准备扩大的奇廷泡沫及其用于去除水中的铜

Summary

这项研究描述了一种通过不需要专门设备的化学技术将奇丁扩展成泡沫的方法。

Abstract

奇廷是一种开发不足、自然丰富、机械坚固、耐化学的生物聚合物。这些品质在吸附剂中是可取的，但奇丁缺乏必要的特定表面积，其修改涉及专门的技术和设备。这里描述了一种新的化学程序，将来自虾壳废物的辣椒片膨胀成表面积较高的泡沫。这个过程依赖于_H2 气体的进化，从水的反应与NaH被困在一个奇丁凝胶。制备方法不需要专用设备。粉末X射线衍射和N_2-物理吸收表明晶体大小从6.6纳米减少到4.4纳米，特定表面积从12.6±2.1米^2/g增加到73.9±0.2米^2/克。然而，红外光谱学和热重力学分析表明，这个过程不会改变奇廷的化学特性。扩大的奇丁的特定Cu吸附能力与特定表面积成正比，从13.8±2.9毫克/克增加到73.1±2.0毫克/克。然而，Cu吸附能力作为表面密度保持相对恒定，平均为10.1±0.8原子/nm^2，这再次表明甲酰丁的化学特性没有变化。这种方法提供了在不牺牲其理想特性的情况下将奇丁转化为更高表面积材料的方法。虽然这里的奇丁泡沫被描述为吸附剂，但它可以设想为催化剂支撑、热绝缘体和结构材料。

Introduction

奇廷是一种机械坚固和化学惰性生物聚合物，仅次于天然丰度¹中的纤维素。它是节肢动物外骨骼和真菌和酵母²细胞壁的主要成分。奇丁与纤维素相似，但每个单体的羟基组被乙酰胺组（图1A，B）所取代。这种差异增加了相邻聚合物链之间的氢粘结强度，并赋予奇丁其特有的结构弹性和化学惰性^2，3。由于其特性和丰富性，奇廷吸引了巨大的工业和学术兴趣。它已被研究为组织生长的支架^4，5，6，作为复合材料的成分^{7，8，9，10，11，}并作为支持吸附剂和催化剂11，12，13，14。其化学稳定性，特别是使奇丁吸引吸附应用，涉及条件不适宜常见的吸附剂^14。此外，丰富的胺组使奇丁对金属离子¹⁵的有效吸附。然而，酸性条件下胺组的质子会降低奇丁¹⁶的金属吸附能力。一个成功的策略是引入更耐质子^17，18的吸附位点。相反，这里描述了一个简单的方法来增加特定的表面积，因此，在奇廷吸附点的数量。

图1。化学结构。（A）纤维素， （B）奇廷， （C）奇托桑。请点击这里查看这个数字的更大版本。

尽管它有许多潜在的用途，但奇丁的利用不足。奇廷加工具有挑战性，因为它在大多数溶剂中的溶解性较低。其在催化和吸附中的使用的主要限制是其低特异性表面积。而典型的碳和金属氧化物支架有特定的表面积在顺序10²-10³ m^2/g，商业辣椒片有表面积在10米^2/克19，20，21的顺序。将辣椒素扩展到泡沫的方法是存在的，但它们总是依赖于高温高压、强酸和碱基，或代表重大进入屏障的专用设备^，这些设备代表着重要的进入屏障5、21、22、23、24、25。此外，这些方法倾向于去乙酰丁，形成甲壳素（图1C）- 一种更可溶性和反应性生物聚合物^{5，25，26。}

其中，介绍了一种将奇丁扩展到固体泡沫、增加其特定表面积和吸附能力以及保持其化学完整性的方法。该方法依赖于气体从奇廷凝胶内的快速演化，不需要专门的设备。扩大的辣椒素的吸附能力增加，用水Cu²⁺证明 - 当地地下水²⁶中的常见污染物。

