàm lượng của

nó rất nhỏ và Q cao. Phổ cộng hưởng từ 13C được sử dụng để nhận dạng cơ chế
phản ứng tạo lưới qua quá trình este hoá hydroxyetyl acrylat (HEA) và 2hydroxypropyl acrylat (HPA) với nhóm axit cacboxylic trong quá trình đồng
trùng hợp axit acrylic- amoni acrylat nhưng hiệu quả của phản ứng tạo lưới bởi
quá trình este hoá thấp hơn so với quá trình đồng trùng hợp nhóm vinyl trong tác
nhân tạo lưới. Q của copolyme axit acrylic- kali acrylat đạt tới 1592ml/g trong
điều kiện mức độ trung hoà axit acrylic là 80%, hàm lượng Irgacure 651 là
0,25%, hàm lượng HEA là 0,2% khối lượng và thời gian tiếp xúc là 10 phút.
Mặc dù polyme siêu hấp thụ nước có thể thu được trực tiếp từ quá trình
trùng hợp khơi mào chiếu xạ hỗn hợp monome trong dung dịch nhưng có thể
tiến hành tạo lưới trực tiếp các polyme mạch thẳng trong pha lỏng, thậm chí ở
trạng thái rắn để thu được microgel. Abd El-Rehim [4] đã tổng hợp microgel
polyacrylamit và acrylamit- natri acrylat tạo lưới bằng cách chiếu xạ dòng
electron. Liều chiếu xạ cần thiết để tạo lưới phụ thuộc hàm lượng ẩm của
polyme. Sự thay đổi cấu trúc trong polyme chiếu xạ được chứng minh bằng phổ
hồng ngoại FTIR và ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM. Polyme tạo lưới đạt tới
trạng thái trương cân bằng chỉ trong vài phút. Khi hàm lượng gel và mật độ tạo
lưới giảm, quá trình trương của microgel tăng. Khả năng hấp thụ và giữ lượng
lớn dung dịch của microgel chứng tỏ khả năng sử dụng chúng trong trồng vườn
và các sản phẩm vệ sinh cá nhân như băng vệ sinh.
Ngoài phương pháp trùng hợp dung dịch, các phương pháp truyền thống
khác được sử dụng để tổng hợp polyme siêu hấp thụ nước là trùng hợp nhũ
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
12

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

tương ngược, huyền phù ngược. Mặc dù các phương pháp này có thể khắc phục
một số nhược điểm của phương pháp trùng hợp dung dịch như vấn đề khó
truyền nhiệt và khuấy trộn khi độ nhớt của khối phản ứng tăng nhưng quá trình
trùng hợp vẫn không ổn định bởi sự đông tụ và keo tụ vẫn có thể xảy ra do kích
thước hạt lớn. Chính vì vậy, Wan và cộng sự [54] đã tiến hành tổng hợp polyme
siêu hấp thụ nước bằng quá trình trùng hợp vi nhũ ngược. ưu điểm quan trọng
của quá trình trùng hợp vi nhũ ngược là dễ phân tán nhiệt và độ nhớt thấp hơn.
Hơn nữa, quá trình có thể diễn ra với tốc độ nhanh hơn và thu được polyme có
trọng lượng phân tử cao hơn, ổn định hơn do các hạt có kcíh thước nhỏ hơn.
Polyme siêu hấp thụ nước được tổng hợp bằng quá trình trùng hợp vi nhũ ngược
sử dụng cyclohexan làm pha liên tục, nước là pha phân tán, MBA là tác nhân tạo
lưới và OP-10 và SDS là chất hoạt động bề mặt phức hợp. Các thông số tổng
hợp (lượng chất tạo lưới và chất khơi mào, tỷ lệ nước/dầu, tỷ lệ monome/chất
hoạt động bề mặt và tỷ lệ AA/AM) và ảnh hưởng của chúng đến độ hấp thụ của
polyme siêu hấp thụ nước đã tổng hợp được nghiên cứu. Mối tương quan giữa
độ hấp thụ nước và thời gian hấp thụ cũng như khả năng giữ nước của polyme
siêu hấp thụ nước cũng được thiết lập. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ hấp thụ
nước cực đại là 1432g/g và độ hấp thụ nước là 722g/g trong 15 phút. Khả năng
giữ nước trong đất tăng mạnh khi sử dụng polyme siêu hấp thụ nước ở trên.
SEM cho thấy một bề mặt không đồng đều, gợn sóng và vi mao quản của
polyme siêu hấp thụ nước phù hợp với sự thâm nhập của nước vào trong mạng
lưới polyme. Polyme siêu hấp thụ nước có thể được xem xét làm vật liệu điều
tiết nước cho mục đích nông nghiệp và trồng vườn ở những vùng sa mạc và có
nguy cơ hạn hán.
Các hạt đơn phân tử của polyme siêu hấp thụ nước có thể được tổng hợp

