Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do các ion kim loại nặng, đặc biệt là ion đồng (Cu²⁺), là vấn đề đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Đồng xuất phát từ nhiều nguồn nước thải công nghiệp như luyện kim, xi mạ, sản xuất vi mạch điện tử và nông nghiệp. Việc loại bỏ Cu²⁺ ra khỏi nguồn nước đòi hỏi các phương pháp xử lý hiệu quả, chi phí hợp lý và có khả năng thu hồi, tái sử dụng. Các vật liệu xử lý truyền thống như than hoạt tính, zeolit hay vật liệu nano thường gặp phải nhược điểm chi phí chế tạo cao, khó thu hồi sau xử lý hoặc dung lượng hấp phụ chưa tối ưu.

Hydrogel cấu trúc mạng liên kết bán thâm nhập (semi-Interpenetrating Polymer Network - semi-IPN) là hệ vật liệu polymer có cấu trúc không gian ba chiều, diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và chứa nhiều nhóm chức phân cực có khả năng tạo phức hoặc tương tác tĩnh điện mạnh với cation kim loại. Khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa Polymer của tác giả Nguyễn Tấn Trực (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, năm 2024, do TS. Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn hướng dẫn) thực hiện nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu semi-IPN hydrogel từ N,N'-dimethylacrylamide (DMA), maleic acid (MA) và poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) nhằm ứng dụng hấp thu ion Cu²⁺ trong môi trường nước.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm 6 nội dung cụ thể:

  1. Tổng hợp thành công vật liệu semi-IPN hydrogel từ các tiền chất N,N'-dimethylacrylamide (DMA), maleic acid (MA), poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) và chất nối mạng N,N'-methylenebisacrylamide (MBA).
  2. Thực hiện quá trình biến tính cấu trúc semi-IPN hydrogel trong môi trường kiềm mạnh (KOH) để gia tăng mật độ nhóm chức hoạt tính.
  3. Khảo sát cấu trúc hóa học, hình thái vi mô, tính chất nhiệt và đặc tính cơ lý - lưu biến của vật liệu bằng các kỹ thuật phân tích hiện đại (FTIR, SEM-EDX, DSC, đo cơ tính nén, đo lưu biến).
  4. Đánh giá khả năng hấp thu ion Cu²⁺ của hydrogel trước và sau biến tính bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis.
  5. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hấp thu Cu²⁺ của hydrogel, bao gồm: thời gian tiếp xúc, nồng độ ban đầu, giá trị pH và sự hiện diện của các ion muối cạnh tranh.
  6. Đánh giá khả năng giải hấp và tái sử dụng của vật liệu hydrogel qua các chu kỳ hấp thu liên tiếp.

Đối tượng nghiên cứu: Semi-IPN hydrogel tổng hợp từ DMA, MA, PDMA với chất tạo liên kết ngang MBA, hệ xúc tác khơi mào Ammonium Persulfate (APS) / N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TEMEDD); quá trình hấp thu ion Cu²⁺ từ dung dịch muối đồng sunfat (CuSO₄·5H₂O).

Phạm vi nghiên cứu: Tiến hành thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm; tập trung khảo sát các đặc tính cấu trúc, độ trương nở trong các môi trường pH và ion khác nhau, động học - đẳng nhiệt hấp thu Cu²⁺ và độ bền tái sinh qua 3 chu kỳ hấp thu - giải hấp.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về cơ chế hình thành mạng semi-IPN và cơ chế thủy phân kiềm nhóm amide để cải thiện dung lượng hấp phụ kim loại nặng, đồng thời mở ra tiềm năng ứng dụng dòng vật liệu polymer hấp phụ thân thiện môi trường trong xử lý nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và cơ chế hấp phụ

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về cấu trúc mạng semi-IPN, trong đó mạng lưới polymer liên kết chéo (hình thành từ quá trình đồng trùng hợp DMA và MA với chất liên kết ngang MBA) được đan xen vật lý với các mạch thẳng của homopolymer PDMA mà không tạo liên kết hóa học trực tiếp giữa hai hệ polymer. Sự kết hợp này mang lại độ bền cơ học cao, cải thiện độ dẻo dai và gia tăng độ xốp cho vật liệu.

