Nghiên cứu tổng hợp và tối ưu hóa vật liệu hydrogel alginate liên kết chéo Ca²⁺/Al³⁺ ứng dụng hấp phụ nước từ không khí
DOI:
https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.110.2026.109-116Từ khóa:
Alginate; Liêt kết chéo đa hoá trị; Hydrogel; Thu hồi nước.Tóm tắt
Trong nghiên cứu này, các hạt hydrogel alginate hình cầu với liên kết chéo đa hóa trị bởi các cation Ca2+ và Al3+ được chế tạo bằng phương pháp gel hóa, nhằm đánh giá tiềm năng thu hồi nước trong không khí. Nồng độ alginate (1 - 5% khối lượng) và tỷ lệ mol canxi/nhôm (1:1, 1:3, 3:1) được khảo sát để lựa chọn điều kiện tối ưu cho tổng hợp hydrogel. Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử quét cho thấy, mẫu 2% alginate với tỷ lệ cation 1:1 tạo ra hình thái bề mặt đồng đều và xốp nhất, trong khi hàm lượng nhôm cao dẫn đến sự hình thành tinh thể bề mặt không mong muốn. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier cho thấy sự tồn tại của liên kết chéo canxi–oxy và nhôm–oxy cùng các nhóm chức đặc trưng của alginate. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng ghi nhận quá trình mất nước tại 173,8 °C, tổng khối lượng mất đi trong quá trình nhiệt phân alginate đạt 49,65% đến 700 °C, và phần khối lượng còn lại chiếm khoảng 50%. Khả năng hấp phụ hơi nước, cho dung lượng hấp phụ cân bằng động đạt 4,22 g/g ở độ ẩm tương đối 90% và 3,84 g/g ở 70% độ ẩm, trong đó hơn 80% lượng hấp phụ được tích lũy trong vòng 15 - 20 giờ. Quá trình tái sinh nhiệt duy trì 92 - 97% dung lượng hấp phụ sau ba chu kỳ, có thể khẳng định triển vọng của vật liệu hydrogel Alg/CaAl như một loại vật liệu hấp phụ chi phí thấp cho ứng dụng thu hoạch nước từ khí quyển.
Tài liệu tham khảo
[1]. Solberg A., Draget K. I., Schatz C., et al., “Alginate Blocks and Block Polysaccharides: A Review”, Macromolecular Symposia, vol. 408, no. 1, (2023).
[2]. Malektaj H., Drozdov A. D., deClaville Christiansen J., “Mechanical Properties of Alginate Hydrogels Cross-Linked with Multivalent Cations”, Polymers (Basel), vol. 15, no. 14, (2023).
[3]. Cao L., Lu W., Mata A., et al., “Egg-box model-based gelation of alginate and pectin: A review”, Carbohydrate Polymers, vol. 242, (2020).
[4]. Alcalde-Garcia F., Prasher S., Kaliaguine S., et al., “Desorption Strategies and Reusability of Biopolymeric Adsorbents and Semisynthetic Derivatives in Hydrogel and Hydrogel Composites Used in Adsorption Processes”, ACS Engineering Au, vol. 3, no. 6, (2023).
[5]. Wang B., Wan Y., Zheng Y., et al., “Alginate-based composites for environmental applications: A critical review”, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, vol. 49, no. 4, (2018).
[6]. Rana A. K., Gupta V. K., Hart P., et al., “Cellulose-alginate hydrogels and their nanocomposites for water remediation and biomedical applications”, Environmental Research, vol. 243, (2024).
[7]. da Costa J. S., de Souza J. F., dos Santos D. R. S., et al., “Composite aerogels of alginate/poly(acrylamide)/carbon nanotubes with enhanced performance for cationic dyes adsorption”, Materials Science and Engineering: B, vol. 298, (2023).