	单位	整洁的弗莱克	烤泡沫	嗜血泡沫
结晶	%	88	74	58
晶体大小	纳米	6.5	4.4	4.4
表面积	m2/g	12.6 ± 2.1	43.1 ± 0.2	73.9 ± 0.2
库塔克	毫克/克	13.8 ± 2.9	48.6 ± 1.9	73.1 ± 2.0
库塔克	原子/纳米2	10.5 ± 2.8	10.7 ± 0.4	9.4 ± 0.3

表1。材料属性摘要。 与整洁的奇丁片相比，奇廷泡沫的晶体度和晶体大小较低。然而，奇丁泡沫的特定表面积和Cu吸收量比整齐的奇丁片高。

Protocol

1. 准备扩大的辣椒

1. 准备一个 250 mL 溶液 5 wt% LiCl 在二甲基乙酰胺 （DMAc）
   警告：溶剂 DMAc 是一种易燃刺激物，可能会损害生育能力并导致出生缺陷。使用防化手套和护目镜在烟雾罩中处理 DMAc，以避免与皮肤和眼睛接触。
   1. 加入 15 克 LiCl 和 285 克 （268 mL） 的 DMAc 到 500 mL Erlenmeyer 烧瓶中，然后放置 50 mm 聚酯氟乙烯 （PTFE） 衬里磁搅拌棒。
   2. 用橡胶隔膜盖上烧瓶，放在加热搅拌盘上。将温度探针穿过隔膜放入混合物中。在 400 rpm 和 80 °C 下搅拌混合物，直到溶解所有 LiCl （+ 4 h）
2. 溶解 1.0 克的烤箱干辣椒片在 LiCl/DMAc 溶液中形成溶胶
   1. 在 80°C 的烤箱中干燥至少 1.2 克辣椒片，持续 24 小时。
   2. 将 1.0 克烤箱干燥的辣椒片和 250 mL 的 5 wt% LiCl/DMAc 溶液加入 500 mL 圆形底烧瓶中。放置 50 mm PTFE 衬里磁搅拌棒。
   3. 用橡胶隔膜盖住烧瓶，并将其放在搅拌热块上。用针刺穿隔膜，让它让烧瓶发泄。将块加热到 80 °C，并在 400 rpm 搅拌混合物，直到所有辣椒素溶解（24-48 小时）。
   4. 让由此产生的奇丁醇凝胶缓慢冷却到室温，同时继续搅拌（+ 1 小时）。
   5. 一旦在室温下，将含有辣椒胶的烧瓶放入冰浴中，继续搅拌，直到其温度稳定下来（+20分钟）。
3. 在 DMAc 中准备 100 mL 的 NaH 泥浆。
   警告：NaH 与水接触时释放出可能自发点燃的易燃气体。为了限制与潮湿空气的接触，NaH 储存在矿物油中，在使用前必须冲走矿物油。使用耐化学手套和护目镜小心处理烟雾罩。
   1. 从矿物油储存中取出约 1 克 NaH，然后用 10 mL 六烷洗涤三次。
   2. 将 100 mL 的 DMAC 加入 250 mL Erlenmeyer 烧瓶中，然后加入 0.82 克洗过的 NaH，并放置 PTFE 衬里磁搅拌棒。
   3. 旋转混合物以产生 NaH/DMAc 泥浆。
      注：NaH 不会完全溶解。
4. 通过将所有 NaH/DMAc 泥浆添加到奇廷索尔凝胶中，形成奇廷凝胶。
   1. 解开冷却的溶胶，加入所有的NaH浆料，同时大力搅拌。更换盖子，继续搅拌混合物在400转制72小时或直到凝胶形成在烧瓶。
5. 通过在奇廷凝胶中加入水来形成奇廷泡沫。
   1. 凝胶形成后，解开烧瓶，加入100mL的去离子（DI）水。
      注：在烟雾罩中执行此步骤至关重要，因为这个过程将演变为 H₂ 气体。
6. 隔离，在水中和甲醇中清洗奇丁泡沫，去除DMAc和盐。
   1. 从烧瓶中取出膨胀的辣椒泡沫，放入足够大的结晶盘或烧饼中，以容纳它和 1000 mL 的 DI 水。
      注：奇丁泡沫不会在一块出来，可能必须打破。
   2. 用 500 mL 的 DI 水冲洗隔离凝胶三次。将凝胶浸泡在 1000 mL 的 DI 水中 24 小时，然后在 500 mL 甲醇中浸泡 24 小时，最后在 1000 mL 的 DI 水中再次浸泡 24 小时。
   3. 从水洗中取出膨胀的奇丁泡沫，让空气干燥 24-48 小时。
7. 干燥洗过的奇丁凝胶，形成固体泡沫，然后研磨成粉末。
   1. 在 85 °C 的烤箱中干燥凝胶，在环境空气下干燥 48 小时，或在 -43 °C 和 0.024 mbar 的嗜热剂中干燥 48 小时。
   2. 使用砂浆和刺，将干辣椒泡沫磨成细粉末。

