Preparación de espumas de quitina expandidas y su uso en la eliminación de cobre acuoso

La quitina es un biopolímero mecánicamente robusto y químicamente inerte, solo superado por la celulosa en abundancia natural¹. Es el componente principal en el exoesqueleto de artrópodos y en las paredes celulares de hongos y levaduras². La quitina es similar a la celulosa, pero con un grupo hidroxilo de cada monómero reemplazado por un grupo acetil amina(Figura 1A,B). Esta diferencia aumenta la resistencia del enlace de hidrógeno entre las cadenas de polímeros adyacentes y le da a la quitina su resistencia estructural característica y su inercia química^2,3. Debido a sus propiedades y abundancia, la quitina ha atraído un importante interés industrial y académico. Se ha estudiado como andamio para el crecimiento tisular^4,5,6,como componente en materiales compuestos^7,8,9,10,11,y como soporte para adsorbentes y catalizadores^11,12,13,14. Su estabilidad química, en particular, hace que la quitina sea atractiva para aplicaciones de adsorción que implican condiciones inhóspitas para los adsorbentes comunes¹⁴. Además, la abundancia de grupos amina hacen de la quitina un adsorbente eficaz para los iones metálicos¹⁵. Sin embargo, la protonación de los grupos amina en condiciones ácidas reduce la capacidad de adsorción metálica de la quitina¹⁶. Una estrategia exitosa es introducir sitios de adsorción más resistentes a la protonación^17,18. En su lugar, aquí se describe un método simple para aumentar el área de superficie específica y, por lo tanto, el número de sitios de adsorción en quitina.

Figura 1. Estructura química. (A) celulosa, (B) quitina, (C) quitosano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

A pesar de sus muchos usos potenciales, la quitina está subutilizada. El procesamiento de quitina es un desafío debido a su baja solubilidad en la mayoría de los solventes. Una limitación clave para su uso en catálisis y adsorción es su baja área de superficie específica. Mientras que los soportes típicos de carbono y óxido metálico tienen áreas de superficie específicas en el orden^{10 2-10 3} m²/ g, las escamas comerciales de quitina tienen áreas de superficie del orden de 10 m²/ g^19,20,21. Existen métodos para expandir la quitina en espumas, pero invariablemente se basan en altas temperaturas y presiones, ácidos y bases fuertes, o equipos especializados que representan una barrera de entrada significativa^{5,21,22,23,24,25.} Además, estos métodos tienden a desacetilatar quitina para formar quitosano(Figura 1C),un biopolímero más soluble y reactivo^5,25,26.

Aquí, se describe un método para expandir la quitina en espumas sólidas, aumentar su área de superficie específica y capacidad de adsorción, y mantener su integridad química. El método se basa en la rápida evolución del gas desde el interior de un gel de quitina y no requiere equipo especializado. El aumento de la capacidad de adsorción de la quitina expandida se demuestra con Cu²⁺acuoso -un contaminante común en el agua subterránea local²⁶.

Tabla 1. Resumen de las propiedades del material. Las espumas de quitina tienen una cristalinidad y un tamaño de cristal más bajos en relación con las escamas de quitina ordenadas. Sin embargo, el área de superficie específica y la absorción de Cu de las espumas de quitina son proporcionalmente más altas que la de las escamas de quitina ordenadas.

1. Preparación de quitina expandida

1. Preparar una solución de 250 ml de LiCl al 5% en peso en dimetilacetamida (DMAc)
   PRECAUCIÓN: El disolvente DMAc es un irritante combustible que puede dañar la fertilidad y causar defectos de nacimiento. Manipule DMAc en una campana extractora con guantes y gafas resistentes a los productos químicos para evitar el contacto con la piel y los ojos.
   1. Agregue 15 g de LiCl y 285 g (268 ml) de DMAc en un matraz Erlenmeyer de 500 ml, luego coloque una barra de agitación magnética revestida de politetrafluoroetileno (PTFE) de 50 mm.
   2. Tapa el matraz con un tabique de goma y colócalo en una placa de agitación de calentamiento. Coloque una sonda de temperatura a través del tabique en la mezcla. Revuelva la mezcla a 400 rpm y 80 °C hasta que todo el LiCl se disuelva (~ 4 h)
2. Disolver 1,0 g de escamas de quitina secas al horno en la solución de LiCl/DMAc para formar un sol-gel
   1. Secar al menos 1,2 g de escamas de quitina en un horno a 80°C durante 24 h.
   2. Añadir 1,0 g de copos de quitina secados al horno y 250 ml de solución de LiCl/DMAc al 5% en peso en un matraz de fondo redondo de 500 ml. Coloque una barra de agitación magnética revestida de PTFE de 50 mm.
   3. Tapa el matraz con un tabique de goma y colóquelo sobre un bloque de calor de agitación. Perfore el tabique con una aguja y déjelo para permitir que el matraz se ventile. Calentar el bloque a 80 °C y remover la mezcla a 400 rpm hasta que toda la quitina se disuelva (24-48 h).
   4. Deje que el sol-gel de quitina resultante se enfríe a temperatura ambiente lentamente mientras continúa revolviendo (~ 1 h).
   5. Una vez a temperatura ambiente, coloque el matraz que contiene el sol-gel de quitina en un baño de hielo y continúe revolviendo hasta que su temperatura se estabilice (~ 20 min).
3. Preparar una suspensión de 100 ml de NaH en DMAc.
   PRECAUCIÓN: El NaH en contacto con el agua libera gases inflamables que pueden encenderse espontáneamente. Para limitar el contacto con el aire húmedo, el NaH se almacena en aceite mineral que debe lavarse antes de su uso. Manipule con precaución en una campana extractora utilizando guantes y gafas resistentes a los productos químicos.
   1. Retire aproximadamente 1 g de NaH de su almacenamiento de aceite mineral y lave tres veces con 10 ml de hexanos.
   2. Agregue 100 ml de DMAC en un matraz Erlenmeyer de 250 ml, luego agregue 0.82 g del NaH lavado y coloque una barra de agitación magnética revestida con PTFE.
   3. Agite la mezcla para producir una suspensión de NaH/DMAc.
      NOTA: El NaH no se disolverá por completo.
4. Forme el gel de quitina agregando toda la suspensión de NaH / DMAc al sol-gel de quitina.
   1. Descuelgue el sol-gel enfriado y agregue toda la suspensión de NaH mientras remueve vigorosamente. Reemplace la tapa y continúe revolviendo la mezcla a 400 rpm durante 72 h o hasta que se forme un gel en el matraz.
5. Forma la espuma de quitina agregando agua al gel de quitina.
   1. Después de la formación del gel, descongele el matraz y agregue 100 ml de agua desionizada (DI).
      NOTA: Es fundamental realizar este paso en una campana de humos, ya que el proceso evolucionará el gas H_2.
6. Aísle y lave la espuma de quitina en agua y metanol para eliminar el DMAc y las sales.
   1. Retire la espuma de quitina expandida del matraz y colóquela en un plato de cristalización o en un beaker lo suficientemente grande como para sostenerla y 1000 ml de agua DI.
      NOTA: La espuma de quitina no saldrá en una sola pieza y es posible que tenga que romperse.
   2. Enjuague el gel aislado tres veces con 500 ml de agua DI. Remoje el gel en 1000 ml de agua DI durante 24 h, luego en 500 ml de metanol durante 24 h y, finalmente, en 1000 ml de agua DI durante 24 h nuevamente.
   3. Retire la espuma de quitina expandida del lavado con agua y deje secar al aire durante 24-48 h.
7. Seque el gel de quitina lavado para formar una espuma sólida y luego muele hasta obtener un polvo.
   1. Secar el gel en el horno a 85 °C durante 48 h al aire ambiente, o en un liofilizador a -43 °C y 0,024 mbar durante 48 h.
   2. Usando un mortero y un mortero, muele la espuma de quitina seca en un polvo fino.

Figura 2. Preparación de espuma de quitina expandida. (A) La quitina inicial en la solución de LiCl/DMAc. B)La adición de los purines de NaH/DMAc. (C) La espuma de quitina después de la adición de agua. (D) La espuma de quitina extraída del matraz de reacción. (E) La espuma de quitina durante el lavado con agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Desarrollo de las isotermos de adsorción

1. Preparar soluciones stock de 500 mL de aq. Cu²⁺ (MW 63,5 g/mol) a concentraciones de 50 mg/L, 100 mg/L, 200 mg/L, 300 mg/L, 400 mg/L y 450 mg/L. Para hacer esto, agregue 90 mg, 180 mg, 360 mg, 540 mg, 720 mg y 810 mg de Cu(NO₃)₂· 2,5 H₂O (MW 232,6 g/mol) a seis contenedores, respectivamente. Agregue 500 ml de agua de 18 MΩ, tapa el recipiente y agite para disolver los sólidos.
2. Agregue 50 mg de quitina a 100 ml de cada solución de caldo, ajuste el pH a 7 y deje equilibrar durante 48 h.
   1. Transfiera 100 ml de cada solución de stock a un contenedor de 100 ml para que el espacio de cabeza sea mínimo. Agregue 50 mg de quitina molida a cada recipiente y luego taparlos.
   2. Coloque los recipientes en un agitador orbital y agite a 60 rpm durante 30 minutos. Luego saque los contenedores del agitador orbital y ajuste el pH a 7 usando NH₄HCO₃ o HNO₃.
   3. Vuelva a reemplazar los contenedores en el agitador orbital y agite a 60 rpm y a una temperatura constante durante 48 h. Mantenga el laboratorio a 18 ± 2 °C en todo momento.
3. Medir la concentración de Cu de las soluciones stock iniciales y de aquellas a las que se añadió quitina. Utilice el método de bicinchoninato colorimétrico, un colorímetro y paquetes de reactivos premmedidos²⁷.
   1. Retire los recipientes del agitador orbital, deje que las mezclas se asienten durante un mínimo de 30 minutos y luego tome una alícuota de 1 ml con una jeringa equipada con un filtro de microfibra de vidrio de 0,3 μm.
   2. Transfiera la alícuota a un recipiente de 250 ml y diluya a 100 ml con agua de 18 MΩ.
      NOTA: Este paso es necesario debido al bajo techo de detección de Cu (5 mg/L) por el método de bicinchoninato utilizando el colorímetro.
   3. Transfiera 10 ml de la muestra diluida a una cubeta. Coloque la cubeta en el colorímetro y coloque a cero el instrumento.
   4. Agregue un paquete de reactivo de Cu premedurado (método de bicinchoninato) a la muestra diluida en la cubeta y espere 45 s para que se complete la reacción de quelación. Permita que la solución se vuelva púrpura. La intensidad del color formado es proporcional a la concentración de Cu.
   5. Coloque la cubeta de nuevo en el colorímetro y mida la concentración de Cu de la muestra diluida. Multiplique la concentración de la muestra diluida por 100 para obtener la de la muestra original.
4. Extraiga la absorción máxima de Cu de los datos de isