Приготовление пенопластов с расширенным хитином и их использование при удалении водной меди

Summary

Это исследование описывает метод расширения хитина в пену с помощью химических методов, которые не требуют специализированного оборудования.

Abstract

Хитин является недостаточно эксплуатируемым, естественно обильным, механически прочным и химически стойким биополимером. Эти качества желательны в адсорбенте, но хитину не хватает необходимой удельной площади поверхности, а его модификация предполагает специализированные методики и оборудование. Здесь описана новая химическая процедура расширения хитиновых хлопьев, полученных из отходов скорлупы креветок, в пены с более высокой площадью поверхности. Процесс основан на эволюции газа H2 от реакции_воды с, захваченным в хитиновом геле. Способ приготовления не требует специализированного оборудования. Порошковая рентгеновская дифракция и N2-физисорбция указывают на то, что размер кристаллита уменьшается с 6,6 нм до 4,4 нм, а удельная площадь поверхности увеличивается с 12,6 ± 2,1^м2/гдо 73,9 ± 0,2^м2/г. Однако инфракрасная спектроскопия и термогравиметрический анализ показывают, что процесс не изменяет химическую идентичность хитина. Удельная адсорбционная способность Cu расширенного хитина увеличивается пропорционально удельной площади поверхности с 13,8 ± 2,9 мг/г до 73,1 ± 2,0 мг/г. Однако адсорбция Cu в качестве поверхностной плотности остается относительно постоянной в среднем 10,1 ± 0,8^{атома/нм2,}что опять же говорит об отсутствии изменений в химической идентичности хитина. Этот метод предлагает средства для преобразования хитина в материал с более высокой площадью поверхности без ущерба для его желаемых свойств. Хотя хитиновая пена описывается здесь как адсорбент, ее можно представить в качестве катализаторной опоры, теплоизолятора и конструкционного материала.

Introduction

Хитин является механически прочным и химически инертным биополимером, уступая только целлюлозе в естественном изобилии^1. Он является основным компонентом в экзоскелете членистоногих и в клеточных стенках грибов и дрожжей^2. Хитин похож на целлюлозу, но с одной гидроксильной группой каждого мономера заменен ацетиламаминовой группой(Рисунок 1А,В). Это различие увеличивает прочность водородной связи между соседними полимерными цепями и придает хитину характерную структурную упругость и химическую инертность^2,3. Благодаря своим свойствам и обилию, хитин привлек значительный промышленный и академический интерес. Он был изучен как каркас для роста тканей^4,5,6,как компонент в композиционных материалах^7,8,9,10,11и как опора для адсорбентов и катализаторов^11,12,13,14. Его химическая стабильность, в частности, делает хитин привлекательным для адсорбционных применений, которые включают условия, негостеприимные для обычных адсорбентов^14. Кроме того, обилие аминных групп делает хитин эффективным адсорбентом для ионов металлов^15. Однако протонирование аминных групп в кислых условиях снижает адсорбцию металла хитином^16. Успешная стратегия заключается во внедрении адсорбционных участков, более устойчивых к протонации^17,18. Вместо этого в настоящем описан простой способ увеличения удельной площади поверхности и, следовательно, количества участков адсорбции в хитине.

Рисунок 1. Химическая структура. (А) целлюлоза, (B) хитин, (C) хитозан. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Несмотря на его многочисленные потенциальные применения, хитин недостаточно используется. Обработка хитина является сложной задачей из-за его низкой растворимости в большинстве растворителей. Ключевым ограничением его использования в катализе и адсорбции является его низкая удельная площадь поверхности. В то время как типичные углеродные и металлические оксидные опоры имеют удельные площади поверхности в порядке 10^{2-10 3 м2/г,}коммерческие хитиновые хлопья имеют площадь поверхности порядка 10^{м2/г19,20,21.} Методы расширения хитина в пены существуют, но они неизменно опираются на высокую температуру и давление, сильные кислоты и основания или специализированное оборудование, представляющее собой значительный входной барьер^{5,21,22,23,24,25.} Кроме того, эти способы имеют тенденцию к деацетилату хитина с образованием хитозана(фиг.1С)– более растворимого и реакционноспособного биополимера^5,25,26.

