Đồ án tốt nghiệp: Phân lập CNC từ xơ dừa để tổng hợp composite hydrogel ứng dụng trong hấp phụ Pb²⁺

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu phân lập CNCs từ xơ dừa, tổng hợp composite hydrogel ứng dụng hấp phụ ion Pb²⁺ hiệu quả trong xử lý môi trường.

• Tác giả: Trần Quốc Huy
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Phân lập CNCs từ xơ dừa tổng hợp composite hydrogel ứng dụng hấp phụ Pb²⁺
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hydrogel
• 1.1.1. Khái niệm về hydogel
• 1.1.2. Phân loại hydrogel
• 1.1.3. Tính chất hydrogel
• 1.2. Ứng dụng của hydrogel trong việc xử lý nước thải
• 1.2.1. Cơ chế hấp phụ của hydrogel trong xử lý nước thải
• 1.2.1.1. Tương tác tĩnh điện
• 1.2.1.2. Trao đổi ion
• 1.2.1.3. Liên kết hydro
• 1.2.1.4. Tương tác phối hợp
• 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ
• 1.2.2.1. Ảnh hưởng pH dung dịch
• 1.2.2.2. Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu
• 1.2.2.3. Sự tồn tại của các ion khác nhau trong dung dịch
• 1.3. Tổng quan nguyên liệu
• 1.3.1. Nguồn nguyên liệu xơ dừa
• 1.3.2. Tổng quan về Cellulose Nanocrystals (CNCs)
• 1.4. Multi walled carbon nanotubes (MWCNTs)
• 1.5. Các phương pháp phân tích và đánh giá
• 1.5.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)
• 1.5.2. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)
• 1.5.3. Kính hiển vị điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDX)
• 1.5.4. Tỷ lệ và tốc độ trương nở (swelling ratio và swelling rate - SR)
• 1.5.5. Phương pháp kiểm tra độ bền kéo vật liệu
• 1.6. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
• 2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất
• 2.2. Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu
• 2.2.1. Quy trình chiết xuất CNCs từ xơ dừa
• 2.2.2. Quy trình tổng hợp composite hydrogel PVA/CNCs/MWCNT
• 2.3. Phương pháp đánh giá
• 2.3.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier – FTIR
• 2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét SEM và quang phổ tán xạ năng lượng tia X EDX
• 2.3.3. Tán xạ ánh sáng động DLS và thế Zeta
• 2.3.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.6. Khảo sát tính chất lưu biến
• 2.3.7. Khảo sát tốc độ trương nở trong nước
• 2.3.8. Khảo sát tỷ lệ trương nở theo môi trường pH
• 2.3.9. Khảo sát tỷ lệ trương trong môi trường muối
• 2.3.11. Khảo sát ứng dụng hấp phụ Pb2+
• 2.3.12. Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân lập CNCs từ xơ dừa
• 3.1.1. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kiềm hóa bằng NaOH
• 3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ NaClO ở giai đoạn tẩy trắng
• 3.1.3. Kết quả khảo ảnh hưởng nồng độ H2SO4 đến quá trình thủy phân acid để phân lập CNCs
• 3.2. Đánh giá tính chất CNCs
• 3.2.1. Kết quả đo FTIR của CNCs
• 3.2.2. Kết quả thế Zeta
• 3.2.3. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.3. Tổng hợp mẫu hydrogel
• 3.3.1. Kết quả phổ FTIR
• 3.3.2. Kết quả đo SEM
• 3.3.3. Kết quả đo cơ tính
• 3.3.4. Kết quả đo lưu biến
• 3.3.5. Kết quả khảo sát tốc độ trương nở
• 3.3.6. Kết quả khảo sát tỷ lệ trương nở theo môi trường pH
• 3.3.7. Kết quả khảo sát tỷ lệ trương trong môi trường muối
• 3.3.8. Kết quả khảo sát độ tan
• 3.3.9. Khảo sát ứng dụng hấp phụ Pb2+ trong xử lý nước thải
• 3.3.10. Kết quả sát khả năng tái sử dụng vật liệu hydrogel
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phân lập CNC từ xơ dừa

Phân lập CNC từ xơ dừa là một quy trình quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới, đặc biệt là trong lĩnh vực composite hydrogel. CNC (Cellulose Nanocrystals) được chiết xuất từ xơ dừa, một nguồn nguyên liệu phong phú và thân thiện với môi trường. Việc sử dụng xơ dừa không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình phân lập CNC từ xơ dừa thông qua các yếu tố như nồng độ NaOH, thời gian kiềm hóa và nhiệt độ xử lý. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng NaOH 7% tại 80℃ trong 2 giờ là điều kiện tối ưu để thu được CNC với kích thước nano và tính chất lý hóa tốt.

1.1. Quy trình phân lập CNC

Quy trình phân lập CNC từ xơ dừa bao gồm ba giai đoạn chính: kiềm hóa, tẩy trắng và thủy phân acid. Trong giai đoạn kiềm hóa, nồng độ NaOH và thời gian xử lý có ảnh hưởng lớn đến việc loại bỏ hemicellulose và lignin. Giai đoạn tẩy trắng sử dụng NaClO để làm sạch và loại bỏ màu sắc không mong muốn. Cuối cùng, thủy phân acid bằng H2SO4 giúp thu được CNC với kích thước nano. Các phương pháp phân tích như FTIR, SEM và DLS được sử dụng để đánh giá tính chất của CNC thu được.

II. Tổng hợp composite hydrogel

Composite hydrogel được tổng hợp từ CNC, PVA (Polyvinyl Alcohol), MWCNTs (Multi-walled Carbon Nanotubes) và gelatin. MWCNTs đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng hấp phụ của hydrogel. Gelatin được sử dụng như một chất liên kết ngang, trong khi APS (Amonium Persulfate) là chất khơi mào cho quá trình polymer hóa. Kết quả cho thấy rằng việc kết hợp CNC với PVA và MWCNTs tạo ra một vật liệu hydrogel có tính chất cơ học và khả năng hấp phụ tốt hơn so với hydrogel chỉ chứa PVA.