Cơ chế lưu giữ ion Cu²⁺ vào mạng hydrogel diễn ra qua các tương tác:

  • Tương tác tĩnh điện giữa cation Cu²⁺ và các nhóm mang điện tích âm (carboxylate -COO⁻ hình thành sau khi thủy phân hoặc phân ly từ maleic acid).
  • Phối trí hóa học giữa ion Cu²⁺ với các nguyên tử dị tố có cặp electron tự do (oxy trong nhóm carbonyl/hydroxyl và nitơ trong nhóm amide).
  • Trao đổi ion giữa Cu²⁺ và các cation tồn tại trong mạng hydrogel (H⁺, K⁺).
  • Hấp phụ vật lý và khuếch tán mao quản trong các lỗ xốp của hydrogel.

Nguyên liệu và hóa chất nghiên cứu

  • Monomer chính: N,N'-Dimethylacrylamide (DMA, C₅H₉NO, chất lỏng không màu, tan tốt trong nước) và Maleic acid (MA, C₄H₄O₄, (Z)-butenedioic acid, chứa hai nhóm carboxyl).
  • Homopolymer: Poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) đóng vai trò là mạch thẳng đan xen.
  • Chất nối mạng (cross-linker): N,N'-Methylenebisacrylamide (MBA, C₇H₁₀N₂O₂).
  • Hệ chất khơi mào - xúc tác oxy hóa khử: Ammonium persulfate (APS, (NH₄)₂S₂O₈) và N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TEMEDD, C₆H₁₆N₂).
  • Tác nhân biến tính: Dung dịch kiềm Kali hydroxit (KOH) dùng để thủy phân một phần liên kết amide thành nhóm carboxylate.
  • Nguồn ion kim loại: Copper(II) sulfate pentahydrate (CuSO₄·5H₂O).

Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật phân tích

  • Phương pháp tổng hợp: Trùng hợp gốc tự do trong dung dịch (Solution Polymerization) ở nhiệt độ phòng dưới sự khơi mào của hệ APS/TEMEDD.
  • Phương pháp biến tính: Ngâm mẫu hydrogel trong dung dịch kiềm KOH để thực hiện phản ứng thủy phân nhóm chức amide (-CON(CH₃)₂ hoặc -CONH-) thành nhóm carboxylate (-COO⁻K⁺).
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Sử dụng chế độ đo phản xạ toàn phần suy giảm (ATR) trong dải sóng 4000 – 400 cm⁻¹ nhằm kiểm tra các nhóm chức đặc trưng (-OH, -COOH, -C=O, -N-C=O).
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX): Đánh giá hình thái bề mặt vi mô, đo kích thước lỗ xốp và phân tích định tính, định lượng các nguyên tố (C, O, N, K, Cu) trên bề mặt hydrogel.
  • Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC): Xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) và đánh giá độ ổn định nhiệt của mẫu vật liệu.
  • Phép đo lưu biến (Rheological Measurement): Khảo sát modun tích trữ (G’), modun tổn thất (G”) và độ nhớt động học của hydrogel.
  • Thử nghiệm cơ tính nén: Xác định modun nén và đường cong ứng suất - biến dạng (stress-strain).
  • Động học trương nở (Swelling Ratio - SR): Cân khối lượng hydrogel trước và sau khi ngâm trong nước cất, trong các môi trường pH khác nhau (pH = 4, 7, 10) và trong dung dịch các muối kim loại (Na⁺, Ca²⁺, Fe³⁺).
  • Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis: Xác định nồng độ Cu²⁺ còn lại trong dung dịch thông qua đo độ hấp thụ quang của phức đồng ở bước sóng cực đại λ = 452 nm theo định luật Lambert-Beer; tính toán dung lượng hấp thu $Q_t$ và $Q_e$.
  • Xử lý dữ liệu hấp thụ đẳng nhiệt: Áp dụng các mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich và Temkin để mô tả cơ chế hấp phụ đơn lớp hoặc đa lớp.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về vật liệu hydrogel và semi-IPN hydrogel. Tác giả phân tích chi tiết đặc tính hóa lý, độc tính và vai trò của từng tiền chất tham gia phản ứng tổng hợp: DMA tạo độ dẻo và tính tương thích sinh học; MA cung cấp các nhóm carboxyl (-COOH) tạo phức với kim loại; MBA tạo mạng liên kết không gian ba chiều; hệ APS/TEMEDD đóng vai trò chất khơi mào và xúc tác phản ứng trùng hợp gốc tự do.

Chương này phân tích các cơ chế hấp phụ kim loại nặng trong môi trường nước (tương tác tĩnh điện, trao đổi ion, phối trí hóa học và hấp phụ mao quản), đồng thời tổng quan nguyên lý hoạt động của các phương pháp phân tích: phổ FTIR, kính hiển vi điện tử quét SEM, quang phổ EDX, phân tích nhiệt vi sai DSC, phép đo lưu biến, các mô hình động học trương nở bậc hai và ba mô hình hấp phụ đẳng nhiệt (Langmuir, Freundlich, Temkin).

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm, đơn phối liệu hóa chất và các thiết bị đo lường:

  • Quy trình tổng hợp homopolymer mạch thẳng PDMA từ monomer DMA dưới tác dụng của hệ xúc tác APS/TEMEDD.
  • Quy trình tổng hợp semi-IPN hydrogel: Hòa tan DMA, MA, PDMA và chất liên kết ngang MBA vào nước theo tỷ lệ đơn phối liệu; đưa hệ xúc tác APS/TEMEDD vào để kích hoạt phản ứng tạo gel trong khuôn.
  • Quy trình biến tính kiềm: Xử lý semi-IPN hydrogel vừa tạo thành trong dung dịch KOH nhằm chuyển hóa các nhóm amide trên mạch polymer thành các nhóm carboxylate (-COO⁻), gia tăng vị trí tích điện âm.
  • Thiết lập quy trình phân tích: Chuẩn bị mẫu đo FTIR-ATR, sấy thăng hoa/sấy khô mẫu để chụp SEM-EDX, phân tích nhiệt DSC, đo cơ tính nén và đo lưu biến.
  • Quy trình đo hấp thu Cu²⁺: Thiết lập dãy chuẩn phức đồng ở bước sóng 452 nm; tiến hành thí nghiệm hấp thu tĩnh có lắc ở tốc độ 100 rpm, khảo sát biến thiên theo thời gian tiếp xúc, nồng độ Cu²⁺ ban đầu, pH môi trường và thử nghiệm giải hấp/tái sử dụng qua 3 chu kỳ liên tiếp.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Chương 3 trình bày các kết quả phân tích định tính, định lượng và thảo luận về sự khác biệt giữa mẫu hydrogel không biến tính (KBT) và hydrogel biến tính (BT):

  1. Tổng hợp và phân tích cấu trúc phổ FTIR: Phổ FTIR xác nhận sự xuất hiện của các dải dao động đặc trưng của mạng semi-IPN. Ở mẫu hydrogel BT, cường độ pic của nhóm carboxylate (-COO⁻) tăng lên rõ rệt, chứng minh phản ứng thủy phân nhóm amide trong môi trường kiềm diễn ra thành công.
  2. Hình thái học bề mặt (SEM) và phân tích nguyên tố (EDX):
    • Ảnh SEM cho thấy hydrogel sau biến tính có cấu trúc xốp đồng đều và kích thước lỗ rỗng tăng lên so với hydrogel KBT (kích thước lỗ rỗng trung bình đạt 149,15 µm).
    • Quang phổ EDX ghi nhận sự hiện diện của nguyên tố kali (K) sau khi xử lý kiềm và sự xuất hiện rõ rệt của pic nguyên tố đồng (Cu) sau quá trình hấp thu. Mẫu hydrogel BT có hàm lượng Cu hấp thu cao hơn mẫu KBT.
  3. Tính chất nhiệt (DSC) và đặc tính lưu biến:
    • Kết quả phân tích DSC cho thấy nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$) của hydrogel tăng từ 128,2 °C (mẫu KBT) lên 142,0 °C (mẫu BT), phản ánh sự thay đổi mật độ liên kết và tương tác ion nội mạng.
    • Đo lưu biến chỉ ra rằng modun tồn trữ ($G'$), modun tổn thất ($G''$) và độ nhớt của hydrogel BT đều cao hơn so với hydrogel KBT.
  4. Cơ tính nén: Mẫu hydrogel BT có modun nén giảm khoảng 20% so với giá trị 146,41 kPa của mẫu KBT, tuy nhiên vật liệu vẫn duy trì được độ đàn hồi và khả năng chịu lực cơ học cần thiết.
  5. Khả năng trương nở (SR): Tỷ lệ trương nở cân bằng của hydrogel BT tăng 70% so với hydrogel KBT (đạt giá trị SR = 34 g nước/g gel khô). Khả năng trương nở của hydrogel phụ thuộc mạnh vào pH (trương tốt nhất ở môi trường trung tính và kiềm do lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm -COO⁻) và bị suy giảm trong môi trường chứa các cation đa điện tích ($Fe^{3+} < Ca^{2+} < Na^{+}$) do hiện tượng co mạng bởi liên kết ion đa hóa trị.
  6. Khả năng hấp thu ion đồng ($Cu^{2+}$):
    • Dung lượng hấp thu cực đại ($Q_e$) của hydrogel BT đạt 0,0213 g/g, tăng 37% so với hydrogel KBT.
    • Khảo sát mô hình đẳng nhiệt cho thấy quá trình hấp thu phù hợp với mô hình Langmuir ($R^2$ cao), biểu thị cơ chế hấp thu đơn lớp đồng nhất trên các tâm hoạt tính.
    • Quá trình hấp thu đạt hiệu quả cao ở vùng pH cận trung tính (tránh hiện tượng proton hóa nhóm chức ở pH thấp và hiện tượng kết tủa hydroxit $Cu(OH)_2$ ở pH cao).
  7. Khả năng tái sử dụng: Hydrogel duy trì hình dạng hình học và độ bền cấu trúc sau 3 chu kỳ hấp thu - giải hấp liên tục; tuy nhiên, dung lượng hấp thu $Cu^{2+}$ ở chu kỳ 2 và 3 giảm đáng kể so với chu kỳ đầu.
Thông số / Đặc tính khảo sát Hydrogel không biến tính (KBT) Hydrogel biến tính kiềm (BT) Mức độ thay đổi
Kích thước lỗ rỗng trung bình (SEM) Nhỏ hơn 149,15 µm Tăng độ xốp bề mặt
Nhiệt độ chuyển thủy tinh $T_g$ (DSC) 128,2 °C 142,0 °C Tăng 13,8 °C
Modun nén 146,41 kPa Giảm 20% so với KBT Độ dẻo tăng, cơ tính giảm nhẹ
Đặc tính lưu biến ($G', G''$, độ nhớt) Thấp hơn Cao hơn Tăng tính đàn hồi và độ nhớt
Tỉ lệ trương nở cân bằng (SR) Thấp hơn Tăng 70% so với KBT (SR = 34) Tăng khả năng ngậm nước
Dung lượng hấp thu $Cu^{2+}$ cực đại ($Q_e$) Thấp hơn 0,0213 g/g Tăng 37% so với KBT
Mô hình hấp thụ đẳng nhiệt phù hợp Langmuir Langmuir Hấp thụ đơn lớp
Độ bền chu kỳ (sau 3 lần tái sinh) Giữ nguyên hình dạng Giữ nguyên hình dạng Dung lượng giảm ở chu kỳ 2, 3

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 4 tổng kết các kết quả đạt được về quy trình chế tạo, sự cải thiện tính chất nhiệt, hình thái học và hiệu quả hấp thu Cu²⁺ của hydrogel sau biến tính kiềm. Tác giả kiến nghị tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa quy trình giải hấp để nâng cao hiệu suất tái sinh vật liệu ở các chu kỳ tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả thực nghiệm chính