В настоящем описан способ расширения хитина в твердые пены, увеличения его удельной площади поверхности и адсорбционной способности, а также поддержания его химической целостности. Метод основан на быстрой эволюции газа из хитинового геля и не требует специального оборудования. Повышенная адсорбирующая способность расширенного хитина продемонстрирована с водой Cu²⁺– распространенным загрязнителем в местных подземных водах^26.

	Единица	Аккуратные хлопья	Обожженная пена	Лиофилизированная пена
Кристалличности	%	88	74	58
Размер кристалла	Нм	6.5	4.4	4.4
Площадь поверхности	м2/г	12.6 ± 2.1	43.1 ± 0.2	73.9 ± 0.2
Поглощение Cu	мг/г	13.8 ± 2.9	48.6 ± 1.9	73.1 ± 2.0
Поглощение Cu	атом/нм2	10.5 ± 2.8	10.7 ± 0.4	9.4 ± 0.3

Таблица 1. Сводка свойств материала. Хитиновые пены имеют меньшую кристалличность и размер кристалла по сравнению с аккуратными хитиновыми хлопьями. Тем не менее, удельная площадь поверхности и поглощение Cu из хитиновых пен пропорционально выше, чем у аккуратных хитиновых хлопьев.

Protocol

1. Приготовление вспененный хитин Приготовьте 250 мл раствора 5 мас.% LiCl в диметилацетамиде (DMAc)ВНИМАНИЕ: Растворитель DMAc является горючим раздражителем, который может повредить фертильность и вызвать врожденные дефекты. Используя химически стойкие перчатки и очки, используя DMAc в …

Representative Results

Расширенный хитин показывает одинаковую морфологию независимо от способа сушки. На рисунке 3 показаны изображения аккуратных хитиновых хлопьев(рисунок 3A1),высушенного в духовке расширенного хитина(рисунок 3B1)и лиофилизированного расши?…

Discussion

Предлагаемый способ изготовления хитиновой пены позволяет производить такие пены без необходимости в специализированном оборудовании или методах. Производство хитиновой пены зависит от суспензии гидрида натрия в составе хитинового золь-геля. Контакт с водой из атмосферы вызывает г?…

Materials

Ammonium bicarbonate	Sigma-Aldrich	9830	NH4HCO3, ≥99.5 %
Chitin	Sigma-Aldrich	C7170	Pandalus borealis, practical grade
Colorimeter	Hanna Instruments	HI83399-01	Photometer for wastewater analysis
Copper High Range Checker	Hanna Instruments	HI702	Bicinchoninate colorimetric titration
Copper nitrate hydrate	Sigma-Aldrich	223395	Cu(NO3)2 · 2.5 H2O, 98 %
Dimethylacetamide (DMAc)	Sigma-Aldrich	271012	Anhydrous, 99.8 %
IR Spectrophotometer	Thermo Nicolet	Nexus 670	Fitted with an ATR cell
Lithium chloride	Sigma-Aldrich	310468	LiCl, ≥99 %
N2 Physisorption Apparatus	Micromeritics	Tristar II
Nitric acid	BDH	BDH7208-1	HNO3, 0.1 N
Scanning electron microscope	Zeiss LEO	1430 VP	15 kV, secondary electron detector, 29-31 mm working distance
Sodium hydride	Sigma-Aldrich	223441	NaH, packed in mineral oil, 90 %
Thermogravimetric analyzer	TA Instruments	Q500	100 ml/min N2, 10 °C/min to 800 °C
Water Purification System	Millipore	Milli-Q	Type A water (18 MΩ)
X-Ray Diffractometer	Rigaku	Ultima IV	Cu K-α radiation, 8.04 keV