2.1. Đánh giá tính chất của composite hydrogel

Tính chất của composite hydrogel được đánh giá thông qua các phương pháp như FTIR, SEM và kiểm tra độ bền kéo. Kết quả cho thấy rằng composite hydrogel có cấu trúc đồng nhất và khả năng trương nở tốt. Đặc biệt, khả năng hấp phụ Pb²⁺ của hydrogel được cải thiện đáng kể khi tăng tỷ lệ CNC trong thành phần. Điều này cho thấy rằng CNC không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn nâng cao khả năng hấp phụ ion kim loại, góp phần vào việc xử lý nước thải hiệu quả.

III. Khả năng hấp phụ Pb²

Khả năng hấp phụ Pb²⁺ của composite hydrogel được khảo sát dưới nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm pH, nồng độ ion kim loại ban đầu và thời gian tiếp xúc. Kết quả cho thấy rằng pH có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ, với pH tối ưu là 6. Nồng độ Pb²⁺ ban đầu cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ, với hiệu suất cao nhất đạt được ở nồng độ 50 ppm. Ngoài ra, khả năng tái sử dụng của vật liệu cũng được đánh giá, cho thấy rằng hydrogel có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất hấp phụ.

3.1. Đánh giá khả năng tái sử dụng

Khả năng tái sử dụng của composite hydrogel là một yếu tố quan trọng trong ứng dụng thực tiễn. Nghiên cứu cho thấy rằng sau nhiều lần sử dụng, hiệu suất hấp phụ Pb²⁺ vẫn duy trì ở mức cao, cho thấy tính bền vững của vật liệu. Việc tái sử dụng không chỉ giúp giảm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu lượng chất thải phát sinh từ quá trình xử lý nước thải. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu trong việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả và thân thiện với môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước bắt nguồn từ các hoạt động sản xuất công nghiệp đang là một trong những thách thức môi trường nghiêm trọng. Nước thải chưa qua xử lý chuẩn mực thường chứa nhiều ion kim loại nặng nguy hại như chì ($Pb^{2+}$), thủy ngân ($Hg^{2+}$), cadimi ($Cd^{2+}$) và niken ($Ni^{2+}$). Những chất ô nhiễm này có xu hướng tích tụ sinh học trong các nguồn nước mặt tự nhiên (sông, hồ, đại dương) và xâm nhập chuỗi thức ăn, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người, gây suy thận, tổn thương gan, rối loạn hệ thần kinh và phá hủy chức năng sinh sản.

Để loại bỏ ion kim loại nặng khỏi nguồn nước, các phương pháp kỹ thuật truyền thống như kết tủa hóa học, lọc màng, trao đổi ion, điện hóa và kết tinh khử thường được sử dụng. Tuy nhiên, phương pháp kết tủa hóa học bộc lộ hạn chế khi hiệu quả xử lý kém đối với các dòng thải có nồng độ kim loại cao, đồng thời làm phát sinh lượng lớn bùn thải gây khó khăn trong việc xử lý thứ cấp triệt để. Trong khi đó, các kỹ thuật trao đổi ion hay điện hóa lại đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành đắt đỏ, cản trở việc ứng dụng trên quy mô lớn. Trước thực tế đó, phương pháp hấp phụ nổi lên như một hướng tiếp cận triển vọng nhờ tính linh hoạt, hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp và không tạo ra sản phẩm phụ độc hại.

Polyvinyl alcohol (PVA) là một polymer tổng hợp ưa nước, sở hữu khả năng tương thích sinh học, phân hủy sinh học và khả năng tạo màng cao. Mặc dù vậy, độ tan lớn trong nước, tính ổn định nhiệt thấp và độ bền cơ học kém là những rào cản kỹ thuật chính khiến PVA đơn thuần khó đáp ứng yêu cầu vật liệu hấp phụ bền vững. Để khắc phục các hạn chế này, việc kết hợp PVA với các vật liệu nano đóng vai trò gia cường như tinh thể nanocellulose (CNCs) và ống nano cacbon đa vách (MWCNTs) nhằm tạo thành mạng lưới composite hydrogel là giải pháp khả thi. Nguồn nguyên liệu cellulose được tác giả lựa chọn là phụ phẩm xơ dừa từ Bến Tre—vốn có sản lượng dồi dào, giá thành thấp và tỷ lệ cellulose tự nhiên cao (32% - 50%).

Từ bối cảnh thực tiễn và cơ sở khoa học trên, đề tài khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Xây dựng quy trình phân lập tinh thể nanocellulose (CNCs) từ xơ dừa, khảo sát toàn diện các yếu tố ảnh hưởng ở từng giai đoạn kiềm hóa, tẩy trắng và thủy phân acid.
2. Tổng hợp thành công vật liệu composite hydrogel trên hệ nền PVA/MWCNTs/CNCs sử dụng chất tạo liên kết ngang gelatin và chất khơi mào ammonium persulfate (APS); đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ gia cường CNCs đến cấu trúc lý hóa, khả năng trương nở, độ tan, tính chất lưu biến và cơ tính của hydrogel.
3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CNCs cùng các điều kiện môi trường (thời gian tiếp xúc, pH dung dịch, nồng độ ion ban đầu) đến hiệu suất và dung lượng hấp phụ ion kim loại $Pb^{2+}$.
4. Đánh giá sơ bộ khả năng giải hấp và tái sử dụng của vật liệu composite hydrogel tổng hợp.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tinh thể nanocellulose (CNCs) phân lập từ phế phẩm xơ dừa, vật liệu composite hydrogel hệ PVA/MWCNTs/CNCs và ion kim loại $Pb^{2+}$. Phạm vi thực nghiệm sử dụng nguồn xơ dừa thu thập tại huyện Châu Thành, tỉnh Bến Tre; toàn bộ các nội dung tổng hợp, phân tích tính chất lý hóa, cơ học và khảo sát hấp phụ được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Polymer B315, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 08 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống luận cứ trên nền tảng lý thuyết mạng lưới polymer ba chiều của hydrogel, cấu trúc phân tử polysaccharide của cellulose và cơ chế hấp phụ bề mặt:

• Mạng lưới polymer hydrogel 3D: Hydrogel được định nghĩa là mạng polymer ba chiều ưa nước có khả năng giữ nước lớn trong cấu trúc trương nở mà không bị hòa tan nhờ các liên kết ngang (vật lý hoặc hóa học). Trong nghiên cứu này, PVA đóng vai trò nền polymer chính; gelatin đảm nhận chức năng liên kết ngang thông qua các tương tác chuỗi xoắn và liên kết hydro; ammonium persulfate (APS) đóng vai trò chất khơi mào tạo các gốc tự do thúc đẩy hình thành mạng lưới.
• Cấu trúc Cellulose và Nanocellulose (CNCs): Phân tử cellulose cấu tạo từ các mắt xích anhydroglucose $(C_6H_{10}O_5)_n$ liên kết với nhau qua cầu nối $\beta-(1\rightarrow 4)$-glucosid với mức độ trùng hợp dao động từ 10.000 đến 15.000. Cấu trúc cellulose tự nhiên bao gồm các vùng tinh thể có trật tự sắp xếp cao xen kẽ các vùng vô định hình. Khi xử lý thủy phân bằng acid vô cơ ($H_2SO_4$), các liên kết glucosid tại vùng vô định hình bị cắt đứt có chọn lọc, giải phóng các tinh thể nano cellulose (CNCs) mang tỷ lệ khung hình cao, diện tích bề mặt lớn, độ cứng cơ học cao và tích điện âm bề mặt do sự gắn kết của nhóm ester sulfate ($-OSO_3^-$).
• Ống nano cacbon đa vách (MWCNTs): Cấu tạo từ nhiều lớp graphen cuộn đồng trục dạng ống, mang diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao và độ bền cơ học cao, đóng vai trò hợp phần tăng cường diện tích tiếp xúc và gia tăng tâm hấp phụ cho hydrogel.
• Cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng: Khóa luận phân tích 4 cơ chế cơ bản gồm tương tác tĩnh điện (giữa bề mặt tích điện âm của vật liệu với cation kim loại $Pb^{2+}$), trao đổi ion, tương tác liên kết hydro và tương tác phối hợp (tạo phức giữa các cặp electron tự do trên nguyên tử O và N của các nhóm chức $-OH, -COOH, -NH_2$ với orbital trống của ion $Pb^{2+}$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế theo quy trình đa bước kết hợp hệ thống thiết bị phân tích hiện đại:

• Quy trình phân lập CNCs: Khảo sát đơn biến các yếu tố công nghệ ở 3 công đoạn chính:
  • Giai đoạn kiềm hóa (Alkalization): Dung dịch $NaOH$ ở các nồng độ (3%, 5%, 7%, 9%), nhiệt độ (70℃, 80℃, 90℃) và thời gian (2 giờ, 3 giờ, 4 giờ) với tỷ lệ mẫu/dung dịch 1:30 (g/mL).
  • Giai đoạn tẩy trắng (Bleaching): Dung dịch $NaClO$ ở các nồng độ (2%, 4%, 6%) trong môi trường đệm $CH_3COOH$ đạt pH $\approx 4,5$, nhiệt độ 60℃ trong 2 giờ với tỷ lệ 1:30 (g/mL).
  • Giai đoạn thủy phân acid (Acid Hydrolysis): Dung dịch $H_2SO_4$ ở các nồng độ (55%, 60%, 65%, 70%) ở nhiệt độ phòng (32℃) trong 30 phút; sau đó pha loãng làm nguội, ly tâm 9.000 vòng/phút trong 10 phút, trung hòa bằng $NaOH$ 0,5M về pH $\approx 7$ và sấy ở 40℃ trong 48 giờ.
• Quy trình tổng hợp composite hydrogel: Hòa tan PVA ở 70℃ trong 1 giờ; phân tán CNCs và gelatin ở 30℃ trong 1 giờ; phối trộn PVA, CNCs, gelatin và MWCNTs ở 80℃ trong 30 phút (tốc độ khuấy 200 RPM); bổ sung APS rồi đổ khuôn định hình trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng; rửa sạch mẫu bằng nước cất trong 12 giờ (lắc 100 RPM, thay nước mỗi 2 giờ) và sấy ở 50℃ đến khối lượng không đổi.
• Phương pháp phân tích và kiểm tra đặc trưng:
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR, Jasco series 4000): Xác định các nhóm chức hóa học, kiểm tra mức độ loại bỏ lignin/hemicellulose và liên kết ngang trong hydrogel.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM, Hitachi TM4000) và Quang phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX): Quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt, mạng xốp (kết hợp phần mềm ImageJ đo kích thước lỗ xốp) và lập bản đồ phân bố nguyên tố Pb.
  • Tán xạ ánh sáng động (DLS) và Thế Zeta (Malvern Zetasizer Pro): Đo phân bố kích thước hạt nano CNCs và độ tích điện bề mặt ($\zeta$).
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Đánh giá cấu trúc tinh thể và chỉ số kết tinh ($CrI$).
  • Cơ tính: Kiểm tra độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt theo tiêu chuẩn ASTM D638 (tốc độ kéo 10 mm/phút, khoảng cách ngàm ban đầu 20 mm) và đo ứng suất - biến dạng nén.
  • Tính chất trương và độ tan: Xác định tỷ lệ trương ($SR$), động học tốc độ trương, sự trương trong môi trường pH và dung dịch muối, cùng độ tan sau ngâm nước.
  • Khảo sát hấp phụ ion $Pb^{2+}$: Đo nồng độ ion chì trước và sau hấp phụ bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis qua đường chuẩn trong khoảng nồng độ 10 – 100 ppm.