  • Chế tạo thành công vật liệu semi-IPN hydrogel trên cơ sở kết hợp mạng polymer liên kết chéo DMA-MA-MBA và mạch thẳng PDMA thông qua phương pháp trùng hợp gốc tự do trong dung dịch.
  • Quá trình biến tính trong dung dịch kiềm KOH làm tăng kích thước lỗ rỗng trung bình lên 149,15 µm, giúp mở rộng đường dẫn khuếch tán cho các phân tử nước và ion kim loại.
  • Nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$) xác định bằng DSC tăng từ 128,2 °C lên 142,0 °C sau biến tính.
  • Modun nén của hydrogel BT giảm 20% từ mức chuẩn 146,41 kPa của mẫu KBT, đổi lại các giá trị lưu biến (modun lưu trữ $G'$, modun tổn thất $G''$, độ nhớt) đều tăng.
  • Tỉ lệ trương nở cân bằng (SR) của hydrogel BT tăng 70% so với hydrogel KBT (đạt SR = 34 g/g).
  • Dung lượng hấp thu ion Cu²⁺ cực đại ($Q_e$) của mẫu BT đạt 0,0213 g/g, tăng 37% so với mẫu KBT.
  • Quá trình hấp thu $Cu^{2+}$ tuân theo mô hình hấp thụ đẳng nhiệt Langmuir, chứng minh các vị trí phối trí/trao đổi ion phân bố đồng nhất trên bề mặt vật liệu.
  • Sau 3 chu kỳ hấp thu - giải hấp liên tiếp, hydrogel vẫn duy trì nguyên vẹn kích thước và hình dạng hình học ban đầu.

Đóng góp khoa học và giải pháp ứng dụng

  • Đề tài chứng minh hiệu quả của phương pháp biến tính kiềm trong việc gia tăng mật độ nhóm carboxylate hoạt tính trên khung mạng semi-IPN hydrogel chứa acrylamide, giúp cải thiện đồng thời khả năng ngậm nước và dung lượng hấp thu cation kim loại.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm toàn diện về sự ảnh hưởng của pH môi trường, nồng độ kim loại ban đầu và sự cản trở của các ion muối ($Na^+, Ca^{2+}, Fe^{3+}$) đến quá trình trương nở và hấp thu kim loại nặng của hệ vật liệu gốc DMA-MA.
  • Khẳng định tính khả thi của việc sử dụng semi-IPN hydrogel làm vật liệu xử lý nước thải chứa đồng với độ bền cơ lý ổn định, quy trình tổng hợp đơn giản và hạn chế phát sinh chất thải thứ cấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế ghi nhận trong văn bản

  • Dung lượng hấp thu ion Cu²⁺ của hydrogel suy giảm đáng kể ở chu kỳ thứ hai và thứ ba so với chu kỳ đầu tiên, cho thấy quy trình giải hấp hoặc hiệu quả hoàn nguyên các nhóm chức trao đổi ion chưa đạt mức tối ưu tuyệt đối.
  • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô khảo sát phòng thí nghiệm với dung dịch ion Cu²⁺ đơn lẻ, chưa thử nghiệm trên các nguồn nước thải công nghiệp thực tế có thành phần hóa học phức tạp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện giải hấp (nồng độ dung dịch rửa giải, loại axit hoặc tác nhân tạo phức giải hấp) nhằm duy trì dung lượng hấp thu Cu²⁺ ổn định qua nhiều chu kỳ tái sử dụng hơn.
  • Mở rộng phạm vi thử nghiệm khả năng hấp thu của semi-IPN hydrogel đối với các ion kim loại nặng độc hại khác như chì ($Pb^{2+}$), cadimi ($Cd^{2+}$), niken ($Ni^{2+}$) và trong các hệ nước thải đa kim loại.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa Polymer, Kỹ thuật Môi trường và Khoa học Vật liệu: Tham khảo quy trình tổng hợp mạng polymer bán thâm nhập (semi-IPN), kỹ thuật biến tính bề mặt bằng dung dịch kiềm và phương pháp đánh giá vật liệu polymer xử lý môi trường.
  • Cán bộ nghiên cứu về vật liệu hấp phụ: Sử dụng phương pháp luận và dữ liệu thực nghiệm về các mô hình đẳng nhiệt (Langmuir, Freundlich, Temkin), động học trương nở và kỹ thuật phân tích FTIR, SEM-EDX, DSC, đo lưu biến để ứng dụng trong các đề tài chế tạo hydrogel chức năng.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm: Quy trình biến tính kiềm nhóm amide (Mục 2.2.3), phân tích phổ EDX và SEM hình thái học lỗ xốp (Mục 3.3.2), và phương pháp xác định nồng độ Cu²⁺ bằng đường chuẩn quang phổ UV-Vis tại bước sóng 452 nm (Mục 2.3.7 & 3.3.7).