___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
13

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

trên thiết bị sấy phun từ dung dịch nước của polyme loãng. ảnh chụp kính hiển
vi điện tử quét cho thấy các hạt khô này có đường kính trong khoảng 1-4ỡm.
Quan sát trên ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua, trên cơ sở tính toán thể
tích liên quan đến khối lượng phân tử của polyme, có thể thấy rằng mỗi hạt này
bao gồm một mạch đơn phân tử [35].
Các thông số của quá trình trùng hợp như nồng độ và kiểu chất khơi mào,
nồng độ và kiểu chất tạo lưới, nhiệt độ, thời gian phản ứng và pH ảnh hưởng tới
cấu trúc mạng lưới của polyme siêu hấp thụ nước, tác động trực tiếp đến không
chỉ độ trương mà còn động học quá trình trương của polyme. Ngoài ra, quá trình
trương còn chịu ảnh hưởng của kích thước hạt polyme và chất lỏng được hấp
thụ. Việc hiểu rõ động học quá trình trương của polyme siêu hấp thụ nước giúp
tìm ra loại polyme cùng với tính chất trương phù hợp cho những ứng dụng cụ
thể. Rosa và cộng sự [43] nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt nghiền đến
tính

chất

trương

của

copolyme

acrylamit/2-

acrylamido-2-

metyl

propanosunfonic axit (AM/AMPS) trong nước để xác định kích thước tốt nhất
khi xem xét độ hấp thụ nước nhằm đạt được quá trình trương cân bằng nhanh
nhất và cao nhất. Gel copolyme từ AM và AMPS và được tổng hợp trong sự có
mặt của chất tạo lưới MBA nhờ kỹ thuật trùng hợp gốc. Polyme được nghiền để
thu được các hạt có đường kính khác nhau và sau đó được tách bằng sàng. Các
nghiên cứu quá trình trương động học và cân bằng trong nước đề ion ở 20 0C cho
thấy ảnh hưởng của kích thước hạt tới động học của quá trình trương và khả
năng trương cân bằng của nó. Mô hình toán học đối với quá trình hấp thụ bao
gồm kiểu khuếch tán và hồi phục cho phép đánh giá cơ chế hấp thụ và cung cấp
thông tin định lượng về khả năng khuếch tán nước trong polyme. Quá trình
trương nhanh nhất thu được với đường kính 22,5- 215ỡm. Khoảng kích thước
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
14

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

hạt từ 67,5 đến 355ỡm thu được quá trình trương cân bằng lớn nhất với tỷ lệ
khối lượng khoảng 1100.
Turan và cộng sự [51] nghiên cứu quá trình trương và các thông số mạng
lưới của hydrogel poly(acrylamit-co-axit acrylic). Hydrogel poly(acrylamit-coaxit acrylic) được tổng hợp từ quá trình đồng trùng hợp gốc tự do monome
acrylamit với lượng xác định nhưng thay đổi lượng axit acrylic như một
comonome có tính ion trong nước. Tính chất trương của hydrogel được phân
tích trong dung dịch đệm ở các pH khác nhau. Các thông số tương tác polymedung môi và khối lượng phân tử trung bình giữa các mắt lưới của hydrogel được
tính toán và có mối liên quan với hàm lượng AA. Kết quả chỉ ra rằng tính chất
trương của hydrogel ở các pH khác nhau phù hợp với phương trình FloryRehner biến đổi trên cơ sở mô hình mạng lưới tương đồng và lý thuyết Donnan
lý tưởng. Kính hiển vi điện tử quét SEM được sử dụng để nhận dạng sự thay đổi
hình thái học trong hydrogel khi nồng độ AA tăng. Trong nước ở 22 0C, tăng
hàm lượng AA cũng làm tăng tốc độ ứng đáp của hydrogel bởi làm tăng đồng
thời cả độ xốp và tính ưa nước của mạng lưới. Trong dung dịch đệm với pH tăng
từ 9,0 đến 2,0 ở 220C, hydrogel chứa nhiều AA hơn cho tốc độ nhả trương
nhanh hơn là hydrogel chứa ít AA hơn.
Isik và Kis [25] xác định tính chất trương của hydrogel poly(acrylamit-coaxit acrylic) trong nước. Hai loại polyme siêu hấp thụ nước với mật độ tạo lưới
khác

nhau

được

tổng

hợp

từ

hệ

acrylamit/axit

acrylic

và

acrylamit/acrylic/poly(etylenglycol) bằng phương pháp đồng trùng hợp khơi
mào oxy hoá khử. Khối lượng phân tử trung bình giữa các mắt lưới, phần trăm
trương, giá trị trương cân bằng và các đặc trưng khuếch tác/trương (cấu trúc của
hằng số mạng, kiểu khuếch tán, tốc độ trương ban đầu, hệ số khuếch tán và hằng
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
15

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

số tốc độ trương) được đánh giá đối với cả 2 hệ hydrogel. Hydrogel tổng hợp
được có khả năng trương theo khối lượng trong khoảng 663-755% (đối với
hydrogel AM/AA) và 635-800% (đối với hydrogel AM/AA/PEG). Hệ hydrogel
AM/AA/PEG với mật độ tạo lưới cao hơn có quá trình trương cân bằng, quá
trình trương cân bằng lý thuyết chậm hơn và tốc độ trương ban đầu cao hơn ở
tổng nồng độ monome cao hơn. Sự khuếch tán nước vào hydrogel là kiểu
khuếch tán không theo định luật Fick.
Chen và cộng sự [16] sử dụng phương pháp độ dẫn để nghiên cứu động
học trương của polyme siêu hấp thụ nước. Bằng cách đo chu trình độ dẫn của
dung dịch NaCl trong quá trình trương của polyme siêu hấp thụ nước bên trong
nó, một hàm bậc 3 đơn điệu tăng giữa sự thay đổi số mol NaCl trong 1m3 môi
trường trương và tỷ lệ trương (Q) của polyme siêu hấp thụ nước được thiết lập.
Trên cơ sở mối tương quan giữa Än và Q, một hàm bậc 3 giả tăng đơn điệu giữa
sự thay đổi độ dẫn và Q được suy ra và kiểm chứng bởi thực nghiệm. Kết quả
cho thấy phương pháp độ dẫn phù hợp với phương pháp túi chè. Nhờ phân tích
hồi quy có thể thấy rằng nồng độ NaCl trong hydrogel thấp hơn là trong dung
dịch 0,9% và sự xâm nhập của Na+ và Cl- bị trễ.
Nhiều phương pháp đã được sử dụng để theo dõi động học trương của
polyme siêu hấp thụ nước như phương pháp lọc tự nhiên, phương pháp túi chè,
phương pháp mao quản và phân tích hình ảnh. Hầu hết các phương pháp này chỉ
tập trung vào mối liên hệ giữa tính chất của polyme siêu hấp thụ nước và thời
gian trương. Bởi vậy chưa có được một kiến thức dễ hiểu về những thực nghiệm
này. Chỉ có 2 phương pháp là phân tích nhiệt lượng và đo độ dẫn là được sử
dụng để theo dõi động học trương từ những thay đổi lý hoá trong quá trình
trương. Nhưng sự thay đổi năng lượng của hệ gần như bằng 0 sau giai đoạn toả
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
16