Nguyên liệu / Hóa chất	Xuất xứ / Nhà sản xuất	Vai trò trong nghiên cứu
Xơ dừa	Huyện Châu Thành, Bến Tre, Việt Nam	Nguồn sinh khối cung cấp cellulose tự nhiên
Polyvinyl alcohol (PVA)	HiMedia Laboratories, Ấn Độ	Nền polymer ưa nước tạo khung hydrogel
Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs)	Guangzhou Hongwu Material Technology, Trung Quốc	Hạt nano tăng cường tâm hấp phụ và cơ tính
Gelatin	Fuchen, Trung Quốc	Chất tạo liên kết ngang mạng lưới polymer
Ammonium persulfate (APS)	Aecore Chemical, Úc	Chất khơi mào phản ứng tạo gốc tự do
$NaOH$, $H_2SO_4$, $CH_3COOH$	Xilong Scientific, Trung Quốc	Tác nhân kiềm hóa, thủy phân acid, chỉnh pH
Sodium hypochlorite ($NaClO$)	Xilong Scientific, Trung Quốc	Tác nhân tẩy trắng loại bỏ lignin dư

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu hydrogel, các tính chất vật lý - hóa học cơ bản (tính chất trương nở, cơ tính, tính tương thích và khả năng phân hủy sinh học). Tác giả tổng thuật chi tiết các cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng trong môi trường nước gồm tương tác tĩnh điện, trao đổi ion, liên kết hydro và tương tác phối hợp, đồng thời phân tích tác động của các yếu tố ngoại cảnh như pH dung dịch, nồng độ chất ô nhiễm ban đầu và sự hiện diện của các ion cạnh tranh. Phần tổng quan nguyên liệu tập trung làm rõ nguồn gốc xơ dừa với các thành phần chính: cellulose (32% - 50%), lignin (30% - 46%), hemicellulose (0,15% - 15%) và pectin (3% - 4%). Các đặc tính cấu trúc của tinh thể nanocellulose (CNCs), cơ chế bền nhiệt và giới hạn cơ lý của PVA (khối lượng phân tử ~20.000 g/mol, độ thủy phân từ 84,2% đến 99%), đặc trưng cấu trúc ống nano MWCNTs, cơ chế tạo gel của gelatin và vai trò khơi mào của muối persulfate (APS) cũng được làm rõ. Cuối chương, tác giả khái quát các phương pháp phân tích công cụ (FTIR, SEM, EDX, DLS, XRD, thử kéo ASTM D638) và điểm qua tình hình nghiên cứu vật liệu composite hydrogel gốc cellulose xử lý nước thải trong và ngoài nước.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, dụng cụ, thiết bị thí nghiệm và quy trình triển khai thực nghiệm. Quy trình phân lập CNCs từ xơ dừa gồm: tiền xử lý cắt sợi 1 cm sau khi sấy khô ở 60℃ trong 24 giờ; khảo sát kiềm hóa bằng $NaOH$ với các biến số nồng độ (3% - 9%), nhiệt độ (70℃ - 90℃) và thời gian (2 - 4 giờ); tẩy trắng bằng $NaClO$ (2% - 6%) tại 60℃ trong môi trường acid yếu; thủy phân bằng $H_2SO_4$ (55% - 70%) ở nhiệt độ phòng trong 30 phút, tiếp nối bởi bước ly tâm 9.000 RPM, trung hòa và sấy khô ở 40℃ trong 48 giờ. Quy trình tổng hợp composite hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs được chuẩn hóa qua các bước hòa tan PVA (70℃, 1 giờ), phân tán CNCs và gelatin (30℃, 1 giờ), trộn hợp cùng MWCNTs ở 80℃ (30 phút, 200 RPM), thêm APS khơi mào, đổ khuôn, ổn định 24 giờ, rửa giải liên tục 12 giờ bằng nước cất và sấy ở 50℃. Tác giả xây dựng công thức phối trộn cho 4 hệ mẫu hydrogel với hàm lượng CNCs lần lượt là 0%, 5%, 10% và 15% (theo khối lượng chất rắn). Cuối chương là các quy trình phân tích cấu trúc, đo kích thước hạt, thế Zeta, phổ XRD, đo cơ tính kéo/nén, xác định độ trương, độ tan và quy trình khảo sát hấp phụ $Pb^{2+}$ cũng như chu trình giải hấp tái sử dụng.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận khoa học:

• Tối ưu hóa phân lập CNCs: Kết quả FTIR và ảnh chụp SEM cho thấy quá trình xử lý bằng dung dịch $NaOH$ 7% tại 80℃ trong 2 giờ giúp loại bỏ phần lớn hemicellulose và lignin mà không làm đứt gãy sợi nghiêm trọng. Ở giai đoạn tẩy trắng, xử lý bằng dung dịch $NaClO$ 4% tại 60℃ trong 1 giờ giúp loại bỏ triệt để lignin dư, chuyển màu xơ dừa từ nâu thẫm sang trắng ngà. Ở giai đoạn thủy phân bằng acid, nồng độ $H_2SO_4$ 65% ở nhiệt độ phòng trong 30 phút là điều kiện thích hợp để hòa tan các vùng vô định hình và thu nhận tinh thể CNCs; khi nâng nồng độ acid lên 70%, mẫu bị than hóa và phân hủy hoàn toàn.
• Đặc trưng hóa CNCs: Phổ FTIR xác nhận các pic dao động đặc trưng của lignin và hemicellulose biến mất ở mẫu CNCs. Phép đo DLS khẳng định hạt thu được nằm trong dải kích thước nano. Phép đo thế Zeta cho giá trị điện thế âm, chứng minh bề mặt CNCs đã được chức hóa bởi các nhóm este sunfat, tạo lực đẩy tĩnh điện ngăn ngừa hiện tượng kết tụ hạt. Giản đồ XRD chỉ ra rằng độ kết tinh của CNCs tăng rõ rệt so với xơ dừa thô ban đầu.
• Cấu trúc và tính chất composite hydrogel: Ảnh chụp SEM cho thấy cấu trúc mạng lưới xốp 3D; kích thước lỗ xốp (được phân tích định lượng qua phần mềm ImageJ) thay đổi khi thay đổi hàm lượng CNCs. Đo đạc cơ tính chỉ ra rằng khi hàm lượng CNCs tăng từ 0% đến 15%, độ bền kéo, độ giãn dài khi đứt và mô đun nén của vật liệu đều được cải thiện. Các phép đo lưu biến khẳng định độ bền cấu trúc mạng gel được gia tăng nhờ sự tương tác giữa CNCs, PVA và MWCNTs. Khảo sát trương nở cho thấy tốc độ trương và tỷ lệ trương phụ thuộc vào thời gian, môi trường pH và nồng độ muối; độ tan của hydrogel giảm dần khi tăng hàm lượng CNCs do mạng liên kết ngang trở nên bền chặt hơn.
• Hiệu suất hấp phụ $Pb^{2+}$ và khả năng tái sử dụng: Dung lượng hấp phụ $Pb^{2+}$ tăng dần khi tăng tỷ lệ CNCs gia cường, đạt giá trị cao nhất ở mẫu CNCs 15%. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) và ảnh ánh xạ nguyên tố (mapping) sau hấp phụ đã xác nhận sự hiện diện đồng đều của nguyên tố Pb trên bề mặt và trong cấu trúc lỗ xốp của hydrogel. Khảo sát khả năng tái sinh trên mẫu hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs 15% cho thấy vật liệu duy trì hiệu suất hấp phụ ổn định sau các chu trình giải hấp.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã xác lập các thông số công nghệ thực nghiệm để phân lập thành công tinh thể nanocellulose (CNCs) từ xơ dừa và tổng hợp hệ vật liệu composite hydrogel hấp phụ kim loại nặng:

1. Bộ thông số phân lập CNCs từ xơ dừa Bến Tre:

• Giai đoạn kiềm hóa: Dung dịch $NaOH$ 7%, nhiệt độ 80℃, thời gian 2 giờ (tỷ lệ 1:30 g/mL).
• Giai đoạn tẩy trắng: Dung dịch $NaClO$ 4%, pH $\approx 4,5$ (chỉnh bằng $CH_3COOH$), nhiệt độ 60℃, thời gian 1 giờ (tỷ lệ 1:30 g/mL).
• Giai đoạn thủy phân acid: Dung dịch $H_2SO_4$ 65%, nhiệt độ phòng (32℃), thời gian 30 phút; ly tâm 9.000 RPM trong 10 phút, trung hòa bằng $NaOH$ 0,5M về pH $\approx 7$, sấy ở 40℃ trong 48 giờ.

2. Công thức và thành phần tổng hợp composite hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs: Tổng thể tích nước cất sử dụng cố định là 25 mL; các hợp phần cơ sở gồm PVA (3,238 g), MWCNTs (0,002 g), gelatin (0,16 g) và APS (0,6 g). Sự biến thiên hàm lượng CNCs tạo nên 4 hệ mẫu khảo sát được tổng hợp chi tiết trong bảng dưới đây:

Ký hiệu mẫu	Khối lượng PVA (g)	Khối lượng MWCNTs (g)	Khối lượng APS (g)	Khối lượng Gelatin (g)	Khối lượng CNCs (g)	Nước cất (mL)	Tổng khối lượng chất rắn (g)
CNCs 0%	3,238	0,002	0,60	0,16	0,00	25	4,000
CNCs 5%	3,238	0,002	0,60	0,16	0,20	25	4,200
CNCs 10%	3,238	0,002	0,60	0,16	0,40	25	4,400
CNCs 15%	3,238	0,002	0,60	0,16	0,60	25	4,600

3. Tác động của hàm lượng CNCs đến tính chất và hiệu suất xử lý $Pb^{2+}$:

• Cơ tính và cấu trúc: Việc bổ sung CNCs từ 5% đến 15% làm tăng độ bền kéo, độ dãn dài và mô đun nén của hydrogel so với mẫu đối chứng không chứa CNCs (CNCs 0%). Sự tương tác giữa CNCs với nền PVA và chất tạo liên kết ngang gelatin giúp kiểm soát kích thước lỗ xốp và làm giảm độ hòa tan của hydrogel trong môi trường nước.
• Hiệu suất hấp phụ: Hiệu suất hấp phụ ion $Pb^{2+}$ tỷ lệ thuận với tỷ lệ CNCs gia cường, trong đó mẫu hydrogel gia cường 15% CNCs (PVA/MWCNTs/CNCs 15%) đạt hiệu suất hấp phụ cao nhất. Kết quả phân tích quang phổ EDX và lập bản đồ phân bố nguyên tố (Pb mapping) xác nhận tín hiệu đặc trưng của chì phân bố dày đặc trong mạng lưới hydrogel sau quá trình hấp phụ.
• Tính tái sử dụng: Mẫu hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs 15% duy trì được khả năng hấp phụ và độ bền khung mạng sau các chu trình giải hấp và tái sinh lặp lại.

Đóng góp của khóa luận thể hiện ở việc tận dụng nguồn phế phẩm xơ dừa giá rẻ tại Bến Tre để chế tạo vật liệu nano sinh học có giá trị gia tăng cao, đồng thời làm rõ vai trò hiệp đồng giữa CNCs, MWCNTs và gelatin trong việc cải thiện đồng thời cơ tính và hoạt tính hấp phụ ion kim loại nặng của hydrogel nền PVA.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế và hướng mở rộng nghiên cứu dựa trên phạm vi thực nghiệm đã thực hiện:

• Hạn chế:
  • Toàn bộ quá trình tổng hợp và khảo sát hấp phụ chỉ mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (mẻ nhỏ), chưa khảo sát động học khuấy trộn và truyền nhiệt khi mở rộng thể tích chế tạo.
  • Thí nghiệm hấp phụ ion $Pb^{2+}$ được tiến hành trong hệ dung dịch mô phỏng đơn cấu tử, chưa đánh giá chi tiết mức độ cản trở hấp phụ trong điều kiện nước thải công nghiệp thực tế—nơi có sự cạnh tranh đồng thời của nhiều cation kim loại nặng khác ($Cu^{2+}, Ni^{2+}, Cr^{3+}, Cd^{2+}$) và các chất hoạt động bề mặt hay chất hữu cơ hòa tan.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Thử nghiệm vật liệu hydrogel PVA/MWCNTs/CNCs trên các mẫu nước thải công nghiệp thực tế để kiểm chứng độ chọn lọc và độ bền cơ hóa trong môi trường phức tạp.
  • Mở rộng nghiên cứu quy trình chế tạo CNCs từ các nguồn phế phẩm lignocellulose khác như rơm rạ, bã mía, vỏ trấu hoặc phế phẩm ngành công nghiệp giấy (giấy báo, carton) để đa dạng hóa nguồn nguyên liệu đầu vào.
  • Nghiên cứu các phương pháp biến tính hóa học bề mặt CNCs (chức hóa hóa học nhóm chức mang điện) nhằm tiếp tục nâng cao dung lượng hấp phụ cực đại và tốc độ bắt giữ ion kim loại.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo cho:

• Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Công nghệ Môi trường, Kỹ thuật Hóa sinh và Chế biến phụ phẩm Nông nghiệp.
• Những người thực hiện các đề tài liên quan đến:
  • Kỹ thuật tách chiết, tinh chế và phân lập nanocellulose (CNCs, CNFs) từ các nguồn sinh khối thực vật bằng phương pháp hóa học (kiềm hóa, tẩy trắng, thủy phân acid).
  • Quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu composite hydrogel đa thành phần kết hợp hạt nano vô cơ (MWCNTs) và polymer ưa nước.
  • Kỹ thuật đánh giá đặc trưng vật liệu polymer compozit qua hệ thống đo đạc: FTIR, SEM-EDX, XRD, DLS-Zeta, thử cơ lý ASTM D638, đo lưu biến và khảo sát động học hấp phụ kim loại nặng qua quang phổ UV-Vis.

Các phần đáng tham khảo nhất trong văn bản gồm quy trình chi tiết 3 bước phân lập CNCs từ xơ dừa (Chương 2, Mục 2.2.1), bảng thành phần công thức phối trộn hydrogel chuẩn hóa (Bảng 2.2) và chuỗi phân tích đối sánh tính chất cơ - lý - hấp phụ giữa các tỷ lệ CNCs (Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần hóa học của xơ dừa thô được tác giả ghi nhận gồm những gì và đóng vai trò như thế nào trong nghiên cứu?
Theo số liệu tổng quan trong văn bản, xơ dừa thô chứa 32% - 50% cellulose, 30% - 46% lignin, 0,15% - 15% hemicellulose và 3% - 4% pectin. Hàm lượng cellulose chiếm tỷ lệ lớn giúp xơ dừa trở thành nguồn sinh khối lý tưởng để thu hồi tinh thể nanocellulose (CNCs), trong khi các thành phần lignin và hemicellulose cần phải được loại bỏ qua các quá trình kiềm hóa bằng $NaOH$ và tẩy trắng bằng $NaClO$ để giải phóng các bó sợi cellulose tinh khiết.

2. Điều kiện tối ưu để phân lập CNCs từ xơ dừa trong khóa luận được xác định là gì?
Dựa trên kết quả khảo sát thực nghiệm tại Chương 3, các điều kiện tối ưu gồm:

• Kiềm hóa: Dung dịch $NaOH$ 7% tại 80℃ trong 2 giờ với tỷ lệ mẫu/dung dịch 1:30 (g/mL).
• Tẩy trắng: Dung dịch $NaClO$ 4% tại 60℃ trong 1 giờ ở pH $\approx 4,5$ (chỉnh bằng $CH_3COOH$).
• Thủy phân acid: Dung dịch $H_2SO_4$ 65% ở nhiệt độ phòng (32℃) trong 30 phút, ly tâm 9.000 RPM, trung hòa về pH $\approx 7$ bằng $NaOH$ 0,5M và sấy ở 40℃ trong 48 giờ. Khi dùng acid $H_2SO_4$ 70%, mẫu bị than hóa hoàn toàn.

3. Từng thành phần PVA, CNCs, MWCNTs, gelatin và APS giữ vai trò gì trong vật liệu composite hydrogel?
Trong công thức chế tạo:

• PVA đóng vai trò là polymer nền ưa nước, có khả năng tạo màng và tương thích sinh học cao.
• CNCs đóng vai trò là chất độn gia cường nano nhằm cải thiện độ bền kéo, độ dãn dài, mô đun nén và giảm độ tan của PVA.
• MWCNTs đóng vai trò là thành phần làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, độ xốp và gia tăng tâm hấp phụ kim loại nặng.
• Gelatin đóng vai trò chất tạo liên kết ngang (crosslinker) liên kết các chuỗi polymer.
• APS (Ammonium persulfate) đóng vai trò chất khơi mào tạo các gốc tự do để khởi động phản ứng tạo mạng lưới hydrogel.

4. Ảnh hưởng của hàm lượng CNCs (5%, 10%, 15%) đến cơ tính và khả năng hấp phụ $Pb^{2+}$ của hydrogel như thế nào?
Khi tăng hàm lượng CNCs từ 5% lên 15% (tương ứng từ 0,2 g đến 0,6 g CNCs trong công thức phối trộn):

• Về cơ học: Độ bền kéo, độ dãn dài và mô đun nén của hydrogel đều tăng dần so với mẫu đối chứng không có CNCs (mẫu CNCs 0%), đồng thời độ tan của hydrogel sau khi trương nở cực đại giảm xuống.
• Về hấp phụ: Khả năng và hiệu suất hấp phụ ion $Pb^{2+}$ tăng theo hàm lượng CNCs, trong đó mẫu chứa 15% CNCs (PVA/MWCNTs/CNCs 15%) đạt giá trị hấp phụ cao nhất.

