Préparation des mousses de chitine expansée et leur utilisation dans l’élimination du cuivre aqueux

Summary

Cette étude décrit une méthode pour étendre la chitine dans une mousse par des techniques chimiques qui ne nécessitent aucun équipement spécialisé.

Abstract

La chitine est un biopolymère sous-exprité, naturellement abondant, mécaniquement robuste et chimiquement résistant. Ces qualités sont souhaitables dans un adsorbant, mais la chitine n’a pas la surface spécifique nécessaire et sa modification implique des techniques et des équipements spécialisés. On y décrit une nouvelle procédure chimique pour étendre les flocons de chitine, dérivés de déchets de coquilles de crevettes, en mousses de surface plus élevée. Le processus repose sur l’évolution du gaz_H2 à partir de la réaction de l’eau avec le NaH piégé dans un gel de chitine. La méthode de préparation ne nécessite aucun équipement spécialisé. La diffraction des rayons X de la poudre et la N2-physisorption indiquent que la taille de la cristallite diminue de 6,6 nm à 4,4 nm et que la surface spécifique augmente de 12,6 ± 2,1 m²/g à 73,9 ± 0,2 m²/g. Cependant, la spectroscopie infrarouge et l’analyse thermogravimétrique indiquent que le processus ne modifie pas l’identité chimique de la chitine. La capacité d’adsorption spécifique de Cu de la chitine expansée augmente proportionnellement à la surface spécifique de 13,8 ± 2,9 mg/g à 73,1 ± 2,0 mg/g. Cependant, la capacité d’adsorption du Cu en tant que densité de surface reste relativement constante à une moyenne de 10,1 ± 0,8 atome/nm^{2, ce}qui ne suggère à nouveau aucun changement dans l’identité chimique de la chitine. Cette méthode offre les moyens de transformer la chitine en un matériau de surface plus élevée sans sacrifier ses propriétés souhaitables. Bien que la mousse de chitine soit décrite ici comme un adsorbant, elle peut être envisagée comme un support de catalyseur, un isolant thermique et un matériau structurel.

Introduction

La chitine est un biopolymère mécaniquement robuste et chimiquement inerte, juste deprès la cellulose en abondance naturelle¹. C’est le composant majeur de l’exosquelette des arthropodes et des parois cellulaires des champignons et des levures^2. La chitine est similaire à la cellulose, mais avec un groupe hydroxyle de chaque monomère remplacé par un groupe acétylamine(Figure 1A,B). Cette différence augmente la force de liaison hydrogène entre les chaînes polymères adjacentes et donne à la chitine sa résilience structurelle caractéristique et son inertie chimique^2,3. En raison de ses propriétés et de son abondance, la chitine a suscité un intérêt industriel et académique important. Il a été étudié comme un échafaudage pour la croissance tissulaire^4,5,6, comme un composant dans les matériaux composites^7,8,9,10,11, et comme un support pour les adsorbants et les catalyseurs^11,12,13,14. Sa stabilité chimique, en particulier, rend la chitine attrayante pour les applications d’adsorption qui impliquent des conditions inhospitalières pour les adsorbants courants¹⁴. De plus, l’abondance des groupes amines fait de la chitine un adsorbant efficace pour les ions métalliques¹⁵. Cependant, la protonation des groupes amines dans des conditions acides réduit la capacité d’adsorption métallique de la chitine^16. Une stratégie réussie consiste à introduire des sites d’adsorption plus résistants à la protonation^17,18. Au lieu de cela, on décrit ici une méthode simple pour augmenter la surface spécifique et, par conséquent, le nombre de sites d’adsorption dans la chitine.

Graphique 1. Structure chimique. (A) cellulose, (B) chitine, (C) chitosane. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Malgré ses nombreuses utilisations potentielles, la chitine est sous-utilisée. Le traitement de la chitine est difficile en raison de sa faible solubilité dans la plupart des solvants. Une limitation clé de son utilisation dans la catalyse et l’adsorption est sa faible surface spécifique. Alors que les supports typiques en carbone et en oxyde métallique ont des surfaces spécifiques de l’ordre^{10 2-10 3} m²/g, les flocons de chitine commerciaux ont des surfaces de l’ordre de 10 m²/g^19,20,21. Des méthodes pour étendre la chitine en mousses existent, mais elles reposent invariablement sur des températures et des pressions élevées, des acides et des bases forts, ou des équipements spécialisés qui représentent une barrière d’entrée importante^{5,21,22,23,24,25}. De plus, ces méthodes tendent à désacétyler la chitine pour former du chitosane(Figure 1C),un biopolymère plus soluble et réactif^5,25,26.

Ici, une méthode est décrite pour étendre la chitine en mousses solides, augmenter sa surface spécifique et sa capacité d’adsorption, et maintenir son intégrité chimique. La méthode repose sur l’évolution rapide du gaz à partir d’un gel de chitine et ne nécessite aucun équipement spécialisé. L’augmentation de la capacité d’adsorption de la chitine expansée est démontrée avec le Cu²⁺aqueux – un contaminant commun dans les eaux souterraines locales²⁶.

	Unité	Flocon soigné	Mousse cuite au four	Mousse lyophilisée
Cristallinité	%	88	74	58
Taille du cristal	Nm	6.5	4.4	4.4
Surface	m2/g	12,6 ± 2,1	43,1 ± 0,2	73,9 ± 0,2
Absorption cu	mg/g	13,8 ± 2,9	48,6 ± 1,9	73,1 ± 2,0
Absorption cu	atome/nm2	10,5 ± 2,8	10,7 ± 0,4	9,4 ± 0,3

Tableau 1. Résumé des propriétés des matériaux. Les mousses de chitine ont une cristallinité et une taille de cristal plus faibles que les flocons de chitine propres. Cependant, la surface spécifique et l’absorption de Cu des mousses de chitine sont proportionnellement plus élevées que celles des flocons de chitine soignés.

Protocol

1. Préparation de la chitine expansée Préparer une solution de 250 mL de LiCl à 5 % en poids dans du diméthylacétamide (DMAc)ATTENTION : Le solvant DMAc est un irritant combustible qui peut endommager la fertilité et causer des malformations congénitales. Manipulez le DMAc dans une hotte à l’aide de gants et de lunettes résistants aux produits chimiques pour éviter tout contact avec la peau et les yeux. Ajouter 15 g de LiCl et 285 g (268 mL) de DMAc dans une fiole d’Erlenmeyer de 500 …

Representative Results

La chitine expansée présente la même morphologie quelle que soit la méthode de séchage. La figure 3 montre des images de flocons de chitine purs (Figure 3A1), de chitine expansée séchée au four (Figure 3B1) et de chitine expansée lyophilisée (Figure 3C3). Alors que les flocons soignés ont l’apparence de sable grossier, la mousse de chitine expansée a l’apparence d’un grain de maï…

Discussion

La méthode proposée pour la fabrication de mousse de chitine permet la production de telles mousses sans avoir besoin d’équipement ou de techniques spécialisés. La production de la mousse de chitine repose sur la suspension d’hydrure de sodium dans un sol-gel de chitine. Le contact avec l’eau de l’atmosphère induit la gélification de la matrice de chitine et l’évolution de l’hydrogène gazeux par décomposition de l’hydrure de sodium. Par conséquent, les étapes critiques de la préparation sont (1…

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