הכנת קצף כיטין מורחב ושימוש בהם בהסרת נחושת מימית
Summary
מחקר זה מתאר שיטה להרחיב את הכיטין לקצף על ידי טכניקות כימיות שאינן דורשות ציוד מיוחד.
Abstract
כיטין הוא ביופולימר לא מופשט, שופע באופן טבעי, חסין מכנית ועמיד כימית. תכונות אלה רצויות בפיחות, אך כיטין חסר את שטח הפנים הספציפי הדרוש, ושינויו כרוך בטכניקות וציוד מיוחדים. כאן מתואר הליך כימי חדשני להרחבת פתיתי כיטין, שמקורם בפסולת קליפת שרימפס, לקצף עם שטח פנים גבוה יותר. התהליך מסתמך על האבולוציה של גז H2 מתגובת המים עם NaH לכוד בג’ל כיטין. שיטת ההכנה אינה דורשת ציוד מיוחד. עקיפה של קרני רנטגן אבקה ו- N2-physisorption מצביעים על כך שגודל הגביש יורד מ- 6.6 ננומטר ל – 4.4 ננומטר ושטח הפנים הספציפי גדל מ- 12.6 ± 2.1 מ ‘2/ גרם ל – 73.9 ± 0.2 מ‘2/g. עם זאת, ספקטרוסקופיה אינפרא אדום וניתוח תרמוגרבימטרי מצביעים על כך שהתהליך אינו משנה את הזהות הכימית של הכיטין. קיבולת ספיחת Cu ספציפית של כיטין מורחב עולה ביחס לשטח פנים ספציפי מ 13.8 ± 2.9 מ”ג / גרם ל 73.1 ± 2.0 מ”ג / גרם. עם זאת, קיבולת ספיחה Cu כמו צפיפות פני השטח נשאר קבוע יחסית בממוצע של 10.1 ± 0.8 אטום / nm2, אשר שוב מציע שום שינוי בזהות הכימית של כיטין. שיטה זו מציעה את האמצעים להפוך את הכיטין לחומר שטח פנים גבוה יותר מבלי להקריב את תכונותיו הרצויות. למרות קצף כיטין מתואר כאן כמו ספיח, זה יכול להיות מדמיין כתמיכה זרז, מבודד תרמי, וחומר מבני.
Introduction
כיטין הוא ביופולימר חזק מבחינה מכנית אינרטי כימית, שני רק תאית בשפע טבעי1. זהו המרכיב העיקרי שלד חיצוני של פרוקי רגליים ובקירות התא של פטריות ושמרים2. כיטין דומה לתאית, אבל עם קבוצת הידרוקסיל אחת של כל מונומר מוחלף בקבוצת אצטיל אמין(איור 1A,B). הבדל זה מגביר את כוחו של מימן מליטה בין שרשראות פולימר סמוכות ונותן chitin החוסן המבני האופייני שלה אינרציות כימית2,3. בשל תכונותיו ושפעו, כיטין משך עניין תעשייתי ואקדמי משמעותי. זה נחקר כמו פיגום לצמיחתרקמות 4,5,6, כמרכיב בחומרים מרוכבים7,8,9,10,11, וכתמיכה ספחת וזרזים11,12,13,14. היציבות הכימית שלה, בפרט, עושה כיטין אטרקטיבי עבור יישומי ספיחות המערבים תנאים עוינים ספיחות נפוצות14. בנוסף, שפע של קבוצות אמין להפוך את כיטין ספיח יעיל עבור יונים מתכת15. עם זאת, הפרוטוניציה של קבוצות האמין בתנאים חומציים מפחיתה את יכולת ספיחת המתכת של כיטין16. אסטרטגיה מוצלחת היא להציג אתרי ספיחות עמידים יותר פרוטונציה17,18. במקום זאת, כאן מתוארת שיטה פשוטה להגדלת שטח הפנים הספציפי, ולכן, מספר אתרי ספיחה בכטין.
איור 1. מבנה כימי. (א) תאית, (B) כיטין, (C) צ’יטוסן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
למרות השימושים הפוטנציאליים הרבים שלה, כיטין אינו מנוצל. עיבוד כיטין הוא מאתגר בשל המסיסות הנמוכה שלה ברוב הממסים. מגבלה מרכזית לשימוש בו קטליזה וספיגה היא שטח הפנים הספציפי הנמוך שלה. בעוד תומכי תחמוצת פחמן ומתכת טיפוסיים יש שטחים ספציפיים במשטח בסדר 102-103 מ‘2/g, פתיתי כיטין מסחריים יש שטחים בתוך השטח בסדר של 10 מ‘2/g19,20,21. שיטות להרחבת כיטין לקצף קיימות, אבל הם תמיד מסתמכים על טמפרטורה ולחץ גבוהים, חומצות חזקות ובסיסים, או ציוד מיוחד המייצגמחסוםכניסה משמעותי 5,21,22,23,24,25. בנוסף, שיטות אלה נוטות deacetylate כיטין כדי ליצור chitosan (איור 1C) – ביופולימר מסיס יותר תגובתי5,25,26.
להלן, שיטה מתוארת להרחיב כיטין לקצף מוצק, להגדיל את שטח הפנים הספציפי שלה ואת יכולת ספיחה, ולשמור על שלמות כימית שלה. השיטה מסתמכת על האבולוציה המהירה של גז מתוך ג’ל כיטין ואינו דורש ציוד מיוחד. יכולת הספיגה המוגברת של הכיטין המורחב מודגמת עם Cu2 +מימי – מזהם נפוץ במי התהום המקומיים26.
| יחידה | פתית מסודר | קצף אפוי | קצף ליופילי | |
| גבישיות | % | 88 | 74 | 58 |
| גודל קריסטל | ננומטר | 6.5 | 4.4 | 4.4 |
| שטח פנים | m2/g | 12.6 ± 2.1 | 43.1 ± 0.2 | 73.9 ± 0.2 |
| ספיגת Cu | מ”ג/גר’ | 13.8 ± 2.9 | 48.6 ± 1.9 | 73.1 ± 2.0 |
| ספיגת Cu | אטום/ננומטר2 | 10.5 ± 2.8 | 10.7 ± 0.4 | 9.4 ± 0.3 |
טבלה 1. סיכום של מאפייני חומר. קצף כיטין יש גבישיות נמוכה יותר וגודל הגביש ביחס פתיתי כיטין מסודרים. עם זאת, שטח הפנים הספציפי וספיגת Cu של קצף כיטין הם גבוהים באופן יחסי מזה של פתיתי כיטין מסודרים.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה המוצעת לייצור קצף כיטין מאפשרת ייצור של קצף כזה ללא צורך בציוד מיוחד או טכניקות. ייצור קצף כיטין מסתמך על השעיית נתרן הידריד בתוך כיטין סול-ג’ל. מגע עם מים מהאטמוספירה מעורר ג’ללינג של מטריצת הכיטין והתפתחות של גז מימן על ידי פירוק הנתרן הידריד. לכן, השלבים הקריטיים של ההכנה הם (1) היווצ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחקר נערך בחסות המעבדה למחקר צבאי של פיקוד פיתוח יכולות לחימה (הסכם שיתוף פעולה מספר W911NF-15-2-0020). כל הדעות, הממצאים והמסקנות, או ההמלצות המובעות בחומר זה הן של המחברים ואינן משקפות בהכרח את עמדות המעבדה הצבאית למחקר.
אנו מודים למרכז לעיבוד חומרים מתקדמים (CAMP) באוניברסיטה הטכנולוגית של מונטנה על השימוש בחלק מהציוד המיוחד הנדרש במחקר זה. אנו מודים גם לגארי וייס, ננסי אוייר, ריק לדוקר, ג’ון קירטלי וקתרין זודרו על הסיוע הטכני והדיונים המועילים.
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 |
References
- 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).
