Genişletilmiş Kitin Köpüklerinin Hazırlanması ve Sulu Bakırın Çıkarılmasında Kullanımı
Summary
Bu çalışma, özel ekipman gerektirmeyen kimyasal tekniklerle kitini bir köpüğün içine genişletme yöntemini açıklar.
Abstract
Kitin az pişmiş, doğal olarak bol, mekanik olarak sağlam ve kimyasal olarak dirençli bir biyopolimerdir. Bu nitelikler bir adsorbentte arzu edilir, ancak kitin gerekli özel yüzey alanından yoksundur ve modifikasyonu özel teknikler ve ekipmanlar içerir. Burada, karides kabuğu atıklarından elde edilen kitin pullarının daha yüksek yüzey alanına sahip köpüklere genişletilmesi için yeni bir kimyasal prosedür açıklanmaktadır. Süreç, bir kitin jelinde sıkışmış NaH ile suyun reaksiyonundan H2 gazının evrimine dayanır. Hazırlık yöntemi özel ekipman gerektirmez. Toz X-ışını kırınımı veN 2-fizörpsiyon, kristalit boyutunun 6,6 nm’den 4,4 nm’ye düştüğünü ve spesifik yüzey alanının 12,6 ± 2,1 m 2 /g’dan 0,2 m2/g’± 73,9’a yükseleceğini gösterir. Bununla birlikte, kızılötesi spektroskopi ve termogravimetrik analiz, işlemin kitin kimyasal kimliğini değiştirmediğini göstermektedir. Genişletilmiş kitin spesifik Cu adsorpsiyon kapasitesi, belirli yüzey alanıyla orantılı olarak 13,8 ± 2,9 mg/g’dan 73,1 ± 2,0 mg/g’a çıkar. Bununla birlikte, bir yüzey yoğunluğu olarak Cu adsorpsiyon kapasitesi ortalama 10.1 ± 0.8 atom / nm2‘de nispeten sabit kalır , bu da yine kitin kimyasal kimliğinde bir değişiklik olmadığını göstermektedir. Bu yöntem, kitini istenen özelliklerinden ödün vermeden daha yüksek bir yüzey alanı malzemesine dönüştürmenin araçlarını sunar. Kitin köpüğü burada bir adsorbent olarak tanımlansa da, katalizör desteği, termal izolatör ve yapısal malzeme olarak düşünülebilir.
Introduction
Kitin, doğal bollukta selülozdan sonra ikinci olan mekanik olarak sağlam ve kimyasal olarak inert bir biyopolimerdir1. Eklembacaklıların dış iskeletinde ve mantar ve maya hücre duvarlarında ana bileşendir2. Kitin selüloza benzer, ancak her monomerden bir hidroksil grubu asetil amin grubu ile değiştirilir (Şekil 1A,B). Bu fark, bitişik polimer zincirleri arasındaki hidrojen bağlanma gücünü arttırır ve kitine karakteristik yapısal dayanıklılığını ve kimyasal ataletini verir2,3. Özellikleri ve bolluğu nedeniyle, kitin önemli endüstriyel ve akademik ilgi çekmiştir. Doku büyümesi için bir iskele olarak çalışılmıştır4,5,6, kompozit malzemelerde bir bileşen olarak 7,8,9,10,11, ve adsorbentler ve katalizörler için bir destek olarak11,12,13,14. Kimyasal stabilitesi, özellikle, chitin’i yaygın adsorbentlere misafirperver olmayan koşullar içeren adsorpsiyon uygulamaları için çekici kılar14. Ek olarak, amin gruplarının bolluğu kitini metal iyonları için etkili bir adsorbent haline getirir15. Bununla birlikte, asidik koşullar altında amin gruplarının protonasyonu kitin16’nınmetal adsorpsiyon kapasitesini azaltır. Başarılı bir strateji, protonasyona daha dayanıklı adsorpsiyon siteleri tanıtmaktır17,18. Bunun yerine, burada belirli yüzey alanını ve dolayısıyla kitindeki adsorpsiyon alanlarının sayısını artırmak için basit bir yöntem açıklanmaktadır.
Şekil 1. Kimyasal yapı. (A) selüloz, (B) kitin, (C) chitosan. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Birçok potansiyel kullanımına rağmen, kitin az sunulandır. Kitin işleme, çoğu çözücüdeki düşük çözünürlüğü nedeniyle zordur. Kataliz ve adsorpsiyonda kullanımının önemli bir sınırlaması, düşük spesifik yüzey alanıdır. Tipik karbon ve metal oksit destekleri 10 2 -103 m2/g sırasına göre belirli yüzey alanlarına sahipken, ticari kitin pulları 10 m 2 /g19,20,21sırasına göre yüzey alanlarına sahiptir. Kitini köpüklere genişletme yöntemleri vardır, ancak her zaman yüksek sıcaklık ve basınca, güçlü asitlere ve bazlara veya önemli bir giriş bariyeri 5 , 21,22,23,24,25’itemsil eden özelekipmanlaradayanırlar. Ek olarak, bu yöntemler chitosan oluşturmak için chitin deacetylate eğilimindedir (Şekil 1C)- daha çözünür ve reaktif biyopolimer5,25,26.
