Nghiên cứu chế tạo một số polyme ưa nước và ứng dụng cố định các kim loại nặng trong bùn thải công nghiệp (TT)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

PHAN MINH TÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ POLYME ƯA NƯỚC VÀ ỨNG
DỤNG CỐ ĐỊNH CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG BÙN THẢI
CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Hoá hữu cơ
Mã số: 62.44.01.14

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

HÀ NỘI - 2016


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dãn khoa học 1: GS.TS. Nguyễn Văn Khôi
Người hướng dãn khoa học 2: PGS. TS. Trần Đại Lâm

Phản biện 1: GS.TS. Thái Hoàng
Phản biện 2: GS.TS. Bùi Chương
Phản biện 3: GS.TS. Nguyễn Văn Tuyến

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học
viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 2016

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học của luận án
Lĩnh vực polyme ưa nước đã phát triển nhanh chóng trong thời gian gần đây
nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng cao. Polyme tan trong nước tổng hợp
chiếm một thị phần ứng dụng rất lớn trong cuộc sống như: xử lý nước, sản xuất giấy,
chế biến khoáng sản, công nghiệp dệt may, giày da, mỹ phẩm, dược phẩm, thu hồi
dầu tăng cường và đặc biệt là sử dụng trong cố định kim loại nặng. Tuy nhiên, ở Việt
Nam hiện nay có rất ít thông tin về việc nghiên cứu và chế tạo loại polyme này.
Thực tế rất nhiều nhà máy ở các khu công nghiệp vẫn hàng ngày xả thải trực
tiếp nước thải, bùn thải có chứa các các thành phần nguy hại với hàm lượng vượt quá
giới hạn cho phép ra môi trường. Hậu quả là môi trường nước kể cả nước mặt và
nước ngầm ở nhiều khu vực đang bị ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng. Khi thải bỏ
tùy tiện bùn thải công nghiệp (BTCN) vào môi trường, kim loại nặng (KLN) sẽ dễ
dàng phát tán sang môi trường đất, nước mặt và nước ngầm. Đây là mối nguy hiểm
tiềm tàng đối với sức khỏe của con người cũng như hệ sinh thái tự nhiên.
Hiện nay, vẫn có nhiều nghiên cứu tổng hợp, sử dụng polyme như một loại phụ
gia cho quá trình bê tông hóa bùn thải để cải thiện tính chất của bê tông và khả năng
lưu giữ kim loại nặng nhằm hạn chế đến mức thấp nhất mức độ thôi nhiễm kim loại
nặng ra môi trường. Hướng nghiên cứu này dựa trên khả năng tạo phức của polyme
với các kim loại nặng, giúp cho các kim loại nặng có tính ổn định cao trong bê tông.
Xuất phát từ tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, chúng tôi lựa chọn đề tài

luận án: “Nghiên cứu chế tạo một số polyme ưa nước và ứng dụng cố định kim loại
nặng trong bùn thải công nghiệp” được thực hiện với mục tiêu tổng hợp thành công
một số polyme ưa nước và sử dụng chúng để cố định một số ion kim loại nặng: Cu2+,
Pb2+ và Ni2+... trong xử lý bùn thải công nghiệp.
2. Mục tiêu của luận án
- Nghiên cứu lựa chọn các yếu tố phù hợp để tổng hợp copolyme: copolyme Nvinyl pyrrolidon-acrylamit (VP-AM), N-vinyl pyrrolidon-N,N’-dimethylacryamit
(VP-DMAm), polyme hydroxamic axit (PHA).
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng cố định kim loại nặng của
polyme như: nhiệt độ, thời gian, pH, hàm lượng polyme.
- Nghiên cứu quá trình đóng rắn bùn thải công nghiệp kết hợp xi măng và
polyme.
- Nghiên cứu lựa chọn đơn phối liệu cho quá trình sản xuất gạch không nung từ
bùn thải công nghiệp, xi măng, cát và polyme.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
- Nghiên cứu tổng hợp và tính chất copolyme (VP-AM)
- Nghiên cứu tổng hợp và tính chất copolyme (VP-DMAm)
- Nghiên cứu tổng hợp và tính chất polyme (PHA)
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng cố định của polyme với ion kim loại
- Nghiên cứu quá trình đóng rắn bùn thải công nghiệp kết hợp xi măng và polyme.
- Nghiên cứu lựa chọn đơn phối liệu cho quá trình sản xuất gạch không nung từ bùn
thải công nghiệp, xi măng, cát và copolyme VP-DMAm

1


4. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm các phần chính sau:
- Mở đầu : 2 trang
- Phần tổng quan: 50 trang
- Phần thực nghiệm: 18 trang

- Phần kết quả thảo luận: 53 trang
- Kết luận: 2 trang

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN
1.1. Polyme ưa nước và ứng dụng
1.2. Polyme ưa nước ứng dụng xử lý môi trường.
1.3. Cơ sở lý thuyết trùng hợp và đồng trùng hợp
1.4. Bùn thải công nghiệp và các biện pháp xử lý
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hóa chất thiết bị sử dụng
2.1.1. Hoá chất
- Các monome VP, DMAm, AM, PAM.
- Các chất khơi mào: amoni pesunfat (APS), axit ascorbic (As), Hydroxylamin
hidroclorit (NH2OH.HCl)
- Một số muối kim loại: CuSO4, CrCl3, Pb(NO3)2, NiCl2, Co(NO3)2.
- Xi măng pooc lăng PC40, cát, bùn
2.1.2. Dụng cụ, thiết bị
- Dụng cụ: bể điều nhiệt, máy khuấy cơ, cân phân tích, bình sục khí nitơ, nhiệt
kế, bình cầu, sinh hàn hồi lưu, cốc thuỷ tinh, ống thuỷ tinh, bình tam giác, pipet và
các dụng cụ thủy tinh khác.
- Tủ sấy chân không Karl Kolb 101-1A (Đức)
- Máy đo pH để bàn, thang đo pH/ORP
- Thiết bị phổ IR, phân tích nhiệt DSC, TGA, FE-SEM, GPC, EDX, AAS...
- Thiết bị đo độ bền nén và độ bền uốn C071A Matest (Ý).
2.2. Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp thực nghiệm
- Tổng hợp polyme
+ Tổng hợp copolyme (VP-AM) và (VP-DMAm) bằng phương pháp trùng hợp
dung dịch:

+ Tổng hợp polyhydroxamic axit (PHA) từ poly acryamit.
- Xác định hiệu suất chuyển hóa thành copolyme bằng phương pháp kết tủa
- Xác định hiệu suất chuyển hóa tổng theo phương pháp chuẩn độ nối đôi
- Xác định thành phần copolyme bằng phương pháp phân tích nguyên tố
- Phương pháp xác định hằng số đồng trùng hợp bằng phương pháp Kelen- Tudos
- Xác định hàm lượng nhóm chức trong PHA
- Xác định cường độ nén của viên gạch
- Xác định cường độ uốn
- Xác định độ hút nước của viên gạch
- Xác định hàm lượng kim loại nặng bị thôi nhiễm
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng hợp và tính chất copolymer (VP-AM)

2


- Nghiên cứu tổng hợp và tính chất copolymer (VP-DMAm)
- Nghiên cứu tổng hợp và tính chất của poly hydroxamic axit (PHA)
- Nghiên cứu khả năng cố định một số ion kim loại nặng bằng polyme
- Nghiên cứu quá trình đóng rắn bùn thải bằng xi măng kết hợp với polyme
- Nghiên cứu lựa chọn đơn phối liệu chế tạo gạch không nung ở quy mô phòng thí
nghiệm.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu tổng hợp và tính chất copolyme (VP-AM)
3.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố lên quá trình đồng trùng hợp VP
và AM bằng phương pháp trùng hợp dung dịch
3.1.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng
Kết quả khảo sát hiệu suất chuyển hóa theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau
được biểu diễn trên hình 3.1.

Hình 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới hiệu suất chuyển hóa của phản ứng
VP với AM

Kết quả cho thấy rằng khi tăng nhiệt độ thì hiệu suất chuyển hóa tăng mạnh ở
giai đoạn đầu (90 phút đầu) sau đó tăng chậm và không đổi sau 240 phút đối với tất
cả các điều kiện thí nghiệm và sản phẩm thu được chủ yếu là các copolyme, hiện
tượng này là do ban đầu các gốc tự do còn linh động dễ phản ứng, khi mạch phân tử
phát triển dài hơn thì độ nhớt dung dịch tăng làm hiệu suất chuyển hóa chậm lại.
Ngoài ra, việc tăng nhiệt độ từ 30-40oC cũng làm tăng hiệu suất phản ứng tổng cũng
như phản ứng hình thành copolyme. Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nhiệt độ (từ 40 45oC) thì hiệu suất phản ứng giảm là do tốc độ của các phản ứng thứ cấp tăng
(chuyển mạch, ngắt mạch), quá trình này được làm rõ hơn qua độ suy giảm M w và
PDI (bảng 3.1).
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến M w và PDI của copolyme (VP-AM)
Nhiệt độ (oC)
30
35
40
45
57300
55400
53300
50500
M w (g/mol)
PDI
1,63
1,65
1,66
1,71
3.1.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào
Kết quả khảo sát được trình bày trong hình 3.2 và bảng 3.2.

3


(Hiệu suất chuyển hóa tổng - T%, Hiệu suất chuyển hóa thành copolyme - R%)
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào tới hiệu suất chuyển hóa của
phản ứng VP với AM
Kết quả cho thấy: Khi tăng nồng độ chất khơi mào thì hiệu suất chuyển hóa tăng
là do tăng nồng độ chất khơi mào thì tốc độ phản ứng tăng, làm tăng hiệu suất chuyển
hóa. Tuy nhiên, khi tăng nồng độ chất khơi mào thì tốc độ phản ứng ngắt mạch cũng
tăng theo dẫn tới làm giảm M w của copolyme và độ phân tán khối lượng phân tử tăng,
điều này được chỉ ra tại bảng 3.2.
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào tới M w và PDI của copolyme
(VP-AM)
Nồng độ chất khơi mào
PDI
Mw
(%)
(g/mol)
0,50
53300
1,66
0,75
49800
1,68
1,00
48600
1,69
1,25
47500

1,71
1,50
46100
1,72
1,75
43900
1,77
Hiệu suất chuyển hóa chỉ tăng khi nồng độ chất khơi mào tăng đến một giá trị
nhất định, cụ thể ta thấy khi tăng nồng độ chất khơi mào lên 1,75% thì hiệu suất
chuyển hóa đạt thấp hơn so với nồng độ chất khơi mào 1,5%, điều này có thể lý giải
là do tốc độ phản ứng ban đầu lớn, phản ứng xảy ra hiện tượng cục bộ làm ảnh hưởng
khả năng phản ứng của các monome. Với nồng độ chất khơi mào là 1,50% cho giá trị
hiệu suất và M w là phù hợp. Lựa chọn nồng độ chất khơi mào cho là 1,50% cho các
nghiên cứu tiếp theo.
3.1.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ monome
Kết quả được trình bày trong hình 3.3 và bảng 3.3.

4


(Hiệu suất chuyển hóa tổng - T%, Hiệu suất chuyển hóa thành copolyme - R%)
Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ monome tới hiệu suất chuyển hóa của phản
ứng VP với AM
Kết quả cho thấy rằng khi tăng nồng độ monome từ 30-40% thì hiệu suất chuyển
hóa tổng cũng như hiệu suất chuyển hóa thành copolyme tăng, điều này có thể giải
thích là do khi tăng nồng độ monome làm tăng sự va chạm giữa các phân tử monome
và gốc tự do và làm tăng tốc độ phản ứng. Tuy nhiên, khi nồng độ monome tăng lên
45% thì hiệu suất chuyển hóa giảm là do nồng độ monome cao làm tăng các phản
ứng thứ cấp, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh cản trở sự di chuyển của gốc tự do
cản trở quá trình phát triển mạch và ưu tiên quá trình ngắt mạch xảy ra, phản ứng xảy

ra cục bộ, khó khống chế nhiệt. Điều này được thể hiện rõ hơn qua sự ảnh hưởng của
nồng độ monome tới M w và PDI của copolyme.
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ monome tới M w và PDI của (VP-AM)
Nồng độ monome
PDI
Mw
(%)
(g/mol)
30
49000
1,70
35
51200
1,72
40
53400
1,75
45
51200
1,78
Từ kết quả thu được, lựa chọn nồng độ monome 40% là phù hợp cho các nghiên
cứu tiếp theo.
3.1.2. Xác định hằng số đồng trùng hợp VP và AM
Trên cơ sở kết quả thành phần copolyme thu được theo phân tích nguyên tố, các
hệ số của phương trình Kelen-Tudos được tính toán xây dựng phương trình tuyến tính
giữa ξ và η:

Hình 3.4. Đường thẳng Kelen-Tudos thực nghiệm hệ VP/AM
Từ phương trình K-T thực nghiệm ngoại suy được:

5


ξ = 1 => r1 (VP) = 0,107 < 1
ξ = 0 => r2 (AM) = 1,890 > 1
Kết quả cho thấy: do rVP = 0,107 < 1 nên VP có xu hướng phản ứng với AM
nhiều hơn là tự phản ứng, trong khi đó rAM = 1,890 > 1 nên AM lại có xu hướng tự
phản ứng cao hơn là phản ứng với VP.
3.1.3. Đặc trưng tính chất sản phẩm copolyme (VP-AM)
3.1.3.1. Phổ hồng ngoại FTIR copolyme (VP-AM)
Phổ hồng ngoại của copolyme (VP-AM) được trình bày hình 3.7.

