Preparazione di schiume di chitina espansa e loro uso nella rimozione del rame acquoso
Summary
Questo studio descrive un metodo per espandere la chitina in una schiuma con tecniche chimiche che non richiedono attrezzature specializzate.
Abstract
La chitina è un biopolimero sottosfloso, naturalmente abbondante, meccanicamente robusto e chimicamente resistente. Queste qualità sono desiderabili in un adsorbente, ma la chitina manca della superficie specifica necessaria e la sua modifica comporta tecniche e attrezzature specializzate. Qui è descritta una nuova procedura chimica per espandere i fiocchi di chitina, derivati dai rifiuti di guscio di gamberetti, in schiume con una superficie più elevata. Il processo si basa sull’evoluzione del gas H2 dalla reazione dell’acqua con NaH intrappolato in un gel di chitina. Il metodo di preparazione non richiede attrezzature specializzate. La diffrazione a raggi X in polvere e la fisisorbimento N2indicano che la dimensione della cristallite diminuisce da 6,6 nm a 4,4 nm e la superficie specifica aumenta da 12,6 ± 2,1 m2/g a 73,9 ± 0,2 m2/g. Tuttavia, la spettroscopia infrarossa e l’analisi termogravimetrica indicano che il processo non modifica l’identità chimica della chitina. La capacità specifica di adsorbimento di Cu della chitina espansa aumenta in proporzione alla superficie specifica da 13,8 ± 2,9 mg/g a 73,1 ± 2,0 mg/g. Tuttavia, la capacità di adsorbimento del Cu come densità superficiale rimane relativamente costante ad una media di 10,1 ± 0,8 atomi / nm2, il che suggerisce ancora una volta nessun cambiamento nell’identità chimica della chitina. Questo metodo offre i mezzi per trasformare la chitina in un materiale di superficie più elevata senza sacrificare le sue proprietà desiderabili. Sebbene la schiuma di chitina sia descritta qui come un adsorbente, può essere immaginata come un supporto catalizzatore, isolante termico e materiale strutturale.
Introduction
La chitina è un biopolimero meccanicamente robusto e chimicamente inerte, secondo solo alla cellulosa in abbondanza naturale1. È il componente principale nell’esoscheletro degli artropodi e nelle pareti cellulari di funghi e lieviti2. La chitina è simile alla cellulosa, ma con un gruppo ossidrile di ciascun monomero sostituito con un gruppo acetil amminico (Figura 1A,B). Questa differenza aumenta la forza del legame idrogeno tra catene polimeriche adiacenti e conferisce alla chitina la sua caratteristica resilienza strutturale e inerzia chimica2,3. Grazie alle sue proprietà e all’abbondanza, la chitina ha attirato un significativo interesse industriale e accademico. È stato studiato come impalcatura per la crescita tissutale4,5,6,come componente in materiali compositi7,8,9,10,11,e come supporto per adsorbenti e catalizzatori11,12,13,14. La sua stabilità chimica, in particolare, rende la chitina attraente per applicazioni di adsorbimento che comportano condizioni inospitali per i comuni adsorbenti14. Inoltre, l’abbondanza di gruppi amminici rende la chitina un efficace adsorbente per gli ioni metallici15. Tuttavia, la protonazione dei gruppi amminici in condizioni acide riduce la capacità di adsorbimento del metallo della chitina16. Una strategia di successo è quella di introdurre siti di adsorbimento più resistenti alla protonazione17,18. Invece, qui è descritto un metodo semplice per aumentare la superficie specifica e, quindi, il numero di siti di adsorbimento in chitina.
Figura 1. Struttura chimica. (A) cellulosa, (B) chitina, (C) chitosano. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nonostante i suoi numerosi usi potenziali, la chitina è sottoutilizzata. La lavorazione della chitina è impegnativa a causa della sua bassa solubilità nella maggior parte dei solventi. Una limitazione chiave al suo uso in catalisi e adsorbimento è la sua bassa superficie specifica. Mentre i tipici supporti di carbonio e ossido metallico hanno superfici specifiche nell’ordine10 2-10 3 m2/ g, i fiocchi di chitina commerciali hanno superfici nell’ordine di 10 m2/ g19,20,21. Esistono metodi per espandere la chitina in schiume, ma invariabilmente si basano su alte temperature e pressioni, acidi e basi forti o apparecchiature specializzate che rappresentano una barriera all’ingresso significativa5,21,22,23,24,25. Inoltre, questi metodi tendono a deacetilare la chitina per formare il chitosano (Figura 1C) – un biopolimero più solubile e reattivo5,25,26.
Qui, viene descritto un metodo per espandere la chitina in schiume solide, aumentare la sua superficie specifica e la capacità di adsorbimento e mantenere la sua integrità chimica. Il metodo si basa sulla rapida evoluzione del gas dall’interno di un gel di chitina e non richiede attrezzature specializzate. L’aumento della capacità di adsorbimento della chitina espansa è dimostrato con Cu2+acquoso – un contaminante comune nelle acque sotterranee locali26.
| Unità | Fiocco pulito | Schiuma cotta | Schiuma liofilizzata | |
| Cristallinità | % | 88 | 74 | 58 |
| Dimensione del cristallo | Nm | 6.5 | 4.4 | 4.4 |
| Superficie | m2/g | 12.6 ± 2.1 | 43,1 ± 0,2 | 73,9 ± 0,2 |
| Assorbimento di Cu | mg/g | 13.8 ± 2.9 | 48,6 ± 1,9 | 73,1 ± 2,0 |
| Assorbimento di Cu | atomo/nm2 | 10,5 ± 2,8 | 10,7 ± 0,4 | 9,4 ± 0,3 |
Tabella 1. Riepilogo delle proprietà del materiale. Le schiume di chitina hanno una cristallinità e una dimensione del cristallo inferiori rispetto ai fiocchi di chitina puliti. Tuttavia, la superficie specifica e l’assorbimento di Cu delle schiume di chitina sono proporzionalmente superiori a quelli dei fiocchi di chitina puliti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo proposto per la fabbricazione della schiuma di chitina consente la produzione di tali schiume senza la necessità di attrezzature o tecniche specializzate. La produzione della schiuma di chitina si basa sulla sospensione di idruro di sodio all’interno di un sol-gel di chitina. Il contatto con l’acqua proveniente dall’atmosfera induce la gelificazione della matrice chitina e l’evoluzione dell’idrogeno gassoso per decomposizione dell’idruro di sodio. Pertanto, le fasi critiche della preparazione sono (1) la forma…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La ricerca è stata sponsorizzata dal Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory (numero di accordo di cooperazione W911NF-15-2-0020). Eventuali opinioni, risultati e conclusioni o raccomandazioni espresse in questo materiale sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni del laboratorio di ricerca dell’esercito.
Ringraziamo il Center for Advanced Materials Processing (CAMP) della Montana Technological University per l’uso di alcune delle attrezzature specializzate richieste in questo studio. Ringraziamo anche Gary Wyss, Nancy Oyer, Rick LaDouceur, John Kirtley e Katherine Zodrow per l’assistenza tecnica e le discussioni utili.
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 |
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