Burada, kitini katı köpüklere genişletmek, spesifik yüzey alanını ve adsorpsiyon kapasitesini artırmak ve kimyasal bütünlüğünü korumak için bir yöntem açıklanmaktadır. Yöntem, gazın bir kitin jelinin içinden hızlı evrimine dayanır ve özel ekipman gerektirmez. Genişletilmiş kitin artan adsorpsiyon kapasitesi sulu Cu2+ile gösterilmiştir – yerel yeraltı suyunda ortak bir kirletici26.
| Birim | Düzgün Pul | Pişmiş Köpük | Liofili Köpük | |
| Kristallik | % | 88 | 74 | 58 |
| Kristal boyutu | Nm | 6.5 | 4.4 | 4.4 |
| Yüzey Alanı | m2/g | 12.6 ± 2.1 | 43.1 ± 0.2 | 73,9 ± 0,2 |
| Cu Alımı | mg/g | 13.8 ± 2.9 | 48.6 ± 1.9 | 73.1 ± 2.0 |
| Cu Alımı | atom/nm2 | 10,5 ± 2,8 | 10.7 ± 0.4 | 9.4 ± 0.3 |
Tablo 1. Malzeme özelliklerinin özeti. Kitin köpükleri, düzgün kitin pullarına göre daha düşük kristalliğe ve kristal boyutuna sahiptir. Bununla birlikte, kitin köpüklerinin spesifik yüzey alanı ve Cu alımı, düzgün kitin pullarından orantılı olarak daha yüksektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kitin köpük imalatı için önerilen yöntem, özel ekipmana veya tekniklere ihtiyaç duymadan bu tür köpüklerin üretilmesine izin verir. Kitin köpüğünün üretimi, bir kitin sol jeli içindeki sodyum hidritin askıya alınmasına dayanır. Atmosferden gelen su ile temas, sodyum hidritin ayrışmasıyla kitin matrisinin jellenmesine ve hidrojen gazının evrimine neden olan nedenler. Bu nedenle, preparatın kritik adımları (1) sol-jel oluşumu, (2) sodyum hidritin susuz koşullarda tanıtılması ve (3) atmos…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Araştırma, Savaş Yetenekleri Geliştirme Komutanlığı Ordu Araştırma Laboratuvarı (Kooperatif Anlaşma Numarası W911NF-15-2-0020) tarafından desteklendi. Bu materyalde ifade edilen herhangi bir görüş, bulgu ve sonuç veya öneri yazarların görüşleridir ve Ordu Araştırma Laboratuvarı’nın görüşlerini yansıtmak zorunda değildir.
Montana Teknoloji Üniversitesi İleri Malzeme İşleme Merkezi’ne (CAMP) bu çalışmada gerekli olan bazı özel ekipmanların kullanımı için teşekkür ederiz. Gary Wyss, Nancy Oyer, Rick LaDouceur, John Kirtley ve Katherine Zodrow’a da teknik yardım ve yararlı tartışmalar için teşekkür ederiz.
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 |
References
- Rinaudo, M. Chitin and chitosan: Properties and applications. Progress in Polymer Science. 31 (7), 603-632 (2006).
- Percot, A., Viton, C., Domard, A. Optimization of chitin extraction from shrimp shells. Biomacromolecules. 4 (1), 12-18 (2003).
- Austin, P. R. Chitin solvents and solubility parameters. Chitin, Chitosan, and Related Enzymes. , 227-237 (1984).
- Deepthi, S., Venkatesan, J., Kim, S. K., Bumgardner, J. D., Jayakumar, R. An overview of chitin or chitosan/nano ceramic composite scaffolds for bone tissue engineering. International Journal of Biological Macromolecules. 93, 1338-1353 (2016).
- Tao, F., et al. Applications of chitin and chitosan nanofibers in bone regenerative engineering. Carbohydrate Polymers. 230, 115658 (2020).
- Zhao, L., et al. Regulation of the morphological and physical properties of a soft tissue scaffold by manipulating DD and DS of O-carboxymethyl chitin. ACS Applied Bio Materials. 3 (9), 6187-6195 (2020).
- Duan, Y., Freyburger, A., Kunz, W., Zollfrank, C. Cellulose and chitin composite materials from an ionic liquid and a green co-solvent. Carbohydrate Polymers. 192, 159-165 (2018).
- Kadokawa, J., Takegawa, A., Mine, S., Prasad, K. Preparation of chitin nanowhiskers using an ionic liquid and their composite materials with poly(vinyl alcohol). Carbohydrate Polymers. 84 (4), 1408-1412 (2011).
- Chen, Z., Wang, J., Qi, H. J., Wang, T., Naguib, H. E. Green and sustainable layered chitin-vitrimer composite with enhanced modulus, reprocessability, and smart actuator function. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 8 (40), 15168-15178 (2020).
- Zhang, Z., Lucia, L. A. Chitin-clay composite gels with enhanced thermal stability prepared in a green and facile approach. Journal of Materials Science. 56 (4), 3600-3611 (2021).