图2。准备扩大的奇廷泡沫。 （A） LiCl/DMAc 解决方案中的初始奇丁。（B） 增加纳赫/DMAc泥浆。（C） 加水后的奇丁泡沫。（D） 从反应瓶中提取的奇廷泡沫。（E） 用水清洗时的奇丁泡沫。 请单击此处查看此图的较大版本。

2. 吸附异温的开发

1. 准备 aq 的 500 mL 库存解决方案。Cu²⁺ （MW 63.5 g/mol） 浓度为 50 毫克/升、100 毫克/升、200 毫克/升、300 毫克/升、400 毫克/升和 450 毫克/升。为此，添加 90 毫克、180 毫克、360 毫克、540 毫克、720 毫克和 810 毫克 Cu （NO_3）2+2.5 H₂O （MW 232.6 g/mol） 到 6 个容器。。。加入 500 mL 的 18 MΩ 水，盖住容器，摇动以溶解固体。
2. 将 50 毫克的奇丁添加到每个库存溶液的 100 mL 中，将 pH 值调整为 7，并允许均衡 48 h。
   1. 将每个库存溶液的 100 mL 转移到 100 mL 容器中，使头部空间极小。在每个容器中加入50毫克的碎辣椒素，然后盖上盖子。
   2. 将容器放在轨道摇床上，在下午 60 rpm 摇晃 30 分钟。然后将容器从轨道摇床中取出，使用NH₄HCO 3或HNO₃将pH值调整为_7。
   3. 将容器更换回轨道摇床，在 60 rpm 和恒温下摇晃 48 小时。将实验室保持在 18 ± 2 °C。
3. 测量初始库存解决方案和添加奇丁的 Cu 浓度。使用色度双辛酸酯方法，一个色度计，和预测量试剂包^27。
   1. 从轨道摇床中取出容器，让混合物至少沉淀 30 分钟，然后用装有 0.3 μm 玻璃微纤维过滤器的注射器取出 1 mL 的 aliquot。
   2. 将阿利库特转移到 250 mL 容器中，用 18 MΩ 水稀释至 100 mL。
      注：由于使用色度计的双辛酸酯方法检测Cu（5毫克/升）的上限较低，因此有必要采取这一步骤。
   3. 将稀释样品的 10 mL 转移到库维特。将小轮廓放在着色仪中，将仪器归零。
   4. 在库维特的稀释样品中加入一包预测量的 Cu 试剂（双辛酸酯方法），等待 45 s 的溷合反应完成。让溶液变为紫色。形成的颜色强度与 Cu 浓度成正比。
   5. 将 cuvette 放回着色仪中，并测量稀释样品的 Cu 浓度。将稀释样品的浓度乘以 100，以获得原始样品的浓度。
4. 从吸附等温数据中提取最大 Cu 吸收。
   1. 使用方程²⁸计算每个样本对每个平衡 Cu 浓度的吸收：
      