5. Cơ chế hấp phụ ion chì ($Pb^{2+}$) chủ yếu của vật liệu là gì và phương pháp phân tích nào được dùng để xác nhận chì đã được hấp phụ?
Cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng chủ đạo của composite hydrogel là tương tác tĩnh điện giữa các tâm mang điện tích âm trên bề mặt hydrogel (bao gồm các nhóm chức mang oxy như $-OH, -COOH$ và nhóm este sunfat $-OSO_3^-$ hình thành trên CNCs sau thủy phân acid) với cation $Pb^{2+}$, kết hợp với cơ chế tạo phức phối hợp giữa các cặp electron tự do của O, N với ion kim loại. Sự hiện diện của ion chì trên vật liệu sau quá trình hấp phụ được xác nhận trực tiếp thông qua phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) và ảnh ánh xạ nguyên tố Pb (EDX mapping).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Quốc Huy đã xây dựng thành công quy trình phân lập tinh thể nanocellulose (CNCs) từ nguồn phế phẩm xơ dừa Bến Tre thông qua chuỗi xử lý kiềm hóa bằng $NaOH$ 7%, tẩy trắng bằng $NaClO$ 4% và thủy phân acid bằng $H_2SO_4$ 65%. Vật liệu composite hydrogel hệ PVA/MWCNTs/CNCs được chế tạo thành công với sự tham gia của gelatin và chất khơi mào APS, thể hiện sự cải thiện rõ rệt về độ bền kéo, mô đun nén, độ bền mạng lưới và giảm độ hòa tan khi gia cường CNCs. Mẫu hydrogel gia cường 15% CNCs đạt hiệu suất hấp phụ ion chì ($Pb^{2+}$) vượt trội và thể hiện khả năng tái sử dụng ổn định sau các chu trình giải hấp, mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu xanh chi phí thấp trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hydrogel 1.1 Khái niệm về hydogel Hydrogel là một mạng lưới polymer ba chiều được tổng hợp dựa trên các polymer ưa nước có thể là mạch phân nhánh hoặc mạch thẳng. Nó có khả năng hấp thụ một lượng nước đáng kể trong cấu trúc mạng ở trạng thái trương nở mà không tan trong nước. Hydrogel có khả năng này là nhờ sự hiện diện của các nhóm phân cực ưa nước như OH, COOH, NH2…được gắn dọc theo mạng polymer, môi trường trương nở [4]. Ngoài ra sự hiện diện các liên kết ngang ngoài việc giúp cho hydrogel có khả năng không tan trong nước còn giúp hydrogel có thể kiểm soát sự hấp thụ nước và duy trì cấu trúc của hydrogel ở trạng thái trương nở [5].

Bên cạnh đó, khả năng trương nở của hydrogel còn phụ thuộc vào bản chất và thành phần của các monomer có trong cấu trúc của hydrogel [6].2 Phân loại hydrogel Hydrogel được phân loại dựa trên những phương diện khác nhau việc phân loại chủ yếu phụ thuộc vào các vật liệu cấu thành hydrogel. Sự phân loại này có thể dựa trên các phương diện như loại liên kết ngang (hóa học, vật lý hoặc cả hai trong cùng một cấu trúc). Dựa vào phương pháp hình thành các liên kết ngang (trùng hợp khối, chiếu xạ tia gamma và tia cực tím, trùng hợp gốc tự do), Ngoài ra nó còn có thể dựa trên hiện diện điện tích ion trong hydrogel (cation, anion và trung tính) [4]. Tuy nhiên thông thường hydrogel thường được phân loại dựa trên nguồn gốc các polymer: - Nguồn gốc tự nhiên: Các polymer tự nhiên thường được chia thành nhiều loại dựa trên cấu trúc hoa học của chúng.

Thông thường ta hay gặp các polymer tự nhiên là các polysaccharide như tinh bột, alginate, cellulose, chitin, chitosan. - Nguồn gốc tổng hợp: Các polymer có nguồn gốc tổng hợp hay sử dụng như polycaprolactone, poly ethylene glycol, poly vinyl pyrrolidone, poly vinyl alcohol [4]. Tuy nhiên, dù hydrogel có nguồn gốc tổng hợp hay tự nhiên thì đều có những ưu và nhược điểm riêng của từng loại. Vì vậy thông thường các polymer có nguồn gốc tự nhiên 1 sẽ được ghép với các monomers, hoặc với các polymer tổng hợp để có thể cải thiện một tính chất cơ học và sự linh hoạt của các polymer [4].3 Tính chất hydrogel Việc sử dụng các polymer có nguồn gốc tổng hợp hay tự nhiên với các nhóm chức ưu nước đã mang đến khả năng trương và giữ nước trong cấu trúc mạng cùa hydrogel.

Điều này là một trong những điều kiện giúp hydrogel trở thành vật liệu lý tưởng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống. Tính chất cơ học: Đối với những ứng dụng không đòi hỏi phân hủy sinh học, điều được quan tâm là chất nền phải duy trì được tính bền vững cơ học. Do đó, độ bền cơ học là một trong những tiêu chí quan trọng khi đánh giá tính chất hydrogel. Nhờ vào việc bổ sung các copolymer hay các tác nhân tạo mạng lưới, độ bền của hydrogel được tăng cường.

Tuy nhiên cần xác định hàm lượng khâu mạch, mật độ các liên kết ngang ở một hàm lượng phù hợp. Bởi vì khi mật độ khâu mạng quá cao dẫn đến vật liệu trở nên ít đàn hồi và có tính giòn [8]. Tính chất trương: Khả năng trương của vật liệu hydrogel được xác định là khoảng không gian bên trong của vật liệu hydrogel có sẵn để chứa nước. Để có thể xác định khả năng trương của hydrogel ta có thể bắt đầu với các lực tương tác giữa polymer và nước.

Nhìn chung có ba lực lần lượt tác động đến việc mở rộng mạng hydrogel là tĩnh điện, sự tương tác giữa polymer với nước, và sự thẩm thấu. Để xác định độ cân bằng trương của hydrogel cần phải có sự cân bằng của hai lực đàn hồi được tạo ra từ các mạng của liên kết chéo, được thể hiện trên hình 1. Chính sự cân bằng này đã giới hạn độ tan của hydrogel. Hay nói một cách khác độ trương của hydrogel được định nghĩa là khả năng hòa tan hạn chế [9].

Tính chất tương hợp sinh học: sự tương hợp sinh học và không độc hại là một trong những đặc điểm quan trọng của các hydrogel tổng hợp ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Hầu hết các polymer được ứng dụng trong lĩnh vực này đều phải được trải qua nhiều thử nghiệm về độc tính tế bào in vivo. Vì vậy việc đánh giá khả năng gây độc của hydrogel là cần thiết nhằm xác định độ phù hợp vật liệu trong lĩnh vực y sinh [4, 9]. Tính chất trương của hydrogel [9].

Tính phân hủy sinh học: là một trong những tính chất cần phải có của vật liệu hydrogel được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Phân hủy sinh học là khả năng phân hủy của hydrogel thành các sản phẩm cuối cùng là vô hại. Khả năng phân hủy sinh học của hydrogel phụ thuộc vào các thành phần cấu tạo nên hydrogel và phương pháp tổng hợp. Các quá tình phân hủy bao gồm thủy phân và hòa tan các thực thể sinh học của hydrogel thành các sản phẩm cuối cùng.

