إعداد رغاوي تشيتين الموسعة واستخدامها في إزالة النحاس المائي
Summary
تصف هذه الدراسة طريقة لتوسيع الكيتين إلى رغوة بواسطة التقنيات الكيميائية التي لا تتطلب معدات متخصصة.
Abstract
تشيتين هو ناقص الاستغلال، وفيرة بشكل طبيعي، قوية ميكانيكيا، ومقاومة كيميائيا البوليمر الحيوي. هذه الصفات مرغوبة في المواد الماصة ، ولكن التشيتين يفتقر إلى المساحة السطحية المحددة اللازمة ، ويشمل تعديله تقنيات ومعدات متخصصة. هنا يوصف إجراء كيميائي جديد لتوسيع رقائق الكيتين ، المستمدة من نفايات قشرة الروبيان ، إلى رغاوي ذات مساحة سطحية أعلى. تعتمد العملية على تطور غاز H2 من تفاعل الماء مع NaH المحاصرين في هلام تشيتين. طريقة التحضير لا تتطلب معدات متخصصة. يشير حيود الأشعة السينية المسحوق و N2-physisorption إلى أن حجم البلورات ينخفض من 6.6 نانومتر إلى 4.4 نانومتر وتزداد المساحة السطحية المحددة من 12.6 ± 2.1 متر2/ جم إلى 73.9 ± 0.2 متر2/ جم. ومع ذلك، التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والتحليل الحراري تشير إلى أن العملية لا تغير الهوية الكيميائية للتشيتين. زيادة قدرة الامتزاز Cu محددة من الكيتين الموسعة في نسبة إلى مساحة سطح محددة من 13.8 ± 2.9 ملغ / غرام إلى 73.1 ± 2.0 ملغ / غرام. ومع ذلك ، فإن قدرة الامتزاز Cu ككثافة سطحية لا تزال ثابتة نسبيا بمعدل 10.1 ± 0.8 ذرة / نانومتر2، مما يشير مرة أخرى إلى عدم حدوث أي تغيير في الهوية الكيميائية للكيتين. توفر هذه الطريقة وسائل لتحويل الكيتين إلى مادة أعلى مساحة السطح دون التضحية خصائصه المرغوبة. على الرغم من أن رغوة التشيتين توصف هنا بأنها مادة ماصة ، إلا أنه يمكن تصورها كدعم محفز ، عازل حراري ، ومواد هيكلية.
Introduction
تشيتين هو البوليمر الحيوي قوية ميكانيكيا والمواد الكيميائية الخاملة، والثانية بعد السليلوز في وفرة الطبيعية1. وهو العنصر الرئيسي في الهيكل الخارجي للمفصليات وفي جدران الخلية من الفطريات والخميرة2. تشيتين يشبه السليلوز، ولكن مع مجموعة هيدروكسيل واحدة من كل مونومر استبدالها مع مجموعة أمين أسيتيل(الشكل 1A،B). هذا الفرق يزيد من قوة الترابط الهيدروجين بين سلاسل البوليمر المجاورة ويعطي تشيتين مرونتها الهيكلية المميزة وقصور الكيميائية2،3. نظرا لخصائصه ووفرة، وقد اجتذب تشيتين اهتماما صناعيا وأكاديميا كبيرا. وقد درس كبقالة لنمو الأنسجة4،5،6، كمكون في المواد المركبة7،8،9،10،11، وكدعم للممتزات والمحفزات11،12،13،14. استقرارها الكيميائي، على وجه الخصوص، يجعل الكيتين جذابة لتطبيقات الامتزاز التي تنطوي على ظروف غير مضيافة للممتزات الشائعة14. وبالإضافة إلى ذلك، وفرة من مجموعات الأمين جعل الكيتين الممتزات فعالة لأيونات معدنية15. ومع ذلك ، فإن بروتونات مجموعات الأمين في ظل ظروف حمضية تقلل من قدرة الامتزاز المعدني للكيتين16. استراتيجية ناجحة هي إدخال مواقع الامتزاز أكثر مقاومة للبروتونات17،18. بدلا من ذلك ، يتم وصف هذه الطريقة البسيطة لزيادة مساحة سطح محددة ، وبالتالي ، عدد مواقع الامتزاز في التشيتين.