   2. 绘制样本吸附量与均衡浓度的图示，以生成标准 Cu 吸附等温。
   3. 绘制均衡浓度与吸收率与均衡浓度的比例，以产生线性 Cu 吸附等温。
      注：情节应是线性的，坡度的反面表示最大 Cu 吸收。

Representative Results

无论干燥方法如何，扩展的奇廷都表现出相同的形态。图3显示整齐的奇丁片（图3A1），烤箱干膨胀的奇丁（图3B1）和利血性扩大奇丁（图3C3）的图像。虽然整洁的薄片有粗砂的外观，但膨胀的辣椒泡沫有弹出玉米的核状外观。扫描电子显微图在较小的尺度上也显示出类似的变化。虽然整洁的奇丁片（图3A2，3A3）有一个紧凑，密集的结构，烤箱干燥（图3B2，3B3）和冻血（图3C2，3C3）扩大奇丁像皱褶的纸或皱纹的床单。样品在成像前涂上金色，然后使用二级电子探测器，具有15千伏的加速电压，工作距离为29-31毫米。

图3。整洁的薄片和扩大的奇廷的照片和微图。 照片对应奇廷（A1） 在其整洁的薄片形式和扩大泡沫形式干燥（B1） 烘烤在 80 °C 和（C1）嗜热。扫描电子显微图对应于奇丁（A2，A3）的两个放大倍率在其整洁的薄片形式和扩大泡沫形式干燥（B2，B3）烘烤在80°C和（C2，C3）冻血。请注意，相对于膨胀的泡沫，整洁的薄片形式更紧凑。请单击此处查看此图的较大版本。

这些视觉和微观观测结果与样品的粉末X射线衍射（XRD）和_N2-物理吸收分析一致。衍射图显示晶体反射的扩大和膨胀的泡沫中非晶峰的强度相对于整齐的薄片（图4）增加。通过比较半定量晶体度指数和整齐和膨胀的奇丁的晶体大小估计值，可以说明这一观测结果。晶体度指数是晶体与无定形衍射强度的规范化差异^29。它由等式给出：

对于奇廷，通常使用的晶体衍射强度是晶体平面 （110） 在 19.3° 和无定形衍射强度是 16.0°^29。晶体指数从整齐的薄片中的88%下降到烤箱干燥的膨胀泡沫的74%，以及冻血膨胀泡沫的58%（表1）。晶体大小可以由舍雷尔方程³⁰估计：

我们假设形状因子为 1，仪器使用 Cu K_α辐射（波长 = 15.4 nm）。使用 （110） 平面在 19.3°的衍射， 晶体大小从 6.6 nm 在整洁的奇廷下降到 4.4 nm 在扩大的奇廷 （表 1）.

图4。整洁和扩大的奇丁的X射线衍射图。 图中显示了奇丁的衍射图，其整洁的薄片形式和扩大的泡沫形式干燥由两种不同的方法烘烤在800°C和冻血。所有三个衍射图均正常化为最大反射强度为 19.3 °，对应平面 （110）。请注意，与整齐的薄片相比，膨胀的泡沫中峰值的普遍扩大。 请单击此处查看此图的较大版本。

使用布鲁瑙尔-埃米特-泰勒（BET）方程³¹从_N2-物理吸收等温体中获取的特定表面积的测量结果也导致了类似的观测。对于所有材料，N₂吸附等温显示吸收量以线性增加，部分压力在 p/p_o范围 = 0.05-0.25 （图5A），如 N₂多层冷凝³²的预期。然而，对于膨胀的泡沫来说，吸收量最大。BET图（图5B，5C），显示正线性相关与部分压力和正拦截，表明数据在BET方程³³的有效范围内。因此，材料的具体表面积与坡度之和的倒角和^这些线31的截流成正比。而整齐的薄片的特定表面积为12.6±2.1米^2/克，烤箱干泡沫的表面积为43.1±0.2米^2/克，冻合泡沫的表面积为73.9±0.2米^2/克。晶体度指数、晶体大小和特定表面积的变化表明，材料（1）形成更开放和多孔的结构，或（2）退化为较小的颗粒。图3中的显微图暗示了前者，但如果没有彻底的孔径分布分析，就不能排除后者的可能性。

图5。N₂吸附等温和 BET 情节。（A） N₂吸附异位素以其整洁的薄片形式和扩大的泡沫形式干燥，由两种不同的方法烘烤在 80 °C 和 lyphiling - 在 BET 范围内的部分压力。（B， C）相同材料的 BET 图和部分压力的范围。特定表面积与 BET 地块中线的截取和斜率之和成正比。请单击此处查看此图的较大版本。

尽管上述形态发生了变化，但扩张过程似乎并不影响奇廷的化学结构。所有奇丁样品的红外光谱（以衰减总反射（ATR）获得，无论处理情况如何，几乎保持不变（图6）。请注意，在1650厘米^-1和1550厘米^-1的峰值的相似性，对应于中间功能组^23。

图6。ATR 红外光谱整洁和扩展的奇廷。 图中显示了奇廷的红外光谱，其整洁的薄片形式和膨胀的泡沫形式由两种不同的方法干燥 -烘烤在80°C和冻合。光谱的差异很小，表明整齐的薄片和膨胀的泡沫奇丁之间没有显著的化学变化。 请单击此处查看此图的较大版本。

热分解行为也表明三个样品之间的化学变化最小（图7）。热重力剖面的形状与扩大的奇丁相同，无论干燥方法如何，但两者都不同于整齐的薄片（图7A）。这归因于与更紧凑的薄片相关的质量和热扩散限制。所有三个样品的热分解开始发生在260°C（图7B），但辣椒片的最大分解率发生在更高的温度，因为它的形态更紧凑。

图7。整洁和扩展的奇廷的热重力配置文件。 图中显示了奇廷的积分（上图）和差分（下图）热重力剖面，其整洁的薄片形式和膨胀的泡沫形式由两种不同的方法干燥-烘烤在80°C和冻热。所有三种材料的热分解开始为 260 °C，但与泡沫相比，薄片在较长的温度范围内分解。 请单击此处查看此图的较大版本。

特定表面积的增加伴随着奇廷最大吸收量的预期增加。虽然整洁的薄片吸收13.8±2.9毫克/克，烤箱干燥的泡沫吸收43.1±1.9毫克/克和嗜热泡沫吸收73.1±2.0毫克/克（表1）。通过比较标准（图8A）和线性（图8B）朗缪尔吸附等温，库吸收量的增加就更清楚地说明了这一点。最大吸收值由标准等温体中的无音位极限和线性等温中坡度的逆向表示。但是，当 Cu 吸收由表面积正常化时，吸收中的这些差异就会消失（表 1）。而整齐的薄片吸收10.5±2.8原子/纳米^2，烤箱干燥的泡沫吸收10.7±0.4原子/nm^2，和嗜热泡沫吸收9.4±0.3原子/nm^2（表1）。这表明，膨胀的奇廷表面在化学上与最初的奇廷片相似，后者与光谱学和热重力学观测结果一致。

图8。（A） 标准和线性化 （B、C） Cu 吸附等温。 图为Cu吸附异位素，其整洁的薄片形式和扩大的泡沫形式干燥烘烤在80°C和冻合。每个数据点是三个测量的平均值，误差条表示两个标准偏差。线性同温体中膨胀泡沫的误差条很小，只能在（C）中看到。实心线显示最适合朗穆尔吸附等温。最大吸收值是标准吸附等温体中的无音位值和线性吸附体的反坡度。扩大的奇丁显示比奇廷片更高的 Cu 吸收至少 4 倍。请单击此处查看此图的较大版本。

