准备扩大的奇廷泡沫及其用于去除水中的铜

Summary

这项研究描述了一种通过不需要专门设备的化学技术将奇丁扩展成泡沫的方法。

Abstract

奇廷是一种开发不足、自然丰富、机械坚固、耐化学的生物聚合物。这些品质在吸附剂中是可取的，但奇丁缺乏必要的特定表面积，其修改涉及专门的技术和设备。这里描述了一种新的化学程序，将来自虾壳废物的辣椒片膨胀成表面积较高的泡沫。这个过程依赖于_H2 气体的进化，从水的反应与NaH被困在一个奇丁凝胶。制备方法不需要专用设备。粉末X射线衍射和N_2-物理吸收表明晶体大小从6.6纳米减少到4.4纳米，特定表面积从12.6±2.1米^2/g增加到73.9±0.2米^2/克。然而，红外光谱学和热重力学分析表明，这个过程不会改变奇廷的化学特性。扩大的奇丁的特定Cu吸附能力与特定表面积成正比，从13.8±2.9毫克/克增加到73.1±2.0毫克/克。然而，Cu吸附能力作为表面密度保持相对恒定，平均为10.1±0.8原子/nm^2，这再次表明甲酰丁的化学特性没有变化。这种方法提供了在不牺牲其理想特性的情况下将奇丁转化为更高表面积材料的方法。虽然这里的奇丁泡沫被描述为吸附剂，但它可以设想为催化剂支撑、热绝缘体和结构材料。

Introduction

奇廷是一种机械坚固和化学惰性生物聚合物，仅次于天然丰度¹中的纤维素。它是节肢动物外骨骼和真菌和酵母²细胞壁的主要成分。奇丁与纤维素相似，但每个单体的羟基组被乙酰胺组（图1A，B）所取代。这种差异增加了相邻聚合物链之间的氢粘结强度，并赋予奇丁其特有的结构弹性和化学惰性^2，3。由于其特性和丰富性，奇廷吸引了巨大的工业和学术兴趣。它已被研究为组织生长的支架^4，5，6，作为复合材料的成分^{7，8，9，10，11，}并作为支持吸附剂和催化剂11，12，13，14。其化学稳定性，特别是使奇丁吸引吸附应用，涉及条件不适宜常见的吸附剂^14。此外，丰富的胺组使奇丁对金属离子¹⁵的有效吸附。然而，酸性条件下胺组的质子会降低奇丁¹⁶的金属吸附能力。一个成功的策略是引入更耐质子^17，18的吸附位点。相反，这里描述了一个简单的方法来增加特定的表面积，因此，在奇廷吸附点的数量。

图1。化学结构。（A）纤维素， （B）奇廷， （C）奇托桑。请点击这里查看这个数字的更大版本。

尽管它有许多潜在的用途，但奇丁的利用不足。奇廷加工具有挑战性，因为它在大多数溶剂中的溶解性较低。其在催化和吸附中的使用的主要限制是其低特异性表面积。而典型的碳和金属氧化物支架有特定的表面积在顺序10²-10³ m^2/g，商业辣椒片有表面积在10米^2/克19，20，21的顺序。将辣椒素扩展到泡沫的方法是存在的，但它们总是依赖于高温高压、强酸和碱基，或代表重大进入屏障的专用设备^，这些设备代表着重要的进入屏障5、21、22、23、24、25。此外，这些方法倾向于去乙酰丁，形成甲壳素（图1C）– 一种更可溶性和反应性生物聚合物^{5，25，26。}

其中，介绍了一种将奇丁扩展到固体泡沫、增加其特定表面积和吸附能力以及保持其化学完整性的方法。该方法依赖于气体从奇廷凝胶内的快速演化，不需要专门的设备。扩大的辣椒素的吸附能力增加，用水Cu²⁺证明 – 当地地下水²⁶中的常见污染物。

	单位	整洁的弗莱克	烤泡沫	嗜血泡沫
结晶	%	88	74	58
晶体大小	纳米	6.5	4.4	4.4
表面积	m2/g	12.6 ± 2.1	43.1 ± 0.2	73.9 ± 0.2
库塔克	毫克/克	13.8 ± 2.9	48.6 ± 1.9	73.1 ± 2.0
库塔克	原子/纳米2	10.5 ± 2.8	10.7 ± 0.4	9.4 ± 0.3

表1。材料属性摘要。 与整洁的奇丁片相比，奇廷泡沫的晶体度和晶体大小较低。然而，奇丁泡沫的特定表面积和Cu吸收量比整齐的奇丁片高。

Protocol

1. 准备扩大的辣椒 准备一个 250 mL 溶液 5 wt% LiCl 在二甲基乙酰胺 （DMAc）警告：溶剂 DMAc 是一种易燃刺激物，可能会损害生育能力并导致出生缺陷。使用防化手套和护目镜在烟雾罩中处理 DMAc，以避免与皮肤和眼睛接触。 加入 15 克 LiCl 和 285 克 （268 mL） 的 DMAc 到 500 mL Erlenmeyer 烧瓶中，然后放置 50 mm 聚酯氟乙烯 （PTFE） 衬里磁搅拌棒。 用橡胶隔膜盖上烧瓶，放在加热搅拌…

Representative Results

无论干燥方法如何，扩展的奇廷都表现出相同的形态。图3显示整齐的奇丁片（图3A1），烤箱干膨胀的奇丁（图3B1）和利血性扩大奇丁（图3C3）的图像。虽然整洁的薄片有粗砂的外观，但膨胀的辣椒泡沫有弹出玉米的核状外观。扫描电子显微图在较小的尺度上也显示出类似的变化。虽然整洁的奇丁片（<stro…

Discussion

建议的奇丁泡沫制造方法允许生产这种泡沫，而无需专门的设备或技术。奇廷泡沫的生产依赖于奇丁醇凝胶内氢化钠的悬浮。与大气中的水接触通过分解氢化钠诱导气质基质的凝胶和氢气的演化。因此，制备的关键步骤是（1）形成溶胶，（2）在无水条件下引入氢化钠，（3）大气水与奇丁醇凝胶和氢化钠悬浮剂的反应。

第三步有两个重要的限制。首先，该过程扩展得很差。?…

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