Hình 3.7. Phổ hồng ngoại của copolyme (VP-AM)
Kết quả cho thấy, phổ IR của copolymer VP-AM xuất hiện tất cả các pic đặc
trưng của các đơn vị mắt xích VP và AM, trong đó không thấy xuất hiện vị trí pic nối
đôi C=C cho thấy sự đồng trùng hợp VP và AM đã xảy ra. Do sự tương tác của các
nhóm chức liền kề trong đại phân tử polyme nên vị trí các pic có sự dịch chuyển nhỏ
không đáng kể. Như sự xuất hiện hai pic dao động liền kề tại 1660 (ʋC=O trong AM)
và 1621 (ʋC=O trong VP), bên cạnh đó dao động hóa trị của liên kết N-H cho xuất hiện
pic dao động đặc trưng tại 3481 cm-1 và dao động của liên kết C-N cho xuất hiện pic
hấp thụ tại 1281 cm-1.
3.1.3.2. Nhiệt vi sai quét (DSC) của copolyme (VP-AM)
Giản đồ nhiệt vi sai quét DSC của PVP, PAM và của sản phẩm copolyme (VPAM) được trình bày trên hình 3.8.

Hình 3.8. Giản đồ DSC của homopolyme VP (a); homopolyme AM (b) và
copolymer (VP-AM) với tỷ lệ VP/AM 1:1 (c)
Từ giản đồ phân tích nhiệt DSC của copolymer (VP-AM) (hình 3.8.c) thấy rằng
trên giản đồ chỉ xuất hiện một điểm Tg = 153,36oC và giá trị nhiệt độ thủy tinh của

6

copolymer nằm ở giữa giá trị nhiệt độ thủy tinh hóa của homopolyme VP, Tg
=109,12 oC (hình 3.8.a) và homopolyme AM, Tg = 188,15oC (hình 3.8.b).
3.1.3.3. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA của copolyme (VP-AM)
Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng của copolyme (VP-AM) (1:1) được trình
bày trong hình 3.9.

Hình 3.9. Giản đồ TGA copolyme (VP-AM)
Trên giản đồ TGA của copolyme cho thấy xuất hiện 3 giai đoạn mất khối lượng:
- Vùng 1 mất 9,458% khối lượng (nhiệt độ bắt đầu từ 30,18 và kết thúc tại
150,03oC): điều này là do quá trình tách nước trên bề mặt (các đơn vị VP và AM có
tính hút ẩm cao).
- Vùng 2 mất 72,269% (nhiệt độ bắt đầu từ 159,03oC và nhiệt độ kết thúc tại
475,00oC) ở đây chủ yếu là quá trình phân hủy nhiệt các nhóm chức còn lại có chứa
trong poly(AM-co-VP) như CO, NH2 tạo thành NH3 và CO2.
- Vùng 3 Quá trình nhiệt phân, phân hủy poly(AM-co-VP) đạt gần như hoàn
toàn đạt 99,168% trong khoảng nhiệt độ từ trên 475,00oC
3.1.3.4. Nghiên cứu hình thái học bề mặt sản phẩm (VP-AM)
Hình thái học bề mặt của PVP, PAM và copolyme (VP-AM) được nghiên cứu
bằng phương pháp hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FE-SEM). Kết quả được trình
bày trong hình 3.10.

a) PVP
b) (VP-AM)
c) PAM
Hình 3.10. Ảnh FE-SEM bề mặt cắt của các mẫu PVP-a, (VP-AM)-b
và PAM-c
Từ ảnh FE-SEM thấy, bề mặt cắt của copolyme cứng nhắc, cồng kềnh hơn nhiều
so với PAM, điều này cho thấy sự có mặt của các đơn vị VP làm tăng liên kết H của

các đơn vị AM làm bề mặt của copolyme cứng nhắc hơn. Như vậy bản thân các đơn
vị VP cũng đóng vai trò làm tăng sự cồng kềnh của phân tử copolyme VP-AM.

7


80

80

70

70

Hiệu suất chuyển hóa thành copolyme (%)

Hiệu suất chuyển hóa tổng (%)

3.2. Nghiên cứu tổng hợp và tính chất copolyme (VP-DMAm)
3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố lên quá trình đồng trùng hợp VP
và DMAm bằng phương pháp trùng hợp dung dịch
3.2.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng
Kết quả khảo sát hiệu suất chuyển hóa theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau
được biểu diễn trên hình 3.11.

60
50
40
35oC

30

40oC

20

45oC

10

50oC

0
0

50

100

150

200

250

300

350

60

50
40
30

35oC
40oC

20

45oC
50oC

10
0
0

Thời gian phản ứng (phút)

50

100

150

200

250

300

350

Thời gian phản ứng (phút)

Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới hiệu suất chuyển hóa của
phản ứng VP với DMAm
Kết quả cho thấy rằng khi tăng nhiệt độ thì hiệu suất chuyển hóa tăng mạnh ở
giai đoạn đầu (90 phút đầu) sau đó tăng chậm và không đổi sau 320 phút đối với tất cả
các điều kiện thí nghiệm và sản phẩm thu được chủ yếu là các copolyme, hiện tượng này
là do ban đầu các gốc tự do còn linh động dễ phản ứng, khi mạch phân tử phát triển dài
hơn thì độ nhớt dung dịch tăng làm giảm hiệu suất chuyển hóa. Ngoài ra, việc tăng nhiệt
độ từ 35-45oC cũng làm tăng hiệu suất phản ứng tổng cũng như phản ứng hình thành
copolyme. Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nhiệt độ (từ 45 - 50oC) thì hiệu suất phản ứng
giảm là do tốc độ của các phản ứng thứ cấp tăng (chuyển mạch, ngắt mạch), quá trình
này được làm rõ hơn qua độ suy giảm M w và PDI (bảng 3.6).
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến M w và PDI của copolyme (VP-DMAm)
Nhiệt độ (oC)
35
40
45
50
82500
81300
80400
76000
M w (g/mol)
PDI
1,63
1,64
1,65

1,71
o
Từ các kết quả thu được, lựa chọn nhiệt độ phản ứng 45 C và thời gian phản ứng
là 320 phút để thực hiện cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.2.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào
Kết quả khảo sát được trình bày trong hình 3.12 và bảng 3.7.