Discussion

建议的奇丁泡沫制造方法允许生产这种泡沫，而无需专门的设备或技术。奇廷泡沫的生产依赖于奇丁醇凝胶内氢化钠的悬浮。与大气中的水接触通过分解氢化钠诱导气质基质的凝胶和氢气的演化。因此，制备的关键步骤是（1）形成溶胶，（2）在无水条件下引入氢化钠，（3）大气水与奇丁醇凝胶和氢化钠悬浮剂的反应。

第三步有两个重要的限制。首先，该过程扩展得很差。奇廷溶胶是一种高度卫生，容易吸收水分，但随着反应体积的增加，水扩散限制可能会防止凝胶。事实上，我们观察到，将反应量翻倍会使凝胶时间从数天增加到数周。其次，这个过程依赖于大气中的水分。当地的气候和季节性天气会导致凝胶时间的变化。对程序的可能修改是使用Schlenk技术来保持反应大气中的空气和无水分，然后逐渐加入水的奇丁醇凝胶和钠氢化物悬浮。然而，这种变化需要资源和技能来限制适用性。

上述报告的晶体度指数和晶体大小都只是半定量估计值。晶体指数是按照Focher等人²⁹的描述计算的，因此不是真正的晶体分数。它不是通过将峰值区域与已知纯度标准区进行比较而获得的。同样，使用舍雷尔方程从扩大的线路中获取晶体大小仅提供估计值。其他现象，如非均匀应变，也有助于线扩大^34。因此，更应该关注趋势，而不是晶体指数和晶体大小的绝对值。如其他地方建议的那样，这些值报告时没有相关错误或方差^34。

通过将 BET 方程应用于 N₂ 物理吸收等温体来计算特定表面积需要在分析之前对样品进行彻底干燥和除气。样品上存在水分和吸附剂将通过两种方式改变特定区域测量：（1） 通过阻断和降低空置吸附位点的有效数量：（2） 通过脱硫挥发物、增加样品上方的测量压力和降低其明显的吸附度。为了防止这些错误，碳和氧化物样品通常在流动的 N₂ 或真空下在 300 °C 的温度下脱气至少 1 小时。虽然结构坚固，但奇丁会在这样的条件下热分解（图6）。相反，对膨胀的奇丁泡沫的特定表面积测量最可靠，用于在流动的N₂ 下在50°C下脱气的样品，在烤箱干燥或冻合后立即持续1周。

进行吸附异热实验是常规的，但具体方案因吸附、溶液、混合方法、可用仪器和便利性而有很大差异。因此，这项研究包括一个详细的协议，基于废水分析程序^28。与其他吸附剂（如碳）相比，Cu对奇丁的吸附量较低。奇廷需要高Cu浓度在100-500毫克/升之间，才能达到饱和^度35。然而，色度双辛酸酯方法的Cu检测上限只有5毫克/升^27。这意味着，要使 Cu 浓度通过仪器测量，必须稀释 100 倍。稀释可以将显著的实验误差引入测量中，因此稀释和测量每个样品重复三次。使用分级圆柱体进行稀释，所测定浓度的观察差异低于 3.7%， 高 Cu 浓度低于 0.35%。使用体积烧瓶进行稀释可以减少方差。此外，在吸附实验期间尽量减少头部空间也很重要。任何粘附在液线上方容器壁上的吸附剂不会与溶液平衡，并会在实验中诱发错误。通过将容器置于相对于摇床轨道平面的 15° 角度，并定期用手摇动容器以清除粘附在内壁上的任何吸附剂，可以防止这种情况的发生。

同热、非分离吸附的Langmuir模型假定（1） 单层的分析吸附剂（2） 吸附位点具有能量等价物，可以包含单个分析分子或离子，（3） 吸附分子或离子不会相互作用。收集的 Cu 吸附数据符合 Langmuir 模型并验证了这些假设。然而，我们使用从单一物种中收获的精制奇丁作为起始材料。使用低纯度奇丁，或化学改造表面^17，36，可以导致吸附位点之间的更大的形态和能量变化，这将需要不同的吸附模型。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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