HẤP PHỤ VÀ GIẢI HẤP MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG HYDROGEL POLY(AXIT ACRYLIC)

T¹p chÝ Hãa häc, T. 48 (4C), Tr. 602 - 607, 2010

HẤP PHỤ VÀ GIẢI HẤP MỘT SỐ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG
DUNG DỊCH NƯỚC BẰNG HYDROGEL POLY(AXIT ACRYLIC)
Đến Tòa soạn 12-7-2010
NGUYỄN THANH TÙNG1, PHẠM THỊ THU GIANG2
HOÀNG THỊ PHƯƠNG1, ĐỖ CÔNG HOAN1
1

Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
2

Khoa Công nghệ Hoá, Đại học Công nghiệp Hà nội
ABSTRACT

The adsorption of Pb2+ and Cd2+ ions from aqueous solution on poly(acrylic acid) hydrogel
conformed to linear form of Langmuir adsorption isotherm. Adsorption capacity for Pb2+ and
Cd2+ were found as 294.1 and 204.1 mg/g at 30oC, respectively. By treatment of the metal ionloaded hydrogel with 0.2M HNO3, it is possible to recover completely Pb2+ and Cd2+ from
hydrogel. After 5 cycles of adsorption- desorption, the adsorption capacity of hydrogel is still
high. The adsorption of Cd2+ and Pb2+ in competitive conditions was also studied.

I - GIỚI THIỆU
Ion kim loại nặng trong nước thải từ các
ngành công nghiệp khác nhau như mạ điện,
thuộc da, chế biến thép, sơn...tác động không
nhỏ tới sức khoẻ con người và các cơ thể sống
khi thải vào môi trường. Các kim loại này sau
khi xâm nhập vào cơ thể được tích luỹ dần dần
và gây rối loạn tổng hợp hemoglobin, chuyển
hoá vitamin D, rối loạn chức năng của thận, phá
huỷ tuỷ sống, gây ung thư... Pb2+ và Cd2+ là hai

ion kim loại nặng khá phổ biến trong nước thải
công nghiệp và nồng độ của chúng phải được
hạn chế ở mức thấp.
Hydrogel là polyme có cấu trúc mạng lưới 3
chiều chứa các nhóm chức ưa nước, không tan
trong nước nhưng có thể hấp thụ và giữ một
lượng nước lớn, thậm chí dưới áp lực [1]. Các
hydrogel polyme như poly(axit acrylic-coacrylamit) [2,3], poly(vinylpyrrolidon- axit
acrylic) [4], poly(2- acrylamidoglycolic axit)
[4], poly(acrylamit-co-axit maleic) [6]... chứa
các nhóm chức có khả năng tạo phức, từ lâu đã

602

được sử dụng để hấp phụ, làm giàu, tách loại và
thu hồi các ion kim loại từ các dung dịch nước
khác nhau và ngày càng được nhiều tác giả quan
tâm nghiên cứu.
Hydrogel poly(acrylic axit) đã được tổng
hợp thành công bằng phương pháp trùng hợp
huyền phù ngược [7]. Bài báo này nghiên cứu
quá trình hấp phụ và giải hấp các ion Pb2+, Cd2+
trong dung dịch nước của hydrogel nói trên.
II - THỰC NGHIỆM
1. Hoá chất, vật liệu
- Cd(NO3)2, Pb(NO3), NaOH, HNO3 (tinh
khiết phân tích, Trung Quốc).
- Hydrogel poly(acrylic axit) được tổng hợp
từ quá trình trùng hợp axit acrylic (được trung
hoà 75% khối lượng bằng NaOH) có mặt chất

tạo lưới N,N'- metylenbisacrylamit (MBA) bằng
phương pháp trùng hợp huyền phù ngược. Quan
sát ảnh SEM cho thấy sản phẩm có dạng hình
cầu, kích thước hạt trung bình 100μm [8]. Sơ đồ


phản ứng trùng hợp axit acrylic được minh hoạ
trên hình 1.

phổ hấp thụ nguyên tử AAS trên máy Perkin
Elmer 3300.

2. Phương pháp tiến hành

Dung lượng hấp phụ được tính theo công
thức:

*Quá trình hấp phụ: Chuẩn bị dung dịch
chứa ion kim loại bằng cách hoà tan muối
Cd(NO3)2 hoặc Pb(NO3)2 trong nước cất 2 lần.
50ml dung dịch chứa ion kim loại có nồng độ
xác định được đưa vào cốc thuỷ tinh chứa 0,1g
chất hấp phụ (hydrogel) rồi khuấy trên máy
khuấy từ ở 250C với tốc độ không đổi. Sau khi
kết thúc quá trình hấp phụ, lọc lấy dung dịch và
xác định nồng ion kim loại bằng phương pháp

q=

trong đó: q là dung lượng hấp phụ (mg/g hoặc

mmol/g); Ci là nồng độ ion kim loại trong dung
dịch ban đầu (mg/l hoặc mmol/l); Ct là nồng độ
kim loại trong dung dịch sau khi hấp phụ (mg/l
hoặc mmol/l); m là khối lượng chất hấp phụ đã
dùng (g) và V là thể tích dung dịch (l).

CH2 CH CH2 CH CH2 CH

CH2 CH
NH

COOH
+

CH2 CH
COONa

COOH

C O

CH2 CH

CH2

(C i − C t ).V
m

COONa

NH

(NH4)2S2O8

CH2

t0

NH

NH

C O

C O
CH2 CH

C O

CH2 CH CH2 CH CH2 CH
COOH

COONa

Hình 1: Sơ đồ phản ứng tổng hợp hydrogel polyacrylic
* Xác định dung lượng hấp phụ cực đại theo
mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir: Tiến
hành quá trình hấp phụ với nồng độ ban đầu của
ion kim loại khác nhau. Từ kết quả thu được,
hồi qui các số liệu thực nghiệm bằng các phần

mềm chuyên dụng để xác định các hằng số của
phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir.
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có dạng:

bC t
q = qmax.
1 + bC t
trong đó: q là dung lượng hấp phụ tại thời điểm
cân bằng; qmax là dung lượng hấp phụ cực đại và
b là hằng số.

Để xác định các hằng số trong phương trình
hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, có thể chuyển
phương trình trên thành phương trình đường
thẳng:

Ct
1
1
=
× Ct +
q
q max
b.q max
Đây là phương trình đường biểu thị sự phụ
thuộc Ct/q vào Ct. Từ đường thẳng này, xác
định được các hằng số qmax và b trong phương
trình từ độ dốc và đoạn cắt trục tung.
* Quá trình giải hấp phụ, tái sử dụng chất
hấp phụ: Chất hấp phụ bão hoà được đưa vào

50ml dung dịch HNO3 0,2M và khuấy [1]. Sau

603


những khoảng thời gian khác nhau, lấy mẫu và
xác định hàm lượng ion kim loại trong dung
dịch. Chất hấp phụ được rửa bằng nước cất tới
pH trung tính sau đó làm khô trong chân không
ở 1050C đến khối lượng không đổi. Tiến hành 5
chu kỳ hấp phụ và giải hấp liên tiếp. Sau mỗi
chu kỳ, xác định phần trăm kim loại bị hấp phụ,
phần trăm kim loại được giải hấp và khối lượng
chất hấp phụ bị hao hụt.
* Để nghiên cứu quá trình hấp phụ đồng thời
Cd2+ và Pb2+, 0,1g chất hấp phụ được đưa vào
50ml dung dịch chứa Pb2+ với nồng độ 7,2.104
M, nồng độ Cd2+ thay đổi từ 0 đến 7,2.10-4M
hoặc dung dịch chứa Cd2+ với nồng độ 7,2.104
M, nồng độ Pb2+ thay đổi từ 0 đến 7,2.10-4M
(nhiệt độ 300C, pH = 5). Sau khi kết thúc quá
trình hấp phụ, lọc lấy dung dịch, xác định nồng
độ ion kim loại và tính dung lượng hấp phụ.

III -. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Kết quả độ hấp phụ Pb2+, Cd2+ của hydrogel
Kết quả khảo sát cho thấy trong khoảng
nồng độ đầu của Pb2+ và Cd2+ là 1000 mg/l, thời
gian đạt cân bằng hấp phụ là khoảng 120 phút.
Dung lượng hấp phụ đạt cực đại ở nhiệt độ

300C. Do ion kim loại dễ bị kết tủa ở nồng độ
cao và pH dung dịch cao nên ảnh hưởng của pH
dung dịch tới sự hấp phụ của hydrogel chỉ được
nghiên cứu ở giá trị pH cao nhất là 5 và đây
được coi là giá trị pH tối ưu [8].
Trên cơ sở các điều kiện thời gian, nhiệt
độ, pH tối ưu đã tìm được, tiến hành quá trình
hấp phụ với nồng độ Pb2+ và Cd2+ ban đầu khác
nhau. Các dữ liệu hấp phụ được phân tích theo
mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir. Dạng
tuyến tính của phương trình Langmuir được
biểu diễn trên hình 1.