(Hiệu suất chuyển hóa tổng - T%, Hiệu suất chuyển hóa thành copolyme - R%)

8


Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào tới hiệu suất chuyển hóa của
phản ứng VP với DMAm
Kết quả cho thấy: Khi tăng nồng độ chất khơi mào thì hiệu suất chuyển hóa tăng.
Vì tăng nồng độ chất khơi mào thì tốc độ phản ứng tăng, làm tăng tốc hiệu suất
chuyển hóa. Tuy nhiên, khi tăng nồng độ chất khơi mào thì tốc độ phản ứng ngắt
mạch cũng tăng theo dẫn tới làm giảm M w của copolyme và độ phân tán khối lượng
phân tử tăng, điều này được chỉ ra tại bảng 3.7.
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào tới M w và PDI của copolyme
(VP-DMAm)
Nồng độ chất khơi mào
Mw
PDI
(%)
(g/mol)
1,00
80400
1,65
1,25

78500
1,66
1,50
77100
1,68
1,75
75800
1,69
1,70
2,00
73000
2,25
69100
1,73
Hiệu suất chuyển hóa chỉ tăng khi nồng độ chất khơi mào tăng đến một giá trị
nhất định, cụ thể ta thấy khi tăng nồng độ chất khơi mào lên 2,25% thì hiệu suất
chuyển hóa đạt thấp hơn so với nồng độ chất khơi mào 2,00%, điều này có thể lý giải
là do tốc độ phản ứng ban đầu lớn, phản ứng xảy ra hiện tượng cục bộ làm ảnh hưởng
khả năng phản ứng của các monome. Với nồng độ chất khơi mào là 2,00% cho giá trị
hiệu suất và M w là phù hợp. Lựa chọn nồng độ chất khơi mào cho là 2,00% cho các
nghiên cứu tiếp theo.
3.2.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ monome
Kết quả được trình bày trong hình 3.13 và bảng 3.8.

Hình 3.13. Ảnh hưởng của nồng độ monome tới hiệu suất chuyển hóa của phản
ứng VP với DMAm
Kết quả cho thấy rằng khi tăng nồng độ monome từ 30-45% thì hiệu suất chuyển
hóa tổng cũng như hiệu suất chuyển hóa thành copolyme tăng, điều này có thể giải
thích là do khi tăng nồng độ monome làm tăng sự va chạm giữa các phân tử monome
và gốc tự do và làm tăng tốc độ phản ứng. Tuy nhiên, khi nồng độ monome tăng lên

50% thì hiệu suất chuyển hóa giảm là do nồng độ monome cao làm tăng các phản
ứng thứ cấp, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh cản trở sự di chuyển của gốc tự do

9


cản trở quá trình phát triển mạch và ưu tiên quá trình ngắt mạch xảy ra, phản ứng xảy
ra cục bộ, khó khống chế nhiệt. Điều này được thể hiện rõ hơn qua sự ảnh hưởng của
nồng độ monome tới M w và PDI của copolyme.
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ monome tới M w và PDI của (VP-DMAm)
Nồng độ monome
Mw
PDI
(%)
(g/mol)
30
73000
1,70
35
77000
1,72
40
79800
1,73
45
81300
1,74
50
81000
1,78

Từ kết quả thu được, lựa chọn nồng độ monome 45% là phù hợp cho các nghiên
cứu tiếp theo.
3.2.2. Xác định hằng số đồng trùng hợp VP và DMAm
Trên cơ sở kết quả thành phần copolyme thu được theo phân tích nguyên tố, các
hệ số của phương trình Kelen-Tudos được tính toán xây dựng phương trình tuyến tính
giữa ξ và η:

Hình 3.14. Đường thẳng Kelen-Tudos thực nghiệm hệ VP/DMAm
Từ phương trình K-T thực nghiệm ngoại suy được:
ξ = 0 => r2 (DMAm) = 2,622
ξ = 1 => r1 (VP) = 0,195
Từ kết quả trên cho thấy rằng: rDMAm > 1 > rVP, các đơn vị DMAm có khả năng
phản ứng với nhau cao hơn là với monome VP, trong khi đó các monome DMAm lại
có xu hướng phản ứng với VP nhiều hơn là VP kết hợp lẫn nhau.
3.2.3. Đặc trưng tính chất sản phẩm copolyme (VP-DMAm)
3.2.3.1. Phổ hồng ngoại FTIR copolyme (VP-DMAm)
Phổ hồng ngoại của copolyme (VP-DMAm) được trình bày trong hình 3.17.

10


Hình 3.17. Phổ hồng ngoại của copolyme (VP-DMAm)
Kết quả cho thấy, tất cả các pic xuất hiện trong từng mome VP và DMAm đều
xuất hiện trong phổ IR của copolyme, trong đó không thấy xuất hiện vị trí pic nối đôi
C=C cho thấy sự đồng trùng hợp VP và DMAm đã xảy ra. Do sự tương tác của các
nhóm chức liền kề trong đại phân tử polyme nên vị trí các pic có sự dịch chuyển nhỏ
không đáng kể. Như sự xuất hiện hai pic dao động liền kề tại 1656 (ʋC=O trong AM)
và 1633 (ʋC=O trong VP), bên cạnh đó dao động hóa trị của liên kết C-N cho xuất hiện
pic hấp thụ tại 1255 cm-1.
3.2.3.2. Nhiệt vi sai quét (DSC) của copolyme (VP-DMAm)

Giản đồ nhiệt vi sai quét DSC của PVP, PDMAm và của sản phẩm copolyme
(VP-DMAm) được trình bày trên hình 3.18.

Hình 3.18. Giản đồ DSC của homopolyme VP; homopolyme DMAm và
copolymer (VP-DMAm) với tỷ lệ VP/DMAm 1:1
Từ giản đồ phân tích nhiệt DSC của copolymer (VP-DMAm) (hình 3.18.c) thấy
rằng trên giản đồ chỉ xuất hiện một điểm Tg = 98,73oC và giá trị nhiệt độ thủy tinh
của copolymer nằm ở giữa giá trị nhiệt độ thủy tinh hóa của homopolyme VP, Tg
=109,12 oC và homopolyme DMAm, Tg = 89,65oC.
3.2.3.3. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA của copolyme (VP-DMAm)
Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng của copolyme (VP-DMAm) (1:1) được
trình bày trong hình 3.19.