- Ahmed, M. J., Hameed, B. H., Hummadi, E. H. Review on recent progress in chitosan/chitin-carbonaceous material composites for the adsorption of water pollutants. Carbohydrate Polymers. 247, 116690 (2020).
- Matsuoka, A., et al. Hydration of nitriles to amides by a chitin-supported ruthenium catalyst. RSC Advances. 5 (16), 12152-12160 (2015).
- Wang, Y., Li, Y., Liu, S., Li, B. Fabrication of chitin microspheres and their multipurpose application as catalyst support and adsorbent. Carbohydrate Polymers. 120, 53-59 (2015).
- Anastopoulos, I., Bhatnagar, A., Bikiaris, D., Kyzas, G. Chitin Adsorbents for Toxic Metals: A Review. International Journal of Molecular Sciences. 18 (1), 114 (2017).
- Habiba, U., Afifi, A. M., Salleh, A., Ang, B. C. Chitosan/(polyvinyl alcohol)/zeolite electrospun composite nanofibrous membrane for adsorption of Cr6+, Fe3+ and Ni2+. Journal of Hazardous Materials. 322, 182-194 (2017).
- Kim, U. J., et al. Protein adsorption of dialdehyde cellulose-crosslinked chitosan with high amino group contents. Carbohydrate Polymers. 163, 34-42 (2017).
- He, Y., et al. Fabrication of PVA nanofibers grafted with octaamino-POSS and their application in heavy metal adsorption. Journal of Polymers and the Environment. , (2020).
- Tian, H., et al. Electrospinning of polyvinyl alcohol into crosslinked nanofibers: An approach to fabricate functional adsorbent for heavy metals. Journal of Hazardous Materials. 378, (2019).
- Meille, V. Review on methods to deposit catalysts on structured surfaces. Applied Catalysis A: General. 315, 1-17 (2006).
- Dotto, G. L., Cunha, J. M., Calgaro, C. O., Tanabe, E. H., Bertuol, D. A. Surface modification of chitin using ultrasound-assisted and supercritical CO2 technologies for cobalt adsorption. Journal of Hazardous Materials. 295, 29-36 (2015).
- Phongying, S., Aiba, S., Chirachanchai, S. Direct chitosan nanoscaffold formation via chitin whiskers. Polymer. 48 (1), 393-400 (2007).
- Tan, T. S., Chin, H. Y., Tsai, M. L., Liu, C. L. Structural alterations, pore generation, and deacetylation of α- and β-chitin submitted to steam explosion. Carbohydrate Polymers. 122, 321-328 (2015).
- Chang, F. S., Chin, H. Y., Tsai, M. L. Preparation of chitin with puffing pretreatment. Research on Chemical Intermediates. 44 (8), 4939-4955 (2018).
- Goodrich, J. D., Winter, W. T. α-Chitin Nanocrystals prepared from shrimp shells and their specific surface area measurement. Biomacromolecules. 8 (1), 252-257 (2007).
- Rolandi, M., Felts, J. . Naturally sourced chitin foam. , (2020).
- McDermott, S., Hailer, M. K., Lead, J. R. Meconium identifies high levels of metals in newborns from a mining community in the U.S. Science of the Total Environment. 707, 135528 (2020).
- Hach Handbook of Water Analysis. Copper, Bicinchoninate Method, Method 8506. Hach Handbook of Water Analysis. , (1979).
- Crittenden, J. C., Trusell, R. R., Hand, D. R., Howe, K. J., Tchbanoglous, G. Adsorption. MWH’s Water Treatment. , 1117 (2012).
- Focher, B., Beltrame, P. L., Naggi, A., Torri, G. Alkaline N-deacetylation of chitin enhanced by flash treatments. Reaction kinetics and structure modifications. Carbohydrate Polymers. 12 (4), 405-418 (1990).
- Scherrer, P. Determination of the size and the internal structure of colloidal particles by means of X-rays. News from the Society of Sciences in Göttingen, Mathematical- Physical Class. 2, 98-100 (1918).
- Brunauer, S., Emmett, P. H., Teller, E. Adsorption of gases in multimolecular layers. Journal of the American Chemical Society. 60 (2), 309-319 (1938).
- Sing, K. S. W. Adsorption methods for the characterization of porous materials. Advances in Colloid and Interface Science. 76-77, 3-11 (1998).
- Rouquerol, J., Llewellyn, P., Rouquerol, F. Is the bet equation applicable to microporous adsorbents. Studies in Surface Science and Catalysis. 160, 49-56 (2007).
- Vorokh, A. S. Scherrer formula: estimation of error in determining small nanoparticle size. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. , 364-369 (2018).
- Labidi, A., Salaberria, A. M., Fernandes, S. C. M., Labidi, J., Abderrabba, M. Adsorption of copper on chitin-based materials: Kinetic and thermodynamic studies. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 65, 140-148 (2016).
- Tian, M., Zhao, T. Q., Chin, P. L., Liu, B. S., Cheung, A. S. -. C. Methane and propane co-conversion study over zinc, molybdenum and gallium modified HZSM-5 catalysts using time-of-flight mass-spectrometry. Chemical Physics Letters. 592, 36-40 (2014).