8
7

y = 0.0049x + 0.9185
R2 = 0.9933

Cf/q (g/l)

6
5

Cd(II)

4

Pb(II)

3
2

y = 0.0034x + 0.1657
R2 = 0.9995

1
0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Cf (mg/l)

Hình 1: Dạng tuyến tính của phương trình Langmuir đối với Cd2+ và Pb2+
Có thể thấy rằng mô hình hấp phụ đẳng
nhiệt Langmuir mô tả khá chính xác sự hấp phụ
của Pb2+ và Cd2+ lên hydrogel poly(axit acrylic).

Dung lượng hấp phụ cực đại qmax của hydrogel
đối với Pb2+ và Cd2+ lần lượt là 294,1 và
204,1mg/g và năng lượng liên kết b (Kqmax)
trong trường hợp Cd2+ là 0,9185 và 0,1657 đối
với Pb2+.
2. Quá trình giải hấp phụ
Sự phụ thuộc của lượng kim loại được thu
hồi theo thời gian xử lý axit được biểu diễn trên

604

hình 2 và 3.
Kết quả cho thấy lượng kim loại được giải
hấp phụ tăng nhanh theo thời gian ở giai đoạn
đầu sau đó tiếp tục tăng đều khi kéo dài thời
gian. Đường cong giải hấp phụ của cả 2 ion kim
loại có dạng giống nhau. Lượng ion được giải
hấp phụ gần như hoàn toàn (đối với Cd2+ là
99,3%, Pb2+ là 99,7%) sau 90 phút. Điều này
chứng tỏ rằng có thể sử dụng dung dịch HNO3
0,2M để giải hấp phụ cũng như thu hồi một
cách hiệu quả Cd2+ và Pb2+.


Lượng kim loại giải hấp (%

Lượng kim loại giải hấp (%

100
80

60
40
20

100

0

80
60
40
20
0

0

15

30

45

60

75

90

0

15

Thời gian (phút)

30

45

60

75

90

Thời gian (phút)

Hình 2: Lượng kim loại Cd2+ được giải hấp
phụ theo thời gian (Ci = 150mg/l, q =
44,6mg/g)
3. Quá trình tái sinh, tái sử dụng chất hấp
phụ
Sau khi giải hấp phụ, chất hấp phụ được tái
sinh bằng cách rửa bằng nước cất đến pH trung

Hình 3: Lượng kim loại Pb2+ được giải hấp phụ
theo thời gian (Ci = 150mg/l, q = 66,4mg/g)
tính, sấy khô ở 1050C đến khối lượng không đổi
và tiếp tục thực hiện 5 chu kỳ hấp phụ- giải hấp
như trên. Kết quả được trình bày trong bảng 1
và 2.

Bảng 1: Khả năng tái sử dụng chất hấp phụ đối với Cd2+
Số chu
kỳ

Khả năng hấp phụ

Lượng kim loại được giải
hấp (mg/g)

Khối lượng chất hấp phụ sau
khi tái sinh (g)

mg/g

%

1

44,6

100

44,3

0,495

2

44,2

99,1

43,7

0,488

3

43,6

97,76

42,8

0,470

4

42,8

96,03

40,4

0,451

5

41,5

93,07

38,9

0,426

(nồng độ Cd2+ Ci = 150mg/l, lượng chất hấp phụ 0,1g tương ứng với q = 44,6mg/g)
Bảng 2. Khả năng tái sử dụng chất hấp phụ đối với Pb2+
Số chu kỳ

Khả năng hấp phụ

Lượng kim loại được giải
hấp (mg/g)

Khối lượng chất hấp phụ
sau khi tái sinh (g)

mg/g

%

1

66,4

100

66,2

0,496

2

65,9

99,25

65,5

0,491

3

64,0

96,38

63,4

0,480

4

61,4

92,47

60,3

0,470

5

59,6

89,76

58,4

0,462

(nồng độ Pb2+ Ci = 150mg/l, lượng chất hấp phụ 0,1g tương ứng với q = 66,4mg/g).

605


4. Quá trình hấp phụ đồng thời Cd2+ và Pb2+

Dung lượng hấp phụ Pb(II) (mmol/g

Quá trình hấp phụ đồng thời (hấp phụ cạnh
tranh) Cd2+ và Pb2+ được nghiên cứu bằng cách
giữ nồng độ của một ion không đổi và thay đổi
nồng độ của ion kia. Kết quả được biểu diễn

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15
0

1.5

3

4.5

6

7.5

Nồng độ Cd(II) x 10000 (M)

Hình 4: Ảnh hưởng của nồng độ Cd2+ đến dung
lượng hấp phụ Pb2+
(nồng độ Pb2+ Ci = 7,2.10-4M)
IV - KẾT LUẬN
- Quá trình hấp phụ các ion Pb2+ và Cd2+ lên
hydrogel poly(acrylic axit) được nghiên cứu
bằng phương pháp gián đoạn. Áp dụng mô hình
hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir xác định được
dung lượng hấp phụ cực đại qmax của Pb2+ và
Cd2+ lần lượt là 294,1 và 204,1mg/g.