Hình 3.19. Giản đồ TGA copolyme (VP-DMAm)
11


Trên giản đồ TGA của copolyme cho thấy xuất hiện 3 giai đoạn mất khối lượng:
- Vùng 1 mất 11,34% khối lượng (nhiệt độ bắt đầu từ 32,98 và kết thúc tại
150,03oC): điều này là do quá trình tách nước trên bề mặt (các đơn vị VP và DMAm
có tính hút ẩm cao).
- Vùng 2 mất 73,516% khối lượng (nhiệt độ bắt đầu từ 150,03oC và nhiệt độ kết
thúc tại 475,01oC) ở đây chủ yếu là quá trình phân hủy nhiệt các nhóm chức còn lại
có chứa trong poly(VP-DMAm) như CO, NH2 tạo thành NH3 và CO2
- Vùng 3 Quá trình nhiệt phân, phân hủy poly(VP-DMAm) đạt gần như hoàn
toàn đạt trong khoảng nhiệt độ từ trên 475,010C.
3.2.3.4. Nghiên cứu hình thái học bề mặt sản phẩm (VP-DMAm)
Hình thái học bề mặt của PVP, PDMAm và copolyme (VP-DMAm) được
nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FE-SEM). Kết quả
được trình bày trong hình 3.20.

a) PVP
b) (VP-DMAm)
c) PDMAm
Hình 3.20. Ảnh FE-SEM bề mặt cắt của các mẫu PVP-a, (VP-DMA)-b và PDMA-c
Từ ảnh FE-SEM bề mặt cắt của copolyme thô cứng và cồng kềnh hơn nhiều so
với DMAm, điều này cho thấy sự có mặt của các đơn vị VP làm tăng liên kết H của
các đơn vị DMAm giúp bề mặt của copolyme được cải thiện. Bên cạnh đó bản thân
các đơn vị VP cũng đóng vai trò là chất làm tăng tính chất thô cứng và cồng kềnh hóa
của copolyme.
3.3. Nghiên cứu tổng hợp và tính chất polyme (PHA)
3.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố lên quá trình tổng hợp PHA từ
phản ứng của PAM với hydroxylamin
3.3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng
Kết quả khảo sát hàm lượng nhóm chức của hydroxamic axit theo thời gian ở
các nhiệt độ khác nhau được biểu diễn trên hình 3.21.

Hình 3.21. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến hàm lượng nhóm chức
Từ hình 3.21, ta thấy khi tăng thời gian và nhiệt độ phản ứng thủy phân thì tốc
độ phản ứng tăng. Khi nhiệt độ tăng từ 25oC đến 30oC, hàm lượng nhóm chức 12


CONHOH cũng tăng dần và đạt cao nhất tại 18 giờ và nhiệt độ 30oC. Khi nhệt độ
tăng từ 35oC đến 40oC ban đầu hàm lượng nhóm chức tăng nhanh đạt trạng thái cân
bằng, sau đó nếu tiếp tục kéo dài thời gian phản ứng thì hàm lượng nhóm chức –
CONHOH cũng giảm dần, bởi vì khi nhiệt độ tăng một phần nhóm –CONHOH bị
thủy phân thành nhóm –COOH. Vì vậy để tổng hợp PHA chọn nhiệt độ 30oC trong
thời gian 18(h).
3.3.1.2. Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng nhóm chức
Kết quả ảnh hưởng của pH đến hàm lượng nhóm chức của poly(hydroxamic axit)

được trình bày trong hình 3.22.

Hình 3.22. Ảnh hưởng pH và thời gian đến hàm lượng nhóm chức
Từ hình cho thấy độ pH có ảnh hưởng rất lớn đến hàm lượng nhóm chức trong
PHA. Nếu độ pH càng cao hàm lượng nhóm chức càng lớn. Tại pH trong khoảng 1011 hầu như quá trình biến tính không xảy ra (hàm lượng nhóm –CONHOH thấp).
Trong khoảng pH = 12-14 hàm lượng nhóm chức -CONHOH tăng dần và đạt lớn
nhất tại pH = 14. Điều này được giải thích là do pH càng lớn H+ trong nhóm +NH2OH
càng đễ dàng được tách ra tạo nhóm –NHOH. Do đó quá trình biến tính tạo
hydroxamic axtit nên thực hiện tại pH = 14.
3.3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ NH2OH.HCl đến hàm lượng nhóm chức
Kết quả ảnh hưởng của của nồng độ hydroxyamin tới đến hàm lượng nhóm
chức của poly(hydroxamic axit) được trình bày trong hình 3.23.

Hình 3.23. Ảnh hưởng của nồng độ hydroxylamin tới hàm lượng nhóm chức PHA
Qua hình 3.23, ta có thể thấy nồng độ của NH2OH.HCl có ảnh hưởng rất lớn đến
hàm lượng các nhóm chức trong PHA. Khi tăng nồng độ NH2OH.HCl tốc độ phản
ứng tăng, hàm lượng nhóm chức –CONHOH tăng và đạt cao nhất bằng 10,1 (mmol/g)
khi nồng độ NH2OH.HCl 3,5M. Nếu tiếp tục tăng nồng độ NH2OH.HCl hàm lượng
nhóm chức không tăng nữa vì phản ứng đạt trạng thái cân bằng.
3.3.2. Đặc trưng tính chất sản phẩm PHA
3.3.2.1. Phổ hồng ngoại FTIR polyme PHA
Phổ hồng ngoại của polyme PHA được trình bày trong hình 3.25
13


Hình 3.25. Phổ hồng ngoại của PHA
Trên phổ hồng ngoại của PHA (hình 3.25) quan sát thấy sự hấp phụ của nhóm
C=O thể hiện tại bước sóng 1616 cm-1, pic 1546 cm-1 đặc trưng do dao động biến
dạng của nhóm NH “liên kết”. tại pic 1449 cm-1 là dao động đặc trưng của nhóm CN
trong dạng enol của hydroxamic axit, tại pic 3438 cm-1 là dao động hóa trị NH, pic

3215 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm –OH.
3.3.2.2. Nhiệt vi sai quét (DSC) của polyme PHA
Giản đồ nhiệt vi sai quét DSC của sản phẩm copolyme PHA được trình bày trên
hình 3.26.

