확장 된 치틴 폼의 준비와 수성 구리의 제거에 자신의 사용
Summary
이 연구는 특수 장비가 필요하지 않은 화학 적 기술에 의해 발포로 치틴을 확장하는 방법을 설명합니다.
Abstract
치틴은 저익, 자연적으로 풍부하고 기계적으로 견고하며 화학적으로 저항하는 바이오 폴리머입니다. 이러한 특성은 흡착물에서 바람직하지만 치틴은 필요한 특정 표면적이 부족하며 수정에는 특수 기술과 장비가 포함됩니다. 본명에서 새우 껍질 폐기물에서 파생된 치틴 플레이크를 표면적이 높은 폼으로 확장하는 새로운 화학 적 절차가 설명되어 있다. 이 과정은 키틴 젤에 갇힌 NaH와 물의 반응에서 H2 가스의 진화에 의존한다. 준비 방법은 특수 장비가 필요하지 않습니다. 분말 X선 회절 및N-2-물리흡수는결정성 크기가 6.6nm에서 4.4nm로 감소하고 특정 표면적이 12.6 ± 2.1 m2/g에서73.9 ± 0.2 m2/g로증가함을 나타낸다. 그러나, 적외선 분광법 및 열역학 분석은 공정이 치틴의 화학적 정체성을 바꾸지 않는다는 것을 나타낸다. 확장된 치틴의 특정 Cu 흡착 용량은 특정 표면적에 비례하여 증가하여 13.8 ± 2.9 mg/g에서 73.1 ± 2.0 mg/g로 증가한다. 그러나, 표면 밀도로서의 Cu 흡착 용량은 평균 10.1± 0.8 원자/nm2로상대적으로 일정하게 유지되며, 이는 다시 치틴의 화학적 정체성에 변화가 없음을 시사한다. 이 방법은 바람직한 특성을 희생하지 않고 치틴을 더 높은 표면적 재료로 변환하는 수단을 제공합니다. 치틴 폼은 여기에 흡착제로 설명되지만 촉매 지지대, 열 절연체 및 구조 재료로 구상될 수 있다.
Introduction
치틴은 기계적으로 견고하고 화학적으로 불활성 바이오 폴리머로, 천연 풍부1에서셀룰로오스에 이어 두 번째이다. 그것은 절지동물의 외골격과 곰팡이 및 효모2의세포벽의 주요 구성 요소입니다. 치틴은 셀룰로오스와 유사하지만, 각각의 단조의 하나의 하이드록실 그룹과 아세틸 아민군(도 1A,B)으로대체된다. 이러한 차이는 인접한 폴리머 체인 간의 수소 결합 강도를 증가시키고 키틴의 특징적인 구조적 탄력성과 화학적 불활성2,3을제공한다. 그 속성과 풍요로움으로 인해, 치틴은 상당한 산업 및 학문적 관심을 끌고있다. 조직 성장을 위한 비계로 연구되고 있다4,5,6,복합재료7,8,9,10,11,흡착제 및 촉매에 대한지원으로서(11,12,13,14)에대한 성분으로서. 특히 화학적 안정성은 일반적인흡착제(14)에열악한 조건을 포함하는 흡착 응용 분야에 대해 치틴을 매력적으로 만듭니다. 또한, 아민 군의 풍부는 치틴을 금속이온(15)에대한 효과적인 흡착제로 만든다. 그러나, 산성 조건 하에서 아민 군의 프로토네이션은 치틴16의금속 흡착 용량을 감소시킨다. 성공적인 전략은 프로토네이션17,18에더 강한 흡착 사이트를 소개하는 것입니다. 대신, 본명에서 특정 표면적을 증가시키는 간단한 방법을 설명하고, 따라서, 치틴내흡착 부위의 개수가 있다.
그림 1. 화학 적 구조. (A) 셀룰로오스, (B) 치틴, (C) 키토산.
많은 잠재적 인 사용에도 불구하고, 치틴은 활용도가 낮습니다. 치틴 처리는 대부분의 용매에서 낮은 용해도로 인해 도전적입니다. 촉매 및 흡착에 그것의 사용에 대 한 주요 제한은 그것의 낮은 특정 표면적. 일반적인 탄소 및 금속 산화물 지지대는 순서 102-103 m2/g의 특정 표면영역을 가지고 있지만, 상업용 치틴 플레이크는 10m2/g19,20,21의순서로 표면영역을 갖는다. 발포로 치틴을 확장하는 방법은 존재하지만, 그들은 변함없이 높은 온도와 압력, 강한 산 및 기지, 또는 상당한 진입 장벽을 나타내는 특수장비에의존5,21,22,23,24,25. 또한, 이러한 방법은 키토산(도1C)-보다용해성 및 반응성 생리중합체5,25,26을형성하기 위해치틴을비하하는 경향이 있다.
본명, 치틴을 고체 폼으로 확장하고, 특정 표면적 및 흡착 능력을 증가시키고, 화학적 무결성을 유지하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법은 키틴 젤 내에서 가스의 급속한 진화에 의존하고 특수 장비가 필요하지 않습니다. 확장된 키틴의 흡착 용량증가는 수성 Cu 2+ -지역지하수(26)의일반적인 오염물질로 입증된다.
| 단위 | 깔끔한 플레이크 | 구운 거품 | Lyophilised 거품 | |
| 결정성 | % | 88 | 74 | 58 |
| 크리스탈 크기 | nm | 6.5 | 4.4 | 4.4 |
| 표면적 | m2/g | 12.6 ± 2.1 | 43.1 ± 0.2 | 73.9 ± 0.2 |
| Cu Uptake | mg/g | 13.8 ± 2.9 | 48.6 ± 1.9 | 73.1 ± 2.0 |
| Cu Uptake | 원자/nm2 | 10.5 ± 2.8 | 10.7 ± 0.4 | 9.4 ± 0.3 |
표 1. 재료 속성의 요약입니다. 치틴 폼은 깔끔한 치틴 플레이크에 비해 결정성과 결정 크기가 낮습니다. 그러나, 치틴 폼의 특정 표면적 및 Cu 섭취량은 깔끔한 치틴 플레이크보다 비례적으로 높다.
Protocol
Representative Results
Discussion
치틴 폼 제조에 대한 제안 된 방법은 특수 장비 또는 기술에 대한 필요없이 이러한 거품의 생산을 할 수 있습니다. 치틴 폼의 생산은 치틴 솔 젤 내의 나트륨 수화물의 현탁액에 의존한다. 대기로부터의 물과접촉하여 치틴 매트릭스의 겔화와 수소가스의 분해에 의한 수소가스의 진화를 유도한다. 따라서, 준비의 중요한 단계는 (1) 솔겔의 형성, (2) 무수 조건에서 나트륨 수화물의 도입, (3) 치틴 솔 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 전투 능력 개발 사령부 육군 연구소 (협력 계약 번호 W911NF-15-2-0020)에 의해 후원되었다. 이 자료에 표현된 의견, 결과 및 결론 또는 권장 사항은 저자의 의견이며 반드시 육군 연구실의 견해를 반영하지는 않습니다.
몬태나 기술 대학의 고급 재료 처리 센터 (CAMP)는이 연구에 필요한 전문 장비의 일부를 사용하여 감사드립니다. 우리는 또한 게리 와이스, 낸시 오이어, 릭 라두슈르, 존 커틀리, 캐서린 조드로에게 기술 적 지원과 유용한 토론을 감사드립니다.
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).