- Chất hấp phụ được giải hấp và tái sinh
hiệu quả bằng dung dịch HNO3 0,2M với hiệu
quả giải hấp >99%. Sau 5 chu kỳ hấp phụ- giải
hấp, hydrogel vẫn duy trì khả năng hấp phụ
tương đối cao.

606

trên hình 4 và 5.
Kết quả trên hình 4 và 5 cho thấy khi tăng
nồng độ ion gây ảnh hưởng thì sự hấp phụ của
ion kia giảm và có xu hướng không đổi khi tiếp
tục tăng nồng độ ion gây ảnh hưởng vượt quá
một giá trị nhất định. Điều này có thể là do sự
bão hoà các nhóm cacboxylat trên mạch
polyme.
Dung lượng hấp phụ Pb2+ trong điều kiện
cạnh tranh giảm tới 48,6%, trong khi đó dung
lượng hấp phụ Cd2+ chỉ giảm 26,9%. Như vậy,
trật tự khả năng hấp phụ trong điều kiện cạnh
tranh là Cd2+ > Pb2+. Điều này có vẻ trái với
thông thường khi Pb2+ có khả năng hấp phụ tốt
hơn do bán kính ion lớn hơn. Cần có những
nghiên cứu tiếp theo để có thể kết luận chính
xác hơn.
Dung lượng hấp phụ Cd(II) (mmol/g

Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ của
hydrogel giảm dần sau các chu kỳ hấp phụ - giải
hấp, tuy nhiên vẫn ở mức cao. Khả năng thu hồi

kim loại bằng dung dịch HNO3 0,2 M cũng
giảm dần, một tỷ lệ nhỏ kim loại không được
thu hồi bởi quá trình tái sinh có lẽ là do chúng
được liên kết qua các tương tác mạnh hơn và do
đó hiệu quả hấp phụ giảm dần theo các chu kỳ.
Ngoài ra, sau mỗi chu kỳ khối lượng chất hấp
phụ cũng bị suy giảm một lượng nhỏ do các
thao tác lọc, rửa, sấy.

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25
0

1.5

3

4.5

6

7.5

Nồng độ Pb(II) x 10000 (M)

Hình 5: Ảnh hưởng của nồng độ Pb2+ đến
dung lượng hấp phụ Cd2+
(nồng độ Cd2+ Ci = 7,2.10-4M)
- Dung lượng hấp phụ Pb2+ trong điều kiện
cạnh tranh giảm 48,6%, trong khi đó dung
lượng hấp phụ Cd2+ chỉ giảm 26,9%.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. T. Bidtova. Journal of Controlled Release,
54, 305 - 312 (1998).
2. Xie J., Liu X., Liang J. J. Appl. Polym. Sci.,
106, 1606 - 1613 (2007).
3. Chauhan G. S., Kumar A., “A study in the
uranyl ions uptake on acrylic acid and


acrylamide copolymeric hydrogels”, J.
Appl. Polym. Sci., 110, 3795-3803 (2008).
4. Shawky H. A., El-Sayed M. H., Ali A. E. –
H., Mottaleb M. S. A. J. Appl. Polym. Sci.,
100, 3966-3973 (2006).
5. Rivas B. L., Quilodrán B., Quiroz E.. J.
Appl. Polym. Sci., 99, 697 - 705 (2006).
6. Inam R., Gümüş Y., Çaykara T. J. Appl.

Polym. Sci., 94, 2401-2406 (2004).
7. Nguyen Van Khoi, Nguyen Thanh Tung,
Pham Thi Thu Ha, Trinh Duc Cong.
Advances in Natural Sciences, 7(2), 131 135 (2006).

8. Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Thị Thu Giang,
Nguyễn Văn Khôi, Phạm Thị Thu Hà,
Nguyễn Thị Hường. Tạp chí phân tích Hoá,
Lý, Sinh học, 15(1), 32-35 (2010).

607


ADSORPTION AND DESORPTION OF SOME HEAVY METAL IONS FROM AQUEOUS
SOLUTIONS BY POLY(ACRYLIC ACID) HYDROGEL

608