Bereiding van geëxpandeerde chitineschuimen en hun gebruik bij het verwijderen van waterig koper

Summary

Deze studie beschrijft een methode om chitine uit te breiden tot een schuim door chemische technieken die geen gespecialiseerde apparatuur vereisen.

Abstract

Chitine is een onderbenut, van nature overvloedig, mechanisch robuust en chemisch resistent biopolymeer. Deze kwaliteiten zijn wenselijk in een adsorbens, maar chitine mist het noodzakelijke specifieke oppervlak en de wijziging ervan omvat gespecialiseerde technieken en apparatuur. Hierin wordt een nieuwe chemische procedure beschreven voor het uitzetten van chitinevlokken, afgeleid van garnalenschelpafval, in schuimen met een hoger oppervlak. Het proces is gebaseerd op de evolutie van H_2-gas uit de reactie van water met NaH gevangen in een chitinegel. De bereidingswijze vereist geen gespecialiseerde apparatuur. Poeder X-ray diffractie en N₂-physisorptie geven aan dat de kristallietgrootte afneemt van 6,6 nm tot 4,4 nm en het specifieke oppervlak toeneemt van 12,6 ± 2,1 m²/g tot 73,9 ± 0,2 m²/g. Infraroodspectroscopie en thermogravimetrische analyse geven echter aan dat het proces de chemische identiteit van het chitine niet verandert. De specifieke Cu-adsorptiecapaciteit van het geëxpandeerde chitine neemt toe in verhouding tot het specifieke oppervlak van 13,8 ± 2,9 mg/g tot 73,1 ± 2,0 mg/g. De Cu-adsorptiecapaciteit als oppervlaktedichtheid blijft echter relatief constant bij een gemiddelde van 10,1 ± 0,8 atoom / nm², wat opnieuw suggereert dat er geen verandering is in de chemische identiteit van het chitine. Deze methode biedt de middelen om chitine om te zetten in een materiaal met een hoger oppervlak zonder de gewenste eigenschappen op te offeren. Hoewel het chitineschuim hier wordt beschreven als een adsorbens, kan het worden voorgesteld als een katalysatorondersteuning, thermische isolator en structureel materiaal.

Introduction

Chitine is een mechanisch robuust en chemisch inert biopolymeer, de tweede alleen voor cellulose in natuurlijke abundantie¹. Het is de belangrijkste component in het exoskelet van geleedpotigen en in de celwanden van schimmels en gist². Chitine is vergelijkbaar met cellulose, maar met één hydroxylgroep van elk monomeer vervangen door een acetylaminegroep (Figuur 1A, B). Dit verschil verhoogt de sterkte van waterstofbinding tussen aangrenzende polymeerketens en geeft chitine zijn karakteristieke structurele veerkracht en chemische inertheid^2,3. Vanwege zijn eigenschappen en overvloed heeft chitine aanzienlijke industriële en academische belangstelling aangetrokken. Het is bestudeerd als een steiger voor weefselgroei^4,5,6,als een component in composietmaterialen^7,8,9,10,11en als ondersteuning voor adsorbentia en katalysatoren^11,12,13,14. Met name de chemische stabiliteit maakt chitine aantrekkelijk voor adsorptietoepassingen waarbij aandoeningen betrokken zijn die onherbergzaam zijn voor gewone adsorbentia¹⁴. Bovendien maakt de overvloed aan aminegroepen chitine een effectief adsorbens voor metaalionen¹⁵. De protonering van de aminegroepen onder zure omstandigheden vermindert echter de metaal adsorptiecapaciteit van chitine¹⁶. Een succesvolle strategie is om adsorptieplaatsen te introduceren die beter bestand zijn tegen protonatie^17,18. In plaats daarvan wordt hierin een eenvoudige methode beschreven om het specifieke oppervlak en daarom het aantal adsorptieplaatsen in chitine te vergroten.

Figuur 1. Chemische structuur. (A) cellulose, (B) chitine, (C) chitosan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Ondanks de vele potentiële toepassingen, chitine wordt onderbenut. Chitineverwerking is een uitdaging vanwege de lage oplosbaarheid in de meeste oplosmiddelen. Een belangrijke beperking voor het gebruik ervan bij katalyse en adsorptie is het lage specifieke oppervlak. Terwijl typische koolstof- en metaaloxidesteunen specifieke oppervlakken hebben in de orde van 10²-10³ m²/ g, hebben commerciële chitinevlokken oppervlakten in de orde van grootte van 10 m²/ g^19,20,21. Er bestaan methoden om chitine uit te breiden tot schuimen, maar ze zijn steevast afhankelijk van hoge temperatuur en druk, sterke zuren en basen, of gespecialiseerde apparatuur die een belangrijke toegangsdrempel^{5,21,22,23,24,25}vertegenwoordigt. Bovendien hebben deze methoden de neiging om chitine te deacetyleren om chitosan te vormen (Figuur 1C) – een meer oplosbaar en reactief biopolymeer^5,25,26.

Hierin wordt een methode beschreven om chitine uit te breiden tot vaste schuimen, het specifieke oppervlak en de adsorptiecapaciteit te vergroten en de chemische integriteit te behouden. De methode is gebaseerd op de snelle evolutie van gas vanuit een chitinegel en vereist geen gespecialiseerde apparatuur. De verhoogde adsorptiecapaciteit van het geëxpandeerde chitine wordt aangetoond met waterige Cu²⁺-een veel voorkomende verontreiniging in het lokale grondwater²⁶.

	Eenheid	Nette Flake	Gebakken schuim	Gelyofiliseerd schuim
Kristalliniteit	%	88	74	58
Kristal grootte	Nm	6.5	4.4	4.4
Oppervlakte	m2/g	12,6 ± 2,1	43,1 ± 0,2	73,9 ± 0,2
Cu Opname	mg/g	13,8 ± 2,9	48,6 ± 1,9	73,1 ± 2,0
Cu Opname	atoom/nm2	10,5 ± 2,8	10,7 ± 0,4	9,4 ± 0,3

Tabel 1. Samenvatting van de materiaaleigenschappen. Chitineschuimen hebben een lagere kristalliniteit en kristalgrootte in vergelijking met nette chitinevlokken. Het specifieke oppervlak en de Cu-opname van de chitineschuimen zijn echter verhoudingsgewijs hoger dan die van de nette chitinevlokken.

Protocol

1. Bereiding van geëxpandeerd chitine Bereid een 250 ml oplossing van 5 wt% LiCl in dimethylacetamide (DMAc)LET OP: Het oplosmiddel DMAc is een brandbare irriterende stof die de vruchtbaarheid kan beschadigen en geboorteafwijkingen kan veroorzaken. Behandel DMAc in een zuurkast met chemicaliënbestendige handschoenen en brillen om contact met huid en ogen te voorkomen. Voeg 15 g LiCl en 285 g (268 ml) DMAc toe aan een Erlenmeyer van 500 ml en plaats vervolgens een met polytetrafluorethyleen (PTFE) …

Representative Results

Geëxpandeerd chitine vertoont dezelfde morfologie, ongeacht de droogmethode. Figuur 3 toont afbeeldingen van nette chitinevlokken (figuur 3A1), ovengedroogd geëxpandeerd chitine (figuur 3B1) en lyofiliseerd geëxpandeerd chitine (figuur 3C3). Terwijl de nette vlokken het uiterlijk van grof zand hebben, heeft het geëxpandeerde chitineschuim het uiterlijk van een korrel van gesprongen maïs. Scann…

Discussion

De voorgestelde methode voor de fabricage van chitineschuim maakt de productie van dergelijke schuimen mogelijk zonder de noodzaak van gespecialiseerde apparatuur of technieken. De productie van het chitineschuim is afhankelijk van de suspensie van natriumhydride in een chitine sol-gel. Contact met water uit de atmosfeer induceert geleer van de chitinematrix en evolutie van waterstofgas door ontbinding van het natriumhydride. Daarom zijn de kritische stappen van het preparaat (1) vorming van de sol-gel, (2) introductie v…

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