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc semi-IPN hydrogel trong khóa luận được cấu thành từ những thành phần polymer nào?

Vật liệu semi-IPN hydrogel được tổng hợp từ hệ đồng trùng hợp liên kết chéo giữa hai monomer là N,N'-dimethylacrylamide (DMA) và maleic acid (MA) với chất nối mạng N,N'-methylenebisacrylamide (MBA), đan xen vật lý với các mạch thẳng của homopolymer poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) dưới sự khơi mào của hệ xúc tác APS/TEMEDD.

2. Quá trình biến tính kiềm (KOH) tác động như thế nào đến cấu trúc và hình thái của hydrogel?

Quá trình xử lý trong dung dịch kiềm KOH thực hiện phản ứng thủy phân một phần các liên kết amide trong hydrogel để tạo thành các nhóm carboxylate (-COO⁻). Về hình thái vi mô, quá trình biến tính làm gia tăng độ xốp và kích thước lỗ rỗng trung bình của hydrogel lên 149,15 µm, tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán của nước và ion Cu²⁺.

3. Tính chất nhiệt và cơ lý của hydrogel thay đổi ra sao sau khi biến tính?

Sau biến tính, nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$) xác định qua DSC tăng từ 128,2 °C lên 142,0 °C; các giá trị modun lưu trữ ($G'$), modun tổn thất ($G''$) và độ nhớt lưu biến đều tăng lên. Về cơ tính nén, modun nén của hydrogel biến tính giảm khoảng 20% so với giá trị 146,41 kPa của mẫu chưa biến tính.

4. Hiệu quả hấp thu ion Cu²⁺ và cơ chế đẳng nhiệt của vật liệu được xác định như thế nào?

Hydrogel biến tính (BT) đạt dung lượng hấp thu cực đại ($Q_e$) là 0,0213 g/g, tăng 37% so với hydrogel không biến tính (KBT). Quá trình hấp thu ion đồng phù hợp tốt nhất với mô hình hấp thụ đẳng nhiệt Langmuir, phản ánh quá trình hấp phụ đơn lớp trên bề mặt chứa các tâm liên kết đồng nhất.

5. Khả năng tái sử dụng của hydrogel sau các chu kỳ hấp thu - giải hấp đạt mức độ nào?

Sau 3 chu kỳ thí nghiệm hấp thu và giải hấp liên tục, hydrogel vẫn duy trì nguyên vẹn hình dạng hình học và kích thước ban đầu, chứng minh độ bền cơ học cao. Tuy nhiên, khả năng hấp thu ion Cu²⁺ ở chu kỳ thứ hai và thứ ba bị suy giảm đáng kể so với chu kỳ đầu tiên.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Tấn Trực đã tổng hợp và biến tính kiềm thành công vật liệu semi-IPN hydrogel từ DMA, MA và PDMA ứng dụng trong xử lý ion đồng ($Cu^{2+}$). Quá trình biến tính kiềm đã cải thiện đáng kể độ xốp bề mặt, nâng nhiệt độ chuyển thủy tinh lên 142,0 °C, tăng tỷ lệ trương nở lên 70% và gia tăng dung lượng hấp thu Cu²⁺ lên 37% ($Q_e = 0,0213$ g/g). Mặc dù dung lượng hấp thu suy giảm ở các chu kỳ tái sinh tiếp theo, công trình đã chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tiễn của hệ vật liệu polymer semi-IPN trong lĩnh vực xử lý kim loại nặng bảo vệ môi trường nước.