Hình 3.26: Giản đồ DSC của PHA
Từ giản đồ phân tích nhiệt vi sai quét (DSC) của PHA (hình 3.6) cho thấy nhiệt
độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) của PHA là 133,27oC nhỏ hơn nhiệt độ thủy tinh hóa
(Tg = 188,15oC) của PAM.
3.3.2.3. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA của copolyme
Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng của polyme PHA được trình bày trong hình 3.27.

Hình 3.27. Giản đồ TGA polyme PHA
Trên giản đồ TGA của copolyme cho thấy xuất hiện 3 giai đoạn mất khối lượng:
Giai đoạn đầu nhiệt độ bắt đầu phân hủy của PHA trong khoảng 148,3oC điều
này là do quá trình tách nước trên bề mặt
14


Ngoài ra quan sát được 2 giai đoạn phân hủy nữa. Hai giai đoạn này là quá trình
bay hơi nước cùng với các quá trình ete hóa, este hóa nội phân tử, quá trình tạo
anhydrit, quá trình imit hóa nội phân tử và liên phân tử. Giai đoạn này diễn ra khá
mạnh, H2O, NH3 và CO2 được giải phóng dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình tạo
imit và phân hủy cùng với các quá trình đứt mạch. Tại nhiệt độ 600oC, lượng mẫu
còn lại khoảng 9,77%.
3.3.2.4. Nghiên cứu hình thái học bề mặt sản phẩm PHA
Hình thái học bề mặt của PAM và PHA được nghiên cứu bằng phương pháp
hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FE-SEM). Kết quả được trình bày trong hình
3.28.

a) PAM
b) PHA
Hình 3.28. Ảnh FE-SEM bề mặt cắt của các mẫu PAm-a và PHA-b
Từ ảnh FE-SEM bề mặt cắt của polyme PAM phẳng hơn nhiều so với PHA,
điều này cho thấy sau khi tổng hợp PHA từ PAM liên kết H của các đơn vị monome
tăng lên giúp bề mặt của polyme cứng nhắc và công kềnh hơn.
3.4. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng cố định của polyme với ion
kim loại
3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian
Kết quả ảnh hưởng của thời gian tới khả năng cố định được thể hiện trên các
hình 3.29 – 3.32.

Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng cố định của PAM với các ion
kim loại

15


Hình 3.30. Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng cố định của VP-AM với các ion kim
loại

Hình 3.31. Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng cố định của VP-DMAm với các
ion kim loại

Hình 3.32. Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng cố định của PHA với các ion
kim loại
Kết quả cho thấy khi tăng thời gian thì khả năng cố định với các ion kim loại
tăng. Trong khoảng thời gia từ 20-60 phút quan sát thấy mức độ cố định của hầu hết
các polyme với kim loại nặng đều tăng mạnh, tuy nhiên sau thời gian đó mức độ cố
định không thay đổi. Điều này quan sát thấy ở hầu hết các polyme và được giải thích

là do phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng. Vì vậy lựa chọn thời gian tương tác giữa
polyme và ion kim loại là 60 phút cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH.
Kết quả ảnh hưởng của độ pH tới khả năng cố định được thể hiện trên các hình
từ 3.33 – 3.36.

16


Hình 3.33. Ảnh hưởng của pH tới khả năng cố định của PAM với các ion kim loại

Hình 3.34. Ảnh hưởng của pH tới khả năng cố định của VP-AM với các ion kim
loại

Hình 3.35. Ảnh hưởng của pH tới khả năng cố định của VP-DMAm với các ion
kim loại

17


Hình 3.36. Ảnh hưởng của pH tới khả năng cố định của PHA với các ion kim loại
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng cố định của các polyme với các
ion kim loại nặng thấy rằng ban đầu khi pH môi trường tăng thì khả năng cố định
giữa polyme với các ion kim loại tăng và chỉ tăng đến pH = 6, khi tiếp tục tăng pH thì
khả năng cố định giảm do ion kim loại dễ bị kết tủa ở pH cao. Vậy pH tối ưu cho quá
trình cố định giữa PAM, VP-AM, VP-DMAm, PHA, với các ion Cu2+, Co2+, Ni2+, và
Cr3+ là pH = 6. Ngoài ra, thì khả năng tương tác của các polyme với các ion kim loại
giảm dần theo thứ tự VP-DMAm > VP-AM > PHA và lớn nhất với Cu2+, Ni2+, Co2+
sau đó đến Cr2+, Pb2+ điều này là do độ âm điện của các ion kim loại tăng dần và bán
kính ion giảm dần theo thứ tự trên. Vì vậy lựa chọn môi trường pH = 6 cho nghiên

cứu tiếp theo.
3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ polyme.
Kết quả ảnh hưởng của nồng độ tới khả năng cố định thể hiện trên các hình từ
3.37 – 3.40.

Hình 3.37. Ảnh hưởng của nồng độ PAM tới khả năng cố định với các ion kim loại

Hình 3.38. Ảnh hưởng của nồng độ VP-AM tới khả năng cố định với các ion kim loại

18


Hình 3.39. Ảnh hưởng của nồng độ VP-DMAm tới khả năng cố định với các ion
kim loại

Hình 3.40. Ảnh hưởng của nồng độ PHA tới khả năng cố định với các ion kim loại
Kết quả cho thấy, khả năng cố định của các polyme với mỗi ion kim loại là
khác nhau. Khi nồng độ polyme tăng thì khả năng cố định tăng, tuy nhiên khi nồng
độ polyme tăng đến một mức nào đó thì mức độ cố định đạt cực đại và nếu tiếp tục
tăng nồng độ polyme thì khả năng cố định với ion kim loại giảm. Điều này được giải
thích là do khi nồng độ polyme lớn độ nhớt tăng, sức căng bề mặt lớn làm cho sự
khuếch tán của các ion kim loại vào polyme khó khăn. Kết quả từ các hình 3.37 tới
3.40 cho thấy khả năng cố định cực đại của polyme PAM, PHA đạt được ở nồng độ
0,04 (%) cao hơn so với copolyme VP-AM, VP-DMAm đạt khả năng cố định cực đại
ở nồng copolyme 0,03 (%).
3.5. Nghiên cứu quá trình đóng rắn bùn thải công nghiệp kết hợp xi măng và
polyme.
3.5.1. Nghiên cứu tính chất cơ lý và độ hấp hút nước từ tổ hợp bùn thải – xi
măng – polyme
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đóng rắn và loại polyme đến cường độ

uốn và cường độ nén của mẫu được trình bày trong bảng 3.13 – 3.14.
Bảng 3.13. Ảnh hưởng của thời gian đóng rắn và polyme đến cường độ nén của tổ
hợp đóng rắn
Cường độ nén (MPa)
Thời gian
đóng rắn
X20B80-PVPX20B80-PVPX20B80X
20B80
(ngày)
PPHA
AM
DMAm
10
6,42
6,97
7,06
6,92
28
7,84
7,9
7,95
7,97
90
7,96
8,03
8,02
8,04

