Preparazione di schiume di chitina espansa e loro uso nella rimozione del rame acquoso

Summary

Questo studio descrive un metodo per espandere la chitina in una schiuma con tecniche chimiche che non richiedono attrezzature specializzate.

Abstract

La chitina è un biopolimero sottosfloso, naturalmente abbondante, meccanicamente robusto e chimicamente resistente. Queste qualità sono desiderabili in un adsorbente, ma la chitina manca della superficie specifica necessaria e la sua modifica comporta tecniche e attrezzature specializzate. Qui è descritta una nuova procedura chimica per espandere i fiocchi di chitina, derivati dai rifiuti di guscio di gamberetti, in schiume con una superficie più elevata. Il processo si basa sull’evoluzione del gas H₂ dalla reazione dell’acqua con NaH intrappolato in un gel di chitina. Il metodo di preparazione non richiede attrezzature specializzate. La diffrazione a raggi X in polvere e la fisisorbimento N₂indicano che la dimensione della cristallite diminuisce da 6,6 nm a 4,4 nm e la superficie specifica aumenta da 12,6 ± 2,1 m²/g a 73,9 ± 0,2 m²/g. Tuttavia, la spettroscopia infrarossa e l’analisi termogravimetrica indicano che il processo non modifica l’identità chimica della chitina. La capacità specifica di adsorbimento di Cu della chitina espansa aumenta in proporzione alla superficie specifica da 13,8 ± 2,9 mg/g a 73,1 ± 2,0 mg/g. Tuttavia, la capacità di adsorbimento del Cu come densità superficiale rimane relativamente costante ad una media di 10,1 ± 0,8 atomi / nm², il che suggerisce ancora una volta nessun cambiamento nell’identità chimica della chitina. Questo metodo offre i mezzi per trasformare la chitina in un materiale di superficie più elevata senza sacrificare le sue proprietà desiderabili. Sebbene la schiuma di chitina sia descritta qui come un adsorbente, può essere immaginata come un supporto catalizzatore, isolante termico e materiale strutturale.

Introduction

La chitina è un biopolimero meccanicamente robusto e chimicamente inerte, secondo solo alla cellulosa in abbondanza naturale¹. È il componente principale nell’esoscheletro degli artropodi e nelle pareti cellulari di funghi e lieviti². La chitina è simile alla cellulosa, ma con un gruppo ossidrile di ciascun monomero sostituito con un gruppo acetil amminico (Figura 1A,B). Questa differenza aumenta la forza del legame idrogeno tra catene polimeriche adiacenti e conferisce alla chitina la sua caratteristica resilienza strutturale e inerzia chimica^2,3. Grazie alle sue proprietà e all’abbondanza, la chitina ha attirato un significativo interesse industriale e accademico. È stato studiato come impalcatura per la crescita tissutale^4,5,6,come componente in materiali compositi^7,8,9,10,11,e come supporto per adsorbenti e catalizzatori^11,12,13,14. La sua stabilità chimica, in particolare, rende la chitina attraente per applicazioni di adsorbimento che comportano condizioni inospitali per i comuni adsorbenti¹⁴. Inoltre, l’abbondanza di gruppi amminici rende la chitina un efficace adsorbente per gli ioni metallici¹⁵. Tuttavia, la protonazione dei gruppi amminici in condizioni acide riduce la capacità di adsorbimento del metallo della chitina¹⁶. Una strategia di successo è quella di introdurre siti di adsorbimento più resistenti alla protonazione^17,18. Invece, qui è descritto un metodo semplice per aumentare la superficie specifica e, quindi, il numero di siti di adsorbimento in chitina.

Figura 1. Struttura chimica. (A) cellulosa, (B) chitina, (C) chitosano. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nonostante i suoi numerosi usi potenziali, la chitina è sottoutilizzata. La lavorazione della chitina è impegnativa a causa della sua bassa solubilità nella maggior parte dei solventi. Una limitazione chiave al suo uso in catalisi e adsorbimento è la sua bassa superficie specifica. Mentre i tipici supporti di carbonio e ossido metallico hanno superfici specifiche nell’ordine^{10 2-10 3} m²/ g, i fiocchi di chitina commerciali hanno superfici nell’ordine di 10 m²/ g^19,20,21. Esistono metodi per espandere la chitina in schiume, ma invariabilmente si basano su alte temperature e pressioni, acidi e basi forti o apparecchiature specializzate che rappresentano una barriera all’ingresso significativa^{5,21,22,23,24,25.} Inoltre, questi metodi tendono a deacetilare la chitina per formare il chitosano (Figura 1C) – un biopolimero più solubile e reattivo^5,25,26.

Qui, viene descritto un metodo per espandere la chitina in schiume solide, aumentare la sua superficie specifica e la capacità di adsorbimento e mantenere la sua integrità chimica. Il metodo si basa sulla rapida evoluzione del gas dall’interno di un gel di chitina e non richiede attrezzature specializzate. L’aumento della capacità di adsorbimento della chitina espansa è dimostrato con Cu²⁺acquoso – un contaminante comune nelle acque sotterranee locali²⁶.

	Unità	Fiocco pulito	Schiuma cotta	Schiuma liofilizzata
Cristallinità	%	88	74	58
Dimensione del cristallo	Nm	6.5	4.4	4.4
Superficie	m2/g	12.6 ± 2.1	43,1 ± 0,2	73,9 ± 0,2
Assorbimento di Cu	mg/g	13.8 ± 2.9	48,6 ± 1,9	73,1 ± 2,0
Assorbimento di Cu	atomo/nm2	10,5 ± 2,8	10,7 ± 0,4	9,4 ± 0,3

Tabella 1. Riepilogo delle proprietà del materiale. Le schiume di chitina hanno una cristallinità e una dimensione del cristallo inferiori rispetto ai fiocchi di chitina puliti. Tuttavia, la superficie specifica e l’assorbimento di Cu delle schiume di chitina sono proporzionalmente superiori a quelli dei fiocchi di chitina puliti.

Protocol

1. Preparazione della chitina espansa Preparare una soluzione da 250 ml di LiCl al 5% in peso in dimetilacetammide (DMAc)ATTENZIONE: Il solvente DMAc è un irritante combustibile che può danneggiare la fertilità e causare difetti alla nascita. Maneggiare dmAc in una cappa aspirante utilizzando guanti e occhiali resistenti alle sostanze chimiche per evitare il contatto con la pelle e gli occhi. Aggiungere 15 g di LiCl e 285 g (268 mL) di DMAc in un matraccio Erlenmeyer da 500 ml con, quindi posizio…

Representative Results

La chitina espansa mostra la stessa morfologia indipendentemente dal metodo di essiccazione. La Figura 3 mostra immagini di fiocchi di chitina pulita (Figura 3A1), chitina espansa essiccata al forno (Figura 3B1) e chitina espansa liofilizzata (Figura 3C3). Mentre i fiocchi puliti hanno l’aspetto di sabbia grossolana, la schiuma di chitina espansa ha l’aspetto di un chicco di popped corn. Le microgr…

Discussion

Il metodo proposto per la fabbricazione della schiuma di chitina consente la produzione di tali schiume senza la necessità di attrezzature o tecniche specializzate. La produzione della schiuma di chitina si basa sulla sospensione di idruro di sodio all’interno di un sol-gel di chitina. Il contatto con l’acqua proveniente dall’atmosfera induce la gelificazione della matrice chitina e l’evoluzione dell’idrogeno gassoso per decomposizione dell’idruro di sodio. Pertanto, le fasi critiche della preparazione sono (1) la forma…

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