Vì vậy việc xác định tính phân hủy sinh học của hydrogel cũng góp phần xác định độ phù hơp của hydrogel trong các lĩnh vực khác [4, 9].2 Ứng dụng của hydrogel trong việc xử lý nước thải. Nước là một trong những nguồn tài nguyên thiên nhiên có trữ lượng lớn. Tuy nhiên lượng nước ngọt chỉ chiếm 3% trong tổng nguồn nước. Hơn thể nữa lượng nước được sử dụng sinh hoạt đời sống, trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, nông nghiệp chỉ chiếm một phần ba trong tổng lượng nước ngọt được nhắc đến [10-12].

Trong khi nhu cầu về nguồn nước tăng cao, tình trạng ô nhiêm nguồn nước ngày càng gia tăng làm cho nguồn nước ngọt có sẵn lại ngày càng cạn kiệt dần [13, 14]. Sự phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa và sự phát triển các ngành kỹ thuật sản xuất đã góp phần vào sự ô nhiễm nguồn nước. Các kim loại nặng có trong nước thải ngay cả hàm lượng thấp cũng gây nguy hại đến sức khỏe con người [15]. Những ảnh hưởng tiêu cực của kim loại nặng đến sức khỏe con người được thể hiện trong bảng 1.

Các phương pháp hiện nay được áp dụng trong việc xử lý các kim loại nặng khỏi nước như kết tủa hóa học, lọc, xử lý điện hóa, trao đổi ion kết tinh, khử. Tuy nhiên, việc loại bỏ bằng phương pháp kết tủa hóa học thường không hiệu quả đối với dung dịch có nồng độ kim loại cao. Bên cạnh đó việc xử lý còn tạo ra một lượng lớn kết tủa gây nhiều khó khăn trong việc xử lý một 3 cách triệt để. Đối với các phương pháp còn lại việc xử lý vô cùng tốn kém nên không thể áp dụng ở quy mô sản xuất lớn [16, 17].

Do đó, xu hướng phát triển trong lĩnh vực xử lý nước thải bằng các chất hấp phụ đang được quan tâm vì mang lại hiệu quả cao, có tính linh hoạt và chi phí thấp nên nó được dự đoán sẽ nhanh chóng thay thế những phương pháp truyền thống khác [15]. Những ảnh hưởng tiêu cực của kim loại nặng đến sức khỏe con người. Kim loại Những tác động tiêu cực Pb Suy thận, gan, hệ thống sinh sản, các quá tình tế bào cơ bản, hệ thần kinh con người Cr Kích ứng da, ung thư phổi, phá hủy quá trình trao đổi chất của cơ thể Ni Xơ phổi, viêm da, đâu cấp tính ở phổi, đường tiêu hóa, thận. Cu Các biến chứng quan trọng như nôn mửa, chuột rút, co giật.

Ngày nay, việc sử dụng hydrogel trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiêm ra khỏi nguồn nước mang lại hiệu quả cao [5]. Do có độ xốp cao ,đồng thời chứa nhiều nhóm chức ưa nước như OH, COOH, NH2, CONH2… vật liệu này có khả năng giữ lại một lượng nước đáng kể đồng thời có thể hấp phụ các chất ô nhiễm bao gồm việc loại bỏ và thu hồi kim loại nặng [18, 19]. Tuy nhiên đối với các hydrogel được tổng hợp từ các polymer có nguồn gốc hóa dầu hay tổng hợp thì không thể tái sử dụng và phân hủy sinh học. Do đó các polymer có nguồn gốc tự nhiên như cellulose là một loại polymer có mặt hầu hết ở tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học, rẻ tiền, dồi dào và quan trọng là vô hại đang được quan tâm hàng đầu hiện nay [20].3 Cơ chế hấp phụ của hydrogel trong xử lý nước thải.

Khả năng hấp phụ của hydrogel bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau như pH dung dịch, nồng độ các chất ô nhiễm và sự hiện diện các nhóm chức, thành phần hóa học chất ô nhiễm. Cơ chế hấp phụ bao gồm tương tác tĩnh điện, tương tác ion, liên kết hydro và tương tác phối hợp như được thể hiện tại hình 1. Tuy nhiên cơ chế hấp phụ phổ biến để xử lý các kim loại nặng là tương tác tĩnh điện [15], bên cạnh đó sự kết hợp giữa tương 4 tác tĩnh điện với các tương tác khác cũng đã được báo cáo như tương tác kỵ nước, liên kết hydro [21, 22].1 Tương tác tĩnh điện Tương tác tĩnh điện là tương tác giữa các phân tử có điện tích cùng dấu (tương tác anion – anion, cation − cation) và tương tác giữa các phân tử có điện tích trái dấu (tương tác anion – cation) đều được xem là tương tác tĩnh điện. Để có thể loại bỏ các kim loại nặng bằng tương tác tĩnh điện yêu cầu trên bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phải có điện tích trái ngược nhau[15].2 Trao đổi ion Trao đổi ion là quá trình trao đổi giữa ion trong nước thải và vật liệu hấp phụ.

Các ion không mong muốn (cation hoặc anion) trong dung dịch nước được loại bỏ và thay thế bằng các ion có cùng điện tích trên bề mặt vật liệu hấp phụ. Khi quá trình trao đổi ion diễn ra hoàn hảo, số lượng ion được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu hấp phụ tương đương với số lượng ion bị hấp phụ [23]. Trao đổi ion là một phương pháp hiệu quả, đặc biệt trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm nguy hiểm như thuốc nhuộm và kim loại nặng ra khỏi nước thải. Quá trình này chuyển đổi các chất ô nhiễm thành dạng có thể tái chế từ đó giảm thiểu gây hại đến môi trường cũng như hệ sinh thái [15].

Cơ chế hấp phụ hydrogel.3 Liên kết hydro Liên kết hydro là tương tác lưỡng cực xuất phát từ lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử có độ âm điện lớn như N, O, F. với nguyên tử H tích điện dương. Trong quá trình xử lý các kim loại nặng các nhóm chức có chứa nguyên tố Oxy chẳng hạn như −COOH.