19

Bảng 3.14. Ảnh hưởng của thời gian đóng rắn và polyme đến cường độ uốn
của tổ hợp đóng rắn
Cường độ uốn (MPa)
Thời gian
đóng rắn
X20B80-PVPX20B80-PVPX20B80X20B80
(ngày)
PPHA
AM
DMAm
10
1,6
1,7
1,7
1,7
28
1,9
2,0
2,3
2,0
90
2,0
2,1
2,3
2,2
Cường độ uốn và cường độ nén là hai chỉ tiêu cơ học quan trọng quyết định đến
tính chất và phạm vi ứng dụng của bê tông. Qua kết quả nghiên cứu thấy rằng khi có
mặt của polyme trong tổ hợp đóng rắn xi măng-bùn thải thì cường độ uốn và cường
độ nén tăng nhẹ. Điều này được giải thích là do bê tông đóng rắn có cấu trúc dạng

đông kết của các hydrat canxi silicat và canxi hydroxit liên kết với nhau bằng lực Var
Der Wal, lực này có khả năng bị phá vỡ khi có tác dụng của ngoại lực, hình thành lên
các vết nứt tế vi làm giảm tính chất cơ học của hỗn hợp bê tông. Khi có mặt của
polyme, thì các vết nứt tế vi này sẽ được lấp đầy bởi các phần tử polyme, do đó tính
chất cơ lý của hợp phần bê tông được cải thiện. Ngoài ra, độ bền của tổ hợp đóng rắn
tăng là do sự hình thành màng polyme và do sự tương tác giữa pha hydrat hóa và các
phân tử polyme, từ đó làm tăng khả năng kết dính giữa cốt liệu và chất kết dính. Cơ
chế là do các phân tử polyme này khi đưa vào bê tông được đóng rắn trong môi
trường kiềm do quá trình thủy hóa xi măng sinh ra để tạo thành các mạch polyme bền
vững hấp thu lên bề mặt sản phẩm mới hình thành của đá, xi măng và xuyên vào
vùng tiếp xúc giữa các tinh thể. Ngoài ra một phần là do polyme có cường độ kéo cao
và sự có mặt của polyme góp phần cải thiện mối liên kết giữa các phân tử trong vữa
bê tông.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đóng rắn và loại polyme đến độ hấp
thụ nước của mẫu được trình bày trong bảng 3.15.
Bảng 3.15. Ảnh hưởng của thời gian đóng rắn và polyme đến độ hấp thụ nước của
tổ hợp đóng rắn
Thời gian
Độ hấp thụ nước (%)
đóng rắn
X20B80
X20B80-PVP-AM X20B80-PVP-DMAm X20B80-PPHA
(ngày)
10
15,2
14,8
14,6
14,3
28
13,6

13,2
13,0
13,1
90
13,8
13,0
12,9
13,0
Kết quả nghiên cứu độ hấp thụ nước của mẫu cho thấy độ hút nước của mẫu
giảm khi tăng thời gian đóng rắn. Với mẫu đóng rắn có polyme thì độ hấp thụ nước
thấp hơn so với mẫu đóng rắn không có polyme. Sự giảm này là do sự tái tổ hợp tạo
thành màng polyme trong vữa đã đóng rắn một phần đã lấp đầy các lỗ rỗng mao quản
làm cho cấu trúc mao quản trong vữa đã đóng rắn bị thay đổi so với ban đầu. Diện
tích các lỗ mao quản này giảm đi dẫn đến quá trình thẩm thấu của phần tử nước vào
các mao quản này giảm. Cụ thể, polyme tương tác với các sản phẩm thủy hóa xi
măng trong vữa và bê tông để tạo ra màng polyme do đó làm thay đổi cấu trúc rỗng
của bê tông. Trong bê tông thể tích phần rỗng chủ yếu được tạo bởi các lỗ rỗng có
bán kính trung bình trong khoảng 750÷1400Å. Sự có mặt của polyme có tác dụng
giảm thể tích rỗng của các mao quản có bán kính lớn hơn 0,2 µm làm giảm đáng kể

20


lỗ rỗng bán kính 750 Å và nhỏ hơn. Trong trường hợp lượng polyme không đủ để lấp
đầy hoàn toàn các lỗ rỗng. Lúc đó polyme bao bọc bề mặt lỗ rỗng hoặc chèn đầy một
bộ phận các lỗ rỗng làm cho các ống mao quản dường như được tẩm bởi một lớp
màng polyme.
3.5.2. Nghiên cứu khả năng thôi nhiễm kim loại nặng từ tổ hợp bùn thải – xi
măng – polyme
Kết quả được trình bày trong bảng 3.16.

Bảng 3.16. Độ thôi nhiễm kim loại nặng từ các mẫu bùn - xi măng - polyme
Kết quả
QCVN
07:2009/
Chỉ
TT
đơn vị
X20B80X20B80X20B80- BTNMT
tiêu
X20B80
Ctb
PVP-AM PVP-DMAm
PPHA
(mg/l)
1
As
mg/l
0,92
0,65
0,28
0,45
2
2
Sb
mg/l
0,78
0,21
0,24
0,18
1

3
Cd
mg/l
2,54
0,08
0,04
0,06
0,5
4
Se
mg/l
0,97
0,21
0,22
0,25
1
5
Cr
mg/l
17,2
1,92
2,01
1,84
5
6 Hg
mg/l
0,12
0,06
0,04
0,02

0,2
7
Ni
mg/l
56,2
6,24
5,87
5,32
70
8
Pb
mg/l
43,1
2,82
3,01
2,56
15
9
Va
mg/l
23,2
25
10 Al
mg/l
270,6
67,2
58,6
72,8
11 Fe
mg/l