[8]. Liang J., Li X., Wu M., et al., “MXene/polyaniline/sodium alginate composite gel: Adsorption and regeneration studies and application in Cu(II) and Hg(II) removal”, Separation and Purification Technology, vol. 353, (2025) 128298.
[9]. Brus J., Urbanova M., Czernek J., et al., “Structure and Dynamics of Alginate Gels Cross-Linked by Polyvalent Ions Probed via Solid State NMR Spectroscopy”, Biomacromolecules, vol. 18, no. 8, pp. 2478, (2017).
[10]. Ručigaj A., Golobič J., Kopač T., “The role of multivalent cations in determining the cross-linking affinity of alginate hydrogels: A combined experimental and modeling study”, Chemical Engineering Journal Advances, vol. 20, (2024).
[11]. Ghanian M. H., Mirzadeh H., Baharvand H., “In Situ Forming, Cytocompatible, and Self-Recoverable Tough Hydrogels Based on Dual Ionic and Click Cross-Linked Alginate”, Biomacromolecules, vol. 19, no. 5, pp. 1646, (2018).
[12]. Zhou L., Liu Z., Dai G., et al., “Experimental research on bimetallic ion crosslinked gel to inhibit the spontaneous combustion of coal”, Fuel, vol. 357, (2024).
[13]. Nokhodchi A., Tailor A., “In situ cross-linking of sodium alginate with calcium and aluminum ions to sustain the release of theophylline from polymeric matrices”, Il Farmaco, vol. 59, no. 12, pp. 999, (2004).
[14]. Fila D., Kołodyńska D., “Crosslinking agents as precursors for improved selectivity and adsorption performance of alginate hydrogels toward rare earth elements”, Sustainable Materials and Technologies, vol. 45, (2025).
[15]. Wang Q., Liu S., Wang H., et al., “In situ pore-forming alginate hydrogel beads loaded with in situ formed nano-silver and their catalytic activity”, Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 18, no. 18, pp. 12610, (2016).
[16]. Hu C., Lu W., Mata A., et al., “Ions-induced gelation of alginate: Mechanisms and applications”, International Journal of Biological Macromolecules, vol. 177, (2021).
[17]. Thommes M., Kaneko K., Neimark A. V., et al., “Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report)”, Pure and Applied Chemistry, vol. 87, no. 9–10, pp. 1051, (2015).
[18]. Larosa C., Salerno M., de Lima J. S., et al., “Characterisation of bare and tannase-loaded calcium alginate beads by microscopic, thermogravimetric, FTIR and XRD analyses”, International Journal of Biological Macromolecules, vol. 115, (2018).
[19]. Cho A. R., Chun Y. G., Kim B. K., et al., “Preparation of alginate–CaCl2 microspheres as resveratrol carriers”, Journal of Materials Science, vol. 49, no. 13, pp. 4612, (2014).
[20]. Asadi S., Eris S., Azizian S., “Alginate-Based Hydrogel Beads as a Biocompatible and Efficient Adsorbent for Dye Removal from Aqueous Solutions”, ACS Omega, vol. 3, no. 11, pp. 15140, (2018).
[21]. Ghaly M., Masry B. A., Abu Elgoud E. M., “Fabrication of magnesium oxide–calcium alginate hydrogel for scaffolding yttrium and neodymium from aqueous solutions”, Scientific Reports, vol. 13, no. 1, (2023).
[22]. Kuo C. K., Ma P. X., “Ionically crosslinked alginate hydrogels as scaffolds for tissue engineering: Part 1. Structure, gelation rate and mechanical properties”, Biomaterials, vol. 22, no. 6, pp. 511, (2001).
[23]. Wang Z., Liu Y., Li Z., et al., “Effect of density on the smoldering of calcium alginate fibers”, RSC Advances, vol. 14, no. 38, pp. 28201, (2024).
[24]. Fu C., Zhan D., Tian G., et al., “Biomimetic Aerogel Composite for Atmospheric Water Harvesting”, ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 16, no. 27, pp. 35740, (2024).