الشكل 1. التركيب الكيميائي. (أ) السليلوز، (ب) تشيتين، (ج) chitosan. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
على الرغم من استخداماته المحتملة العديدة ، فإن الكيتين غير مستغل بشكل صحيح. معالجة تشيتين صعبة بسبب قابليتها للذوبان منخفضة في معظم المذيبات. أحد القيود الرئيسية لاستخدامه في الحفز وامتزاز هو مساحة سطحه منخفضة محددة. في حين أن الكربون النموذجي وأكسيد المعادن يدعم لها مساحات سطحية محددة في النظام 102-103 م2/ ز، رقائق تشيتين التجارية لديها مساحات سطحية في ترتيب 10 م2/ ز19،20،21. طرق لتوسيع الكيتين في الرغاوي موجودة، لكنها تعتمد دائما على ارتفاع درجة الحرارة والضغط، والأحماض القوية والقواعد، أو المعدات المتخصصة التي تمثل حاجز دخول كبير5،21،22،23،24،25. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الأساليب تميل إلى إزالة الكوليسترول تشيتين لتشكيل الشيتوزان (الشكل 1C)-A البوليمر الحيوي أكثر قابلة للذوبان والتفاعل5،25،26.
هنا، يوصف طريقة لتوسيع الكيتين إلى رغاوي صلبة، وزيادة مساحة سطح محددة والقدرة على الامتزاز، والحفاظ على سلامتها الكيميائية. تعتمد الطريقة على التطور السريع للغاز من داخل هلام الكيتين ولا تتطلب معدات متخصصة. ويتجلى زيادة القدرة على الامتزاز من تشيتين الموسعة مع Cu2 +مائي – ملوث شائع في المياه الجوفية المحلية26.
| وحدة | أنيق فليك | رغوة مخبوزة | رغوة الليوفيلي | |
| كريستاللينيتي | % | 88 | 74 | 58 |
| حجم الكريستال | نانومتر | 6.5 | 4.4 | 4.4 |
| المساحه | m2/g | 12.6 ± 2.1 | 43.1 ± 0.2 | 73.9 ± 0.2 |
| كو امتصاص | ملغم/غرام | 13.8 ± 2.9 | 48.6 ± 1.9 | 73.1 ± 2.0 |
| كو امتصاص | ذرة/ نانومتر2 | 10.5 ± 2.8 | 10.7 ± 0.4 | 9.4 ± 0.3 |
الجدول 1 – الجداول ملخص خصائص المواد. رغاوي تشيتين لديها بلورة أقل وحجم الكريستال بالنسبة رقائق تشيتين أنيق. ومع ذلك ، فإن مساحة السطح المحددة وإقبال Cu على رغاوي الكيتين أعلى نسبيا من رقائق الكيتين الأنيقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
الطريقة المقترحة لتصنيع رغوة الشيتين تسمح بإنتاج هذه الرغاوي دون الحاجة إلى معدات أو تقنيات متخصصة. إنتاج رغوة الكيتين يعتمد على تعليق هيدريد الصوديوم داخل تشيتين سول هلام. الاتصال بالماء من الغلاف الجوي يحفز التبلور من مصفوفة التشيتين وتطور غاز الهيدروجين عن طريق تحلل هيدريد الصوديوم. ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد أشرف على البحث مختبر بحوث الجيش التابع لقيادة تطوير القدرات القتالية (الاتفاق التعاوني رقم W911NF-15-2-0020). أي آراء أو نتائج أو استنتاجات أو توصيات يتم التعبير عنها في هذه المواد هي آراء المؤلفين ولا تعكس بالضرورة وجهات نظر مختبر أبحاث الجيش.
نشكر مركز معالجة المواد المتقدمة (CAMP) في جامعة مونتانا التكنولوجية على استخدام بعض المعدات المتخصصة المطلوبة في هذه الدراسة. كما نشكر غاري ويس ونانسي أوير وريك لادوكور وجون كيرتلي وكاثرين زودرو على المساعدة التقنية والمناقشات المفيدة.
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 |
Referências
- Rinaudo, M. Chitin and chitosan: Properties and applications. Progress in Polymer Science. 31 (7), 603-632 (2006).
- Percot, A., Viton, C., Domard, A. Optimization of chitin extraction from shrimp shells. Biomacromolecules. 4 (1), 12-18 (2003).
- Austin, P. R. Chitin solvents and solubility parameters. Chitin, Chitosan, and Related Enzymes. , 227-237 (1984).
- Deepthi, S., Venkatesan, J., Kim, S. K., Bumgardner, J. D., Jayakumar, R. An overview of chitin or chitosan/nano ceramic composite scaffolds for bone tissue engineering. International Journal of Biological Macromolecules. 93, 1338-1353 (2016).
- Tao, F., et al. Applications of chitin and chitosan nanofibers in bone regenerative engineering. Carbohydrate Polymers. 230, 115658 (2020).
- Zhao, L., et al. Regulation of the morphological and physical properties of a soft tissue scaffold by manipulating DD and DS of O-carboxymethyl chitin. ACS Applied Bio Materials. 3 (9), 6187-6195 (2020).
- Duan, Y., Freyburger, A., Kunz, W., Zollfrank, C. Cellulose and chitin composite materials from an ionic liquid and a green co-solvent. Carbohydrate Polymers. 192, 159-165 (2018).
- Kadokawa, J., Takegawa, A., Mine, S., Prasad, K. Preparation of chitin nanowhiskers using an ionic liquid and their composite materials with poly(vinyl alcohol). Carbohydrate Polymers. 84 (4), 1408-1412 (2011).
- Chen, Z., Wang, J., Qi, H. J., Wang, T., Naguib, H. E. Green and sustainable layered chitin-vitrimer composite with enhanced modulus, reprocessability, and smart actuator function. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 8 (40), 15168-15178 (2020).
- Zhang, Z., Lucia, L. A. Chitin-clay composite gels with enhanced thermal stability prepared in a green and facile approach. Journal of Materials Science. 56 (4), 3600-3611 (2021).
- Ahmed, M. J., Hameed, B. H., Hummadi, E. H. Review on recent progress in chitosan/chitin-carbonaceous material composites for the adsorption of water pollutants. Carbohydrate Polymers. 247, 116690 (2020).
- Matsuoka, A., et al. Hydration of nitriles to amides by a chitin-supported ruthenium catalyst. RSC Advances. 5 (16), 12152-12160 (2015).
- Wang, Y., Li, Y., Liu, S., Li, B. Fabrication of chitin microspheres and their multipurpose application as catalyst support and adsorbent. Carbohydrate Polymers. 120, 53-59 (2015).
- Anastopoulos, I., Bhatnagar, A., Bikiaris, D., Kyzas, G. Chitin Adsorbents for Toxic Metals: A Review. International Journal of Molecular Sciences. 18 (1), 114 (2017).
- Habiba, U., Afifi, A. M., Salleh, A., Ang, B. C. Chitosan/(polyvinyl alcohol)/zeolite electrospun composite nanofibrous membrane for adsorption of Cr6+, Fe3+ and Ni2+. Journal of Hazardous Materials. 322, 182-194 (2017).
- Kim, U. J., et al. Protein adsorption of dialdehyde cellulose-crosslinked chitosan with high amino group contents. Carbohydrate Polymers. 163, 34-42 (2017).
- He, Y., et al. Fabrication of PVA nanofibers grafted with octaamino-POSS and their application in heavy metal adsorption. Journal of Polymers and the Environment. , (2020).
- Tian, H., et al. Electrospinning of polyvinyl alcohol into crosslinked nanofibers: An approach to fabricate functional adsorbent for heavy metals. Journal of Hazardous Materials. 378, (2019).
- Meille, V. Review on methods to deposit catalysts on structured surfaces. Applied Catalysis A: General. 315, 1-17 (2006).
- Dotto, G. L., Cunha, J. M., Calgaro, C. O., Tanabe, E. H., Bertuol, D. A. Surface modification of chitin using ultrasound-assisted and supercritical CO2 technologies for cobalt adsorption. Journal of Hazardous Materials. 295, 29-36 (2015).
- Phongying, S., Aiba, S., Chirachanchai, S. Direct chitosan nanoscaffold formation via chitin whiskers. Polymer. 48 (1), 393-400 (2007).
- Tan, T. S., Chin, H. Y., Tsai, M. L., Liu, C. L. Structural alterations, pore generation, and deacetylation of α- and β-chitin submitted to steam explosion. Carbohydrate Polymers. 122, 321-328 (2015).
- Chang, F. S., Chin, H. Y., Tsai, M. L. Preparation of chitin with puffing pretreatment. Research on Chemical Intermediates. 44 (8), 4939-4955 (2018).
- Goodrich, J. D., Winter, W. T. α-Chitin Nanocrystals prepared from shrimp shells and their specific surface area measurement. Biomacromolecules. 8 (1), 252-257 (2007).
- Rolandi, M., Felts, J. . Naturally sourced chitin foam. , (2020).
- McDermott, S., Hailer, M. K., Lead, J. R. Meconium identifies high levels of metals in newborns from a mining community in the U.S. Science of the Total Environment. 707, 135528 (2020).
- Hach Handbook of Water Analysis. Copper, Bicinchoninate Method, Method 8506. Hach Handbook of Water Analysis. , (1979).
- Crittenden, J. C., Trusell, R. R., Hand, D. R., Howe, K. J., Tchbanoglous, G. Adsorption. MWH’s Water Treatment. , 1117 (2012).
- Focher, B., Beltrame, P. L., Naggi, A., Torri, G. Alkaline N-deacetylation of chitin enhanced by flash treatments. Reaction kinetics and structure modifications. Carbohydrate Polymers. 12 (4), 405-418 (1990).
- Scherrer, P. Determination of the size and the internal structure of colloidal particles by means of X-rays. News from the Society of Sciences in Göttingen, Mathematical- Physical Class. 2, 98-100 (1918).
- Brunauer, S., Emmett, P. H., Teller, E. Adsorption of gases in multimolecular layers. Journal of the American Chemical Society. 60 (2), 309-319 (1938).
- Sing, K. S. W. Adsorption methods for the characterization of porous materials. Advances in Colloid and Interface Science. 76-77, 3-11 (1998).
- Rouquerol, J., Llewellyn, P., Rouquerol, F. Is the bet equation applicable to microporous adsorbents. Studies in Surface Science and Catalysis. 160, 49-56 (2007).
- Vorokh, A. S. Scherrer formula: estimation of error in determining small nanoparticle size. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. , 364-369 (2018).
- Labidi, A., Salaberria, A. M., Fernandes, S. C. M., Labidi, J., Abderrabba, M. Adsorption of copper on chitin-based materials: Kinetic and thermodynamic studies. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 65, 140-148 (2016).
- Tian, M., Zhao, T. Q., Chin, P. L., Liu, B. S., Cheung, A. S. -. C. Methane and propane co-conversion study over zinc, molybdenum and gallium modified HZSM-5 catalysts using time-of-flight mass-spectrometry. Chemical Physics Letters. 592, 36-40 (2014).