264,7
48,2
40,6
45,7
Kết quả cho thấy, với các mẫu bùn-polyme-xi măng thì mức độ thôi nhiễm kim
loại giảm đáng kể so với mẫu bùn-xi măng, đáp ứng được tiêu chuẩn QCVN 07:2009/
BTNMT. Từ bảng 3.17 cho thấy mẫu X20B80-PVP-DMAm kim loại nặng bị thôi nhiễm là
ít nhất. Như vậy nguy cơ thôi nhiễm kim loại nặng từ bùn thải nguy hại đã được giải
quyết triệt để nhờ quá trình hóa rắn bùn thải bằng xi măng kết hợp với polyme cố
định kim loại nặng.
3.6. Nghiên cứu lựa chọn đơn phối liệu cho quá trình sản xuất gạch không nung
từ bùn thải công nghiệp, xi măng, cát và copolyme VP-DMAm
3.6.1. Thay đổi tỉ lệ phối trộn bùn thải, cát (cố định hàm lượng xi măng)
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn và thời gian đóng rắn
đến độ hấp thụ nước Hp (%), độ bền nén Rn (MPa) và độ bền uốn Ru (Mpa) của các
mẫu được thể hiện trong bảng 3.17 – 3.18.
Bảng 3.17. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn và thời gian đóng rắn đến cường độ nén
và độ hấp thụ nước
Thời
gian
(ngày)
10
28
90

Thông số

B20PX20C60

B30PX20C50

B40PX20C40

B50PX20C30

B60PX20C20

Hp,%
R(Mpa)
Hp,%
R(Mpa)
Hp,%
R(Mpa)

14,0
7,61
12,2
9,02
12,1
9,08

14,2
7,48
12,6
8,86
12,4
8,89

14,6
7,36

12,9
8,46
12,7
8,50

14,8
7,16
13,0
8,25
12,8
8,38

15,1
7,02
13,2
8,14
13,1
8,27

21


Bảng 3.18. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn và thời gian đóng rắn đến cường độ uốn.
Thời
gian
(ngày)
10
28
90

Thông số

B20PX20C60

B30PX20C50

B40PX20C40

B50PX20C30

B60PX20C20

Ru, (Mpa)
Ru, (Mpa)
Ru, (Mpa)

1,9
2,26
2,27

1,87
2,22
2,23

1,84
2,12
2,13

1,79
2,07

2,09

1,76
2,04
2,07

Kết quả cho thấy độ bền nén, độ bền uốn tăng nhanh khi tăng thời gian đóng rắn từ
10-28 ngày, tuy nhiên, khi tiếp tục tăng thời gian đóng rắn lên 90 ngày thì cường độ
nén, uốn không tăng nhiều, điều này được giải thích là quá trình hidrat hóa xi măng
đã diễn ra hoàn toàn. Mặt khác, độ hấp thụ nước của mẫu đóng rắn tăng khi tăng hàm
lượng bùn trong mẫu. Điều này được giải thích là do trong bùn có chứa một phần các
chất hữu cơ, khi đóng rắn chất hữu cơ này sẽ bị co ngót, chuyển hóa tạo cho vật liệu
có cấu trúc xốp hơn nên khi tăng hàm lượng bùn trong mẫu làm cho các phần từ nước
dễ dàng bị khuếch tán vào trong cấu trúc vật liệu, bên cạnh đó độ hấp thụ nước có xu
hướng giảm ở các khoảng thời gian đóng rắn (10, 28 và 90 ngày). Ngoài ra, khi quan
sát sự thay đổi độ bền nén, uốn ở tất cả các mẫu có thể thấy rằng, tăng hàm lượng bùn
trong mẫu thì độ bền nén có xu hướng giảm dần. ở tỷ lệ bùn/cát là 40/40 thì cường độ
nén của mẫu gạch là 8,46 MPa, độ hút nước là 12,9% và độ bền uốn là 2,12 MPa so
với mác gạch M7.5 (cường độ nén tiêu chuẩn là ≥7,5 MPa, độ hút nước ≤14%) theo
TCVN 6477:2011 đối với gạch bê tông xây dựng.
3.6.2. Thay đổi tỉ lệ phối trộn copolyme (cố định tỷ lệ bùn/cát là 1/1)
Cố định tỷ lệ bùn/ cát là 1/1, nhưng thay đổi hàm lượng copolyme từ 0,03 –0,1
(%), khảo sát ảnh hưởng của chúng đến chất lượng sản phẩm. Quy trình tạo mẫu và
dưỡng ẩm như trên. Sau khi dưỡng ẩm mẫu, tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ
hàm lượng phối liệu đến cường độ nén của vật liệu sau 28 ngày đóng rắn. Kết quả
được trình bày trong hình 3.41.

Hình 3.41. Ảnh hưởng của hàm lượng copolyme đến độ bền nén của mẫu
Kết quả khảo sát ở hình trên cho thấy khi tăng hàm copolyme thì cường độ nén
tăng nhưng không nhiều. Khi có mặt của polyme, thì các lỗ xốp hình thành do quá

trình hydrat hóa xi măng sẽ được lấp đầy bởi các phần tử polyme, do đó tính chất cơ
lý của hợp phần bê tông được cải thiện. Ngoài ra, độ bền của tổ hợp đóng rắn tăng là
do sự hình thành màng copolyme và do sự tương tác giữa pha hydrat hóa và các phân
tử copolyme từ đó làm tăng khả năng kết dính giữa cốt liệu và chất kết dính. Tuy
nhiên không nên tăng hàm lượng copolyme quá cao gây tốn kém.

22


3.6.3. Khả năng thôi nhiễm kim loại nặng từ gạch không nung chế tạo từ bùn thải,
cát, xi măng và copolyme VP-DMAm
Kết quả được trình bày trong bảng 3.19.
Bảng 3.19. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng bị thôi nhiễm khỏi mẫu
gạch chứa polyme và không chứa polyme
Kết quả

TT

Chỉ
tiêu

đơn vị

1
2
3
4
5
6
7

8
9
10
11

As
Sb
Cd
Se
Cr
Hg
Ni
Pb
Va
Al
Fe

mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l

B40X20C40

B40PX20C40

0,41
0,37
1,21
0,48
8,21
0,06
27,2
21,2
11,6
123,6
117,2

0,21
0,06
0,11
0,84
2,67
1,21
36,7
21,8

QCVN
07:2009/BTNMT
Ctb (mg/l)
2
1
0,5

1
5
4
70
15
25
-

Kết quả bảng trên cho thấy hàm lượng kim loại nặng thôi nhiễm từ các mẫu
gạch có chứa kết hợp polyme và xi măng giảm đáng kể so với mẫu gạch không chứa
polyme. Khi so sách với QCVN 07:2009/ BTNMT thì hầu hết các chỉ tiêu kim loại
nặng trong các mẫu gạch chứa polyme đều thấp hơn ngưỡng cho phép xả thải vào
môi trường nhiều lần.

23