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

nhiệt trong thời gian rất ngắn, cho nên sử dụng phương pháp nhiệt lượng để theo
dõi toàn bộ quá trình trương là không khả thi. Qi và cộng sự [39] nghiên cứu
động học trương của polyme siêu hấp thụ nước sử dụng phép đo thế mạch hở.
Đường cong hiệu chỉnh và kết quả hồi quy của nó cho thấy tính có nghĩa của
phương pháp trong việc xác định nồng độ ion clorua trong dung dịch nước. Theo
phân tích hồi quy và phương sai lý thuyết thu được mối tương quan giữa sự thay
đổi thế mạch hở và tỷ lệ trương. So với phương pháp túi chè, phép đo thế mạch
hở có thể được sử dụng để theo dõi động học trương của polyme siêu hấp thụ
nước. Hiệu ứng trễ của chất tan đi vào trong polyme siêu hấp thụ nước và dòng
chảy ra của phần tan của hydrogel cũng được quan sát. Bên cạnh đó, các tác giả
thấy rằng sự xâm nhập của chất tan và nước gần như đồng thời và nồng độ của
dung dịch bị hấp thụ bởi polyme siêu hấp thụ nước thấp hơn so với nồng độ của
môi trường trương. Hơn nữa, mô hình trương của polyme siêu hấp thụ nước
trong dung dịch muối cũng bị thay đổi một chút.
Một phương pháp mới để nghiên cứu động học quá trình trương trong
nước của hydrogel poly(acrylic axit) đã được Adnadjevic và Jovanovic sử dụng
[5]. Động học quá trình trương của hydrogel trong nước cất được xác định bởi
sự di chuyển của bề mặt phân cách linh hoạt giữa hydrogel và nước. Đường
cong động học trương của hydrogel ở các nhiệt độ 25, 30, 35, 40 và 45 0C được

xác định. Các thông số động học năng lượng hoạt hoá và thừa số trước hàm mũ
của quá trình trương được xác định là Ea= 35kJ/mol và lnA = 8,6. Năng lượng
hoạt hoá của quá trình trương tương ứng với năng lượng chuyển pha của gel từ
trạng thái thuỷ tinh sang trạng thái cao su.
Tạo cấu trúc xốp mao quản là một cách chắc chắn để cải thiện tốc độ hấp
thụ. Nhằm tăng tốc độ hấp thụ của polyme siêu hấp thụ nước qua việc tạo độ
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
17

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

xốp, trong những năm gần đây, một số phương pháp đã được sử dụng để tạo cấu
trúc xốp mao quản trong hydrogel như kỹ thuật tách pha, kỹ thuật thổi khí hay
kỹ thuật tạo bọt xốp. Kabiri và cộng sự [26] tổng hợp hydrogel siêu hấp thụ
nước độ xốp cao trương nhanh qua quá trình trùng hợp nhanh dung dịch đặc của
axit acrylic trung hoà một phần trong điều kiện khí quyển thông thường. Axeton
và natri bicacbonat được sử dụng làm chất tạo độ xốp trong quá trình trùng hợp,
MBA và BDDA được sử dụng làm chất tạo lưới tương ứng tan trong nước và
tan trong dầu. Sự thay đổi nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng trong quá trình trùng
hợp và tạo bọt được ghi lại và nghiên cứu chi tiết. Thời điểm và thứ tự thêm các
tác nhân tạo độ xốp và thời gian tạo gel rất quan trọng trong việc tăng hiệu quả

của tác nhân tạo độ xốp. Nồng độ của tác nhân tạo lưới tới thời gian tạo gel được
tối ưu hoá để đạt được sản phẩm có độ xốp cao. Thời gian tạo gel ngắn hơn do
nhiều bọt được giữ lại trong hỗn hợp phản ứng nhớt làm cho sản phẩm có độ
xốp cao hơn. ảnh hưởng của kiểu và nồng độ tác nhân tạo lưới tới quá trình và
tính chất trương của hydrogel (trong nước và trong dung dịch nước muối sinh
lý) cũng được nghiên cứu. Quá trình được tiến hành rất nhanh (thời gian phản
ứng từ 4-6 phút) dưới điều kiện khí quyển thông thường. Bởi vậy, có thể coi là
phương án tốt để thiết kế sản xuất các polyme siêu hấp thụ nước trương nhanh ở
quy mô công nghiệp. Caykara và cộng sự [12] tổng hợp hydrogel polyacrylamit
mao quản lớn bằng kỹ thuật trùng hợp khơi mào chiếu xạ sử dụng PEG với
trọng lượng phân tử khác nhau làm tác nhân tạo mao quản. ảnh kính hiển vi điện
tử quét chứng tỏ rằng cấu trúc mạng lưới mao quản lớn của hydrogel có thể
được điều chỉnh nhờ sử dụng PEG có trọng lượng phân tử khác nhau trong phản
ứng trùng hợp. Tỷ lệ trương của hydrogel biến tính PEG cao hơn so với
hydrogel cùng loại được tổng hợp theo phương pháp truyền thống. Tuy nhiên,
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
18

