Herstellung von expandierten Chitinschäumen und deren Verwendung bei der Entfernung von bässrigem Kupfer

Summary

Diese Studie beschreibt eine Methode, um Chitin durch chemische Techniken, die keine spezielle Ausrüstung erfordern, zu einem Schaum zu erweitern.

Abstract

Chitin ist ein wenig genutztes, natürlich reichlich vorhandenes, mechanisch robustes und chemisch beständiges Biopolymer. Diese Eigenschaften sind in einem Adsorbens wünschenswert, aber Chitin fehlt die notwendige spezifische Oberfläche, und seine Modifikation erfordert spezielle Techniken und Ausrüstung. Hierin wird ein neuartiges chemisches Verfahren zur Ausdehnung von Chitinflocken, die aus Garnelenschalenabfällen gewonnen werden, zu Schäumen mit höherer Oberfläche beschrieben. Der Prozess beruht auf der Entwicklung von_H2-Gas aus der Reaktion von Wasser mit NaH, das in einem Chitingel eingeschlossen ist. Die Zubereitungsmethode erfordert keine spezielle Ausrüstung. Pulverröntgenbeugung undN2-Physisorption deuten darauf hin, dass die Kristallitgröße von 6,6 nm auf 4,4 nm abnimmt und die spezifische Oberfläche von 12,6 ± 2,1^m2/gauf 73,9 ± 0,2^m2/gzunimmt. Infrarotspektroskopie und thermogravimetrische Analysen zeigen jedoch, dass der Prozess die chemische Identität des Chitins nicht verändert. Die spezifische Cu-Adsorptionskapazität des expandierten Chitins erhöht sich proportional zur spezifischen Oberfläche von 13,8 ± 2,9 mg/g auf 73,1 ± 2,0 mg/g. Die Cu-Adsorptionskapazität als Oberflächendichte bleibt jedoch relativ konstant bei durchschnittlich 10,1 ±0,8 Atom/nm2 , was wiederum auf keine Veränderung der chemischen Identität des Chitins hindeutet. Diese Methode bietet die Möglichkeit, Chitin in ein Material mit höherer Oberfläche umzuwandeln, ohne seine wünschenswerten Eigenschaften zu beeinträchtigen. Obwohl der Chitinschaum hier als Adsorbens beschrieben wird, kann man ihn sich als Katalysatorträger, Wärmeisolator und Strukturmaterial vorstellen.

Introduction

Chitin ist ein mechanisch robustes und chemisch inertes Biopolymer, das nach Cellulose in natürlicher Häufigkeit an zweiter Stelle^{steht 1}. Es ist der Hauptbestandteil im Exoskelett von Arthropoden und in den Zellwänden von Pilzen und Hefen². Chitin ist ähnlich wie Cellulose, jedoch mit einer Hydroxylgruppe jedes Monomers, die durch eine Acetylamingruppe ersetzt wird (Abbildung 1A, B). Dieser Unterschied erhöht die Festigkeit der Wasserstoffbindung zwischen benachbarten Polymerketten und verleiht Chitin seine charakteristische strukturelle Elastizität und chemische Inertheit^2,3. Aufgrund seiner Eigenschaften und seines Reichtums hat Chitin ein erhebliches industrielles und akademisches Interesse geweckt. Es wurde als Gerüst für das Gewebewachstum⁴,^5,6, als Komponente in^{Verbundwerkstoffen 7,8}, 9^,10,11und als Unterstützung für Adsorbentien und Katalysatoren^{11 , 12,13,14}untersucht. Insbesondere seine chemische Stabilität macht Chitin attraktiv für Adsorptionsanwendungen, die Bedingungen beinhalten, die für gängige Adsorbentien unwirtlich sind¹⁴. Darüber hinaus macht die Fülle von Amingruppen Chitin zu einem wirksamen Adsorbens für Metallionen¹⁵. Die Protonierung der Amingruppen unter sauren Bedingungen reduziert jedoch die Metalladsorptionskapazität von Chitin¹⁶. Eine erfolgreiche Strategie besteht darin, Adsorptionsstellen einzuführen, die resistenter gegen Protonierung^{sind 17,18}. Stattdessen wird hierin eine einfache Methode beschrieben, um die spezifische Oberfläche und damit die Anzahl der Adsorptionsstellen in Chitin zu erhöhen.

Abbildung 1. Chemische Struktur. A) Cellulose, (B) Chitin, (C) Chitosan. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Trotz seiner vielen möglichen Anwendungen wird Chitin nicht ausreichend genutzt. Die Chitinverarbeitung ist aufgrund seiner geringen Löslichkeit in den meisten Lösungsmitteln eine Herausforderung. Eine wesentliche Einschränkung seiner Verwendung in der Katalyse und Adsorption ist seine geringe spezifische Oberfläche. Während typische Kohlenstoff- und Metalloxidstützen spezifische Oberflächen in der Größenordnung 10²-10³ m²/g aufweisen, haben handelsübliche Chitinflocken Oberflächen in der Größenordnung von 10^m2/g^19,20,21. Es gibt Methoden, um Chitin zu Schäumen zu erweitern, aber sie beruhen ausnahmslos auf hohen Temperaturen und Drücken, starken Säuren und Basen oder speziellen Geräten, die eine signifikante Eintrittsbarriere darstellen^{5,21,22,23,24,25}. Darüber hinaus neigen diese Methoden dazu, Chitin zu deacetylieren, um Chitosan zu bilden(Abbildung 1C)– ein löslicheres und reaktiveres Biopolymer^5,25,26.

Hierin wird ein Verfahren beschrieben, um Chitin zu festen Schäumen zu erweitern, seine spezifische Oberfläche und Adsorptionskapazität zu erhöhen und seine chemische Integrität zu erhalten. Die Methode beruht auf der schnellen Entwicklung von Gas aus einem Chitingel und erfordert keine spezielle Ausrüstung. Die erhöhte Adsorptionskapazität des expandierten Chitins wird mit wässrigem Cu²⁺nachgewiesen – einer häufigen Verunreinigung im lokalen Grundwasser²⁶.

	Einheit	Ordentliche Flocke	Gebackener Schaum	Lyophilisierten Schaum
Kristallinität	%	88	74	58
Kristallgröße	Nm	6.5	4.4	4.4
Oberfläche	m2/g	12.6 ± 2.1	43,1 ± 0,2	73,9 ± 0,2
Cu Aufnahme	mg/g	13,8 ± 2,9	48,6 ± 1,9	73,1 ± 2,0
Cu Aufnahme	Atom/nm2	10,5 ± 2,8	10,7 ± 0,4	9,4 ± 0,3

Tabelle 1. Zusammenfassung der Materialeigenschaften. Chitinschäume haben eine geringere Kristallinität und Kristallgröße im Vergleich zu sauberen Chitinflocken. Die spezifische Oberfläche und Cu-Aufnahme der Chitinschäume sind jedoch proportional höher als die der reinen Chitinflocken.

Protocol

1. Herstellung von expandiertem Chitin Bereiten Sie eine 250 ml Lösung von 5 Gew.-% LiCl in Dimethylacetamid (DMAc) vorACHTUNG: Das Lösungsmittel DMAc ist ein brennbarer Reizstoff, der die Fruchtbarkeit schädigen und Geburtsfehler verursachen kann. Behandeln Sie DMAc in einem Abzug mit chemikalienbeständigen Handschuhen und Schutzbrillen, um den Kontakt mit Haut und Augen zu vermeiden. 15 g LiCl und 285 g (268 ml) DMAc in einen 500 mL Erlenmeyerkolben mit 50 mm Polytetrafluorethylen (PTFE) auskl…

Representative Results

Expandiertes Chitin zeigt unabhängig von der Trocknungsmethode die gleiche Morphologie. Abbildung 3 zeigt Bilder von sauberen Chitinflocken (Abbildung 3A1), ofengetrocknetem expandiertem Chitin (Abbildung 3B1) und lyophilisiertem expandiertem Chitin (Abbildung 3C3). Während die ordentlichen Flocken das Aussehen von grobem Sand haben, hat der expandierte Chitinschaum das Aussehen eines Kerns aus g…

Discussion

Die vorgeschlagene Methode zur Herstellung von Chitinschaum ermöglicht die Herstellung solcher Schäume, ohne dass spezielle Geräte oder Techniken erforderlich sind. Die Herstellung des Chitinschaums beruht auf der Suspension von Natriumhydrid in einem Chitin-Sol-Gel. Der Kontakt mit Wasser aus der Atmosphäre induziert die Gelierung der Chitinmatrix und die Entwicklung von Wasserstoffgas durch Zersetzung des Natriumhydrids. Daher sind die kritischen Schritte der Zubereitung (1) die Bildung des Sol-Gels, (2) die Einfü…

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