Preparación de espumas de quitina expandidas y su uso en la eliminación de cobre acuoso

Summary

Este estudio describe un método para expandir la quitina en una espuma mediante técnicas químicas que no requieren equipo especializado.

Abstract

La quitina es un biopolímero subexplotado, naturalmente abundante, mecánicamente robusto y químicamente resistente. Estas cualidades son deseables en un adsorbente, pero la quitina carece del área de superficie específica necesaria, y su modificación implica técnicas y equipos especializados. Aquí se describe un nuevo procedimiento químico para expandir las escamas de quitina, derivadas de los desechos de la cáscara del camarón, en espumas con mayor área de superficie. El proceso se basa en la evolución del gas H₂ a partir de la reacción del agua con NaH atrapado en un gel de quitina. El método de preparación no requiere equipo especializado. La difracción de rayos X en polvo y la fisisorción_{de N 2}indican que el tamaño de la cristalita disminuye de 6,6 nm a 4,4 nm y el área de superficie específica aumenta de 12,6 ± 2,1 m²/ g a 73,9 ± 0,2 m²/ g. Sin embargo, la espectroscopia infrarroja y el análisis termogravimétrico indican que el proceso no cambia la identidad química de la quitina. La capacidad específica de adsorción de Cu de la quitina expandida aumenta en proporción a la superficie específica de 13,8 ± 2,9 mg/g a 73,1 ± 2,0 mg/g. Sin embargo, la capacidad de adsorción de Cu como densidad superficial permanece relativamente constante a un promedio de 10,1 ± 0,8 átomos/nm^2,lo que nuevamente sugiere que no hay cambios en la identidad química de la quitina. Este método ofrece los medios para transformar la quitina en un material de mayor área de superficie sin sacrificar sus propiedades deseables. Aunque la espuma de quitina se describe aquí como un adsorbente, se puede imaginar como un soporte de catalizador, aislante térmico y material estructural.

Introduction

La quitina es un biopolímero mecánicamente robusto y químicamente inerte, solo superado por la celulosa en abundancia natural¹. Es el componente principal en el exoesqueleto de artrópodos y en las paredes celulares de hongos y levaduras². La quitina es similar a la celulosa, pero con un grupo hidroxilo de cada monómero reemplazado por un grupo acetil amina(Figura 1A,B). Esta diferencia aumenta la resistencia del enlace de hidrógeno entre las cadenas de polímeros adyacentes y le da a la quitina su resistencia estructural característica y su inercia química^2,3. Debido a sus propiedades y abundancia, la quitina ha atraído un importante interés industrial y académico. Se ha estudiado como andamio para el crecimiento tisular^4,5,6,como componente en materiales compuestos^7,8,9,10,11,y como soporte para adsorbentes y catalizadores^11,12,13,14. Su estabilidad química, en particular, hace que la quitina sea atractiva para aplicaciones de adsorción que implican condiciones inhóspitas para los adsorbentes comunes¹⁴. Además, la abundancia de grupos amina hacen de la quitina un adsorbente eficaz para los iones metálicos¹⁵. Sin embargo, la protonación de los grupos amina en condiciones ácidas reduce la capacidad de adsorción metálica de la quitina¹⁶. Una estrategia exitosa es introducir sitios de adsorción más resistentes a la protonación^17,18. En su lugar, aquí se describe un método simple para aumentar el área de superficie específica y, por lo tanto, el número de sitios de adsorción en quitina.

Figura 1. Estructura química. (A) celulosa, (B) quitina, (C) quitosano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

A pesar de sus muchos usos potenciales, la quitina está subutilizada. El procesamiento de quitina es un desafío debido a su baja solubilidad en la mayoría de los solventes. Una limitación clave para su uso en catálisis y adsorción es su baja área de superficie específica. Mientras que los soportes típicos de carbono y óxido metálico tienen áreas de superficie específicas en el orden^{10 2-10 3} m²/ g, las escamas comerciales de quitina tienen áreas de superficie del orden de 10 m²/ g^19,20,21. Existen métodos para expandir la quitina en espumas, pero invariablemente se basan en altas temperaturas y presiones, ácidos y bases fuertes, o equipos especializados que representan una barrera de entrada significativa^{5,21,22,23,24,25.} Además, estos métodos tienden a desacetilatar quitina para formar quitosano(Figura 1C),un biopolímero más soluble y reactivo^5,25,26.

Aquí, se describe un método para expandir la quitina en espumas sólidas, aumentar su área de superficie específica y capacidad de adsorción, y mantener su integridad química. El método se basa en la rápida evolución del gas desde el interior de un gel de quitina y no requiere equipo especializado. El aumento de la capacidad de adsorción de la quitina expandida se demuestra con Cu²⁺acuoso -un contaminante común en el agua subterránea local²⁶.

	Unidad	Escama ordenada	Espuma al horno	Espuma liofilizada
Cristalinidad	%	88	74	58
Tamaño del cristal	Nm	6.5	4.4	4.4
Superficie	m2/g	12,6 ± 2,1	43,1 ± 0,2	73,9 ± 0,2
Captación de Cu	mg/g	13,8 ± 2,9	48,6 ± 1,9	73,1 ± 2,0
Captación de Cu	átomo/nm2	10,5 ± 2,8	10,7 ± 0,4	9,4 ± 0,3

Tabla 1. Resumen de las propiedades del material. Las espumas de quitina tienen una cristalinidad y un tamaño de cristal más bajos en relación con las escamas de quitina ordenadas. Sin embargo, el área de superficie específica y la absorción de Cu de las espumas de quitina son proporcionalmente más altas que la de las escamas de quitina ordenadas.

Protocol

1. Preparación de quitina expandida Preparar una solución de 250 ml de LiCl al 5% en peso en dimetilacetamida (DMAc)PRECAUCIÓN: El disolvente DMAc es un irritante combustible que puede dañar la fertilidad y causar defectos de nacimiento. Manipule DMAc en una campana extractora con guantes y gafas resistentes a los productos químicos para evitar el contacto con la piel y los ojos. Agregue 15 g de LiCl y 285 g (268 ml) de DMAc en un matraz Erlenmeyer de 500 ml, luego coloque una barra de agitaci?…

Representative Results

La quitina expandida muestra la misma morfología independientemente del método de secado. La Figura 3 muestra imágenes de escamas de quitina ordenadas (Figura 3A1), quitina expandida seca al horno (Figura 3B1) y quitina expandida liofilizada (Figura 3C3). Mientras que los copos limpios tienen la apariencia de arena gruesa, la espuma de quitina expandida tiene la apariencia de un grano de maíz r…

Discussion

El método propuesto para la fabricación de espuma de quitina permite la producción de tales espumas sin la necesidad de equipos o técnicas especializadas. La producción de la espuma de quitina se basa en la suspensión de hidruro de sodio dentro de un sol-gel de quitina. El contacto con el agua de la atmósfera induce la gelificación de la matriz de quitina y la evolución del gas hidrógeno por descomposición del hidruro de sodio. Por lo tanto, los pasos críticos de la preparación son (1) la formación del sol-…

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