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

tính chất trương của hydrogel biến tính PEG trong nước và trong axeton bị ảnh

hưởng nhẹ bởi sự thay đổi lượng PEG.
Hạn chế chủ yếu của kỹ thuật tạo bọt xốp là quá trình trùng hợp và tạo bọt
phải được kiểm soát một cách chính xác, điều này thường cản trở việc áp dụng ở
quy mô lớn. Để khắc phục hạn chế này, Lu và cộng sự [33] lựa chọn quá trình
trùng hợp tiếp giáp kết hợp với quá trình tạo bọt để hài hoà 2 quá trình. Trùng
hợp tiếp giáp là cách chuyển hoá monome thành polyme khai thác nhiệt toả ra từ
phản ứng. Nhiệt này làm trùng hợp các monome ở gần vùng nhiệt nóng, giải
phóng nhiều nhiệt hơn. Nếu như thất thoát nhiệt không quá lớn thì vùng nóng
tiếp giáp sẽ tự duy trì, làm phát triển mạch từng bước trong toàn bộ thiết bị phản
ứng. Hydrogel polyacrylamit có cấu trúc xốp xác định được tổng hợp bằng quá
trình trùng hợp tiếp giáp có mặt tác nhân tạo bọt NaHCO3. Tính chất mao quản
được phân tích sử dụng kính hiển vi điện tử quét và xốp kế kế thấm thuỷ ngân.
Hydrogel tổng hợp được có đường kính tế bào nhỏ 2ỡm. Tác nhân tạo bọt hoà
tan được phân tán ở mức độ phân tử và quá trình trùng hợp tiếp giáp phát triển
mạch từng bước có thể là nguyên nhân khiến cho cấu trúc tế bào nhỏ đồng đều.
Thể tích lỗ xốp thay đổi từ 0,63 đến 3,65cm3/g và tỷ trọng khối thay đổi từ 0,48
đến 0,28g/cm3 khi hàm lượng tác nhân tạo bọt thay đổi từ 0 đến 18%. Hydrogel
tổng hợp bằng quá trình trùng hợp tiếp giáp có tốc độ trương và tỷ lệ trương cao
hơn so với quá trình trùng hợp theo mẻ thông thường. Tỷ lệ trương và tốc độ
trương cao hơn thu được tại nồng độ tác nhân tạo bọt là 12% trên cơ sở
monome.
Đặc tính hấp thụ và độ bền gel của polyme siêu hấp thụ nước đạt tới một
giá trị giao nhau đối với một hệ nhất định. Vượt quá điểm này, khi một tính chất
được cải thiện thì các tính chất khác sẽ bị ảnh hưởng. Để tổng hợp polyme siêu
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
19

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

hấp thụ nước với các tính chất cao hơn điểm tối ưu này, cần tiếp tục biến tính
polyme. Một phương pháp để đạt được mục đích là kết hợp các nhóm hoạt động
lên bề mặt polyme trong quá trình trùng hợp ban đầu và tạo lưới bổ sung trong
giai đoạn tiếp theo. Polyme biến tính cũng có thể thu được bằng cách đồng trùng
hợp các monome với các nhóm chức khác nhau hoặc biến tính sản phẩm polyme
sau khi trùng hợp [18]. El- Hamshary [19] tổng hợp và nghiên cứu quá trình hấp
thụ nước của hydrogel poly(acrylamit-co- itacinic axit) nhạy pH. Polyme siêu
hấp thụ nước của acrylamit (AM) và itaconic axit (ITA) được tổng hợp từ quá
trình trùng hợp dung dịch gốc tự do sử dụng hệ khơi mào APS và TMEDA ở
350C. Hai nhóm polyme được tổng hợp, nhóm thứ nhất sử dụng lượng itaconic
axit khác nhau và cố định lượng MBA trong khi đó nhóm thứ hai thay đổi lượng
MBA và cố định itaconic axit. Khi pH tăng, độ trương tăng khi tăng ITA và
giảm khi tăng MBA. Khi nồng độ muối tăng tốc độ trương giảm. Tính chất
trương và khuếch tán có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh thích hợp
thành phần monome. Các vật liệu hydrogel này có thể được sử dụng để cải thiện
các tính chất vật lý và hoá học đất đặc biệt là đất giữ nước kém và chịu thời tiết
khắc nghiệt. Do hydrogel polyacrylamit sẵn có trên thị trường từ rất lâu với giá
thành thấp nên nó sẽ không tăng chi phí sản xuất.
Polyme siêu hấp thụ nước chịu muối, poly(acrylamit-co-acrylic axit),
được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp dung dịch. Để cải thiện các tính
chất của sản phẩm như độ bền, độ đàn hồi và phân tán, copolyme được tạo lưới
bề mặt bằng etylenglycol diglycidyl ête và sau đó được trộn cùng với Al2(SO4)3

và Na2CO3. Phản ứng thuỷ phân giữa Al3+ và CO32- diễn ra trong môi trường
nước, khi Al3+ và CO32- được khuếch tán vào mạng lưới hydrogel, Al(OH)3 tập
hợp với bề mặt của hydrogel bằng cách tạo liên kết phối trí với các nhóm –COO___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
20

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

, -O- và -OH liên kết với mạng lưới hydrogel và làm cho nó tạo lưới tiếp, tránh
sự hoà tan của các mạch polyme phân ly và thoát ra ngoài môi trường nước tự
do [15].
Một polyme siêu hấp thụ nước lưỡng tính trên cơ sở cacboxy
metylxenlulozơ, AA, AM và [2-(metylacryloyloxy)etyl] trimetylamoni clorua
được tổng hợp bằng quá trình đồng trùng hợp nhũ tương ngược bởi Wang và
cộng sự [55]. Polyme được đặc trưng bởi phổ hồng ngoại biến đổi Fourier, phân
tích nhiệt trọng lượng và kính hiển vi điện tử quét. Tính chất hấp thụ hay trương
trong nước đề ion, dung dịch salin và dung dịch có giá trị pH khác nhau được
nghiên cứu. Kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng độ hấp thụ trong các dung dịch
khác nhau giảm khi tăng nồng độ ion là do áp suất thẩm thấu của nước và các
ion giữa gel polyme và dung dịch bên ngoài. Ngoài ra, polyme có khả năng phân
huỷ sinh học tốt trong đất.
1.1.2. Trong nước

Viện Hoá học- Viện KH&CN Việt Nam bắt đầu nghiên cứu về polyme
siêu hấp thụ nước từ những năm 1997-1998. Đến năm 2001 triển khai thành đề
tài KHCN trọng điểm cấp Nhà nước. Sản phẩm được chế tạo trên cơ sở quá trình
trùng hợp ghép gốc tự do axit acrylic và muối acrylat lên tinh bột sắn có mặt
chất tạo lưới divinyl. Sản phẩm có khả năng hấp thụ khoảng 350 lần trong nước
cất và 65 lần trong nước muối sinh lý. Thời gian phân huỷ hoàn toàn trong đất từ
12-15 tháng và có thể phát huy tác dụng từ 2-3 vụ. Polyme siêu hấp thụ nước do
Viện Hoá học chế tạo đã được thử nghiệm cho nhiều loại cây, tại nhiều địa
phương như cây bông ở Đồng Nai, cỏ sữa ở Phú Thọ, chè, cà phê ở Nghệ An,
ngô, lạc, đậu tương ở Hà Nội, nho, tiêu ở Ninh Thuận, cà phê ở Đắc Lắc...cho

___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
21

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

hiệu quả cao trong việc giữ ẩm, chống hạn, tăng khả năng sử dụng nước và phân
bón, tăng năng suất cây trồng và đem lại hiệu quả kinh tế [3].
Năm 2004, Trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ bức xạ
(VINAGAMMA) đã nghiên cứu chế tạo chế phẩm có tên gọi “Gam-sorb”. Đây
là gel polyme từ tinh bột sắn biến tính, có khả năng hấp thụ nước cao khoảng vài

trăm lần so với khối lượng khô của chúng ở dạng bột, hạt, vảy để điều hoà độ
ẩm. Thời gian phân hủy của loại Gam-sorb này khá dài. Sau 9 tháng chôn trong
đất, sản phẩm tự phân hủy 85,5%. Theo nhóm tác giả thì sản phẩm này thích
hợp với một số loại cây trồng như: cây dâu tây, cây thông đỏ, cây cải ngọt, cây
rau muống… là những cây trồng ngắn ngày, có nhu cầu tăng vụ vào những thời
điểm khô hạn ở các vùng như Tây Nguyên và Trung Trung Bộ [1].
Viện Công nghệ Hóa học TP. Hồ Chí Minh cũng đã chế tạo sản phẩm
VHHC từ các phế thải nông nghiệp như mùn cưa hay bã mía. Các tác giả cho
biết vật liệu này được chế tạo với độ bền vừa phải là 3 tháng, vừa đủ cho một vụ
mùa [2].
Bên cạnh những cố gắng nghiên cứu và triển khai công nghệ, một số đơn
vị còn tìm cách nhập khẩu công nghệ và thiết bị để chế tạo polyme siêu hấp thụ
nước. Viện Khoa học Nông nghiệp đã tìm cách nhập khẩu dây truyền sản xuất
polyme siêu hấp thụ nước từ Trung Quốc nhưng những nỗ lực này đến nay vẫn
chưa thành công.
1.2. Một số ứng dụng của polyme siêu hấp thụ nước
1.2.1. Trong nông nghiệp
Polyme siêu hấp thụ nước được biết tới vào đầu những năm 1950 cùng
với việc đưa các chất đa điện ly tổng hợp để làm bền và gia cố cấu trúc đất [13].
Sản phẩm có khả năng hấp thụ nước cao tạo ra một nguồn nước dự trữ trong đất
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
22

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

để cây trồng hấp thu [8]. Việc sử dụng polyme siêu hấp thụ nước để giữ ẩm và
dinh dưỡng, sử dụng nước và phân bón hiệu quả ngày càng trở nên quan trọng
đặc biệt khi nguồn nước sẵn có bị hạn chế.
Polyme siêu hấp thụ nước có khả năng cải tạo tính chất đất nhờ hấp thụ
một lượng lớn nước. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng polyme siêu hấp thụ nước có
thể giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển trong đất có nguy cơ bị hạn hán.
Polyme này cũng làm tăng khả năng giữ nước của đất cát và làm chậm thời điểm
cây héo khi bay hơi mạnh. Bổ sung polyme siêu hấp thụ nước cũng làm giảm tốc
độ bay hơi của đất [17]. Nhiều tác giả thừa nhận rằng khi bổ sung polyme siêu
hấp thụ nước vào đất có thể có các tác dụng sau: chống xói mòn đất và dòng
chảy mặt, tăng khả năng thấm, tăng kích thước đoàn lạp đất, giảm dung trọng
đất, tăng khả năng giữ nước, cải thiện khả năng sống sót của cây trồng chịu hạn,
cải thiện khả năng thu hồi dinh dưỡng từ phân bón đã sử dụng và giảm tần suất
tưới [6,23,59].
Độ ẩm thấp, đặc biệt ở những vùng khô hạn và mưa ít thường hạn chế sự
sinh trưởng của cây nông nghiệp phát triển từ hạt. Sự hấp thụ nước của hạt và
tốc độ nảy mầm sau đó phụ thuộc chủ yếu vào độ ẩm trên bề mặt phân cách hạtđất. Hơn nữa, bổ sung polyme siêu hấp thụ nước vào đất cũng làm giảm áp lực
trước và sau khi nảy mầm như tạo váng đất và làm cho đất khô nhanh.
Woodhouse và Johnson [57] đã bổ sung polyme siêu hấp thụ nước vào cát silic
làm khô trong không khí (0,2-2,0mm) giúp tăng tỷ lệ nảy mầm nhờ tăng lượng
nước sẵn có. Sản phẩm polyme siêu hấp thụ nước với sức căng liên kết với nước
trong khoảng hiệu lực cho cây trồng có khả năng tăng độ ẩm xung quanh hạt nảy
mầm. Đưa polyme vào đất cát giúp cải thiện cấu trúc đất, tăng khả năng nảy
mầm của lúa mì (Hordeum vulgare), cỏ ba lá trắng (Trifolium repens) và xà lách
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
23

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

(Lactuca sativa). Khả năng nảy mầm của mẫu đối chứng chỉ đạt 10% trong khi
các mẫu có bổ sung polyme siêu hấp thụ nước, tỷ lệ nảy mầm tăng từ 3 đến 6
lần. Tuy nhiên, polyme siêu hấp thụ nước vẫn có thể làm giảm tỷ lệ nảy mầm ở
một số loại cây do cung cấp quá nhiều nước, dẫn đến hạt bị trẩm.
Nhiều nghiên cứu chứng tỏ rằng polyme siêu hấp thụ nước làm tăng khả
năng nảy mầm và phát triển, tăng khả năng sống của cây cũng như kéo dài thời
hạn sử dụng của cây cảnh trong chậu. Harbi và cộng sự [6] kết luận rằng bổ
sung polyme siêu hấp thụ nước vào đất có thể kích thích sự phát triển của cây
dưa chuột. Khối lượng khô của xà lách, củ cải và lúa mì đều tăng khi đưa
polyme siêu hấp thụ nước vào môi trường cát. Trong một thí nghiệm được tiến
hành bởi Theron [50], khối lượng trung bình của thân, rễ và chiều cao trung bình
của măng Pinus patula tăng tương ứng 830, 750 và 340% so với đối chứng khi
cây được trồng trong polyme siêu hấp thụ nước. Một thí nghiệm được tiến hành
bởi Boatright, Balint, Mackay & Zajicek [7] cho thấy số hoa và khối lượng khô
của cây dã yên thảo (thuốc lá cảnh) tăng khi được trồng trong đất có bổ sung
polyme siêu hấp thụ nước trong điều kiện khô. Polyme có thể duy trì độ ẩm cao
hơn so với môi trường không có polyme.
Nghiên cứu bổ sung polyme siêu hấp thụ nước vào đất nghèo giúp cải

thiện khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây trồng và giảm thiểu thất thoát chất
dinh dưỡng do rửa trôi. Trong điều kiện rửa trôi cao, sự phát triển của cỏ đuôi
trâu được cải thiện và khả năng tích luỹ N trong lá tăng cũng như giảm N bị rửa
trôi. Polyme siêu hấp thụ nước cũng hoạt động như một loại phân bón nhả chậm
chất dinh dưỡng. Mikkelsen [36] đã thí nghiệm với 4 công thức mangan cho đất
trồng đậu tương để xác định ứng đáp khi polyme có trong đất. Tất cả cây đậu
tương đều có hàm lượng mangan và sinh khối cao hơn trừ những cây đối chứng
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
24

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Thị Thu Hoà

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

không có polyme. Trong một thí nghiệm so sánh ảnh hưởng của trận mưa
2000mm tới quá trình rửa trôi phân bón trong đất cát thấy rằng polyme siêu hấp
thụ nước có thể lưu giữ được lượng N nhiều hơn 400%, K nhiều hơn 300% so
với các loại phân bón nhả chậm và nhả nhanh tiêu chuẩn [9]. Điều này chứng tỏ
polyme siêu hấp thụ nước không chỉ có thể tăng năng suất và giữ ẩm mà còn
giảm thiểu rửa trôi chất dinh dưỡng, nhờ đó ngăn ngừa ô nhiễm nguồn nước
ngầm.
1.2.2. Trong xử lý môi trường
1.2.2.1. Hấp phụ ion kim loại

Hầu hết các chất gây ô nhiễm chứa kim loại độc hại đều là sản phẩm thải
của các quá trình công nghiệp và luyện kim. Sự có mặt của các ion kim loại
nặng trong môi trường là một nguy cơ nghiêm trọng do độc tính của chúng đối
với nhiều cơ thể sống. Việc tách loại các ion kim loại độc hại đó trong nước thải
công nghiệp được quan tâm đặc biệt trong thời gian gần đây do những tiêu
chuẩn ngày càng nghiêm ngặt. Các phương pháp thường được sử dụng để tách
loại ion kim loại nặng khỏi nước thải bao gồm: chiết, kết tủa hoá học, trao đổi
ion đơn giản và trao đổi tạo phức, hấp thu, tách chất bằng màng…Thông
thường, khi sử dụng các phương pháp như kết tủa hoá học hay thẩm thấu ngược
thì việc tách loại các ion kim loại nặng thường không hoàn toàn. Hơn nữa, các
quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng và hoá chất, bùn thải độc hại sinh ra cần
phải được xử lý triệt để. Việc cần có những phương pháp an toàn và hiệu quả về
mặt kinh tế để tách loại các chất độc hại đã dẫn tới sự phát triển các loại vật liệu
polyme có khả năng loại bỏ các ion kim loại theo cơ chế tạo phức và trao đổi
ion. Hầu hết các vật liệu polyme sử dụng cho mục đích này thường là nhựa, tức
là các polyme tạo lưới có mức độ trương nhỏ hơn 100%.
___________________________________________________________________________

Khoa Hoá học, Lớp K31A

Đại học Sư phạm Hà Nội 2
25

Nghiên cứu chế tạo và sử dụng polyme hấp thụ làm chất hấp thu trong xử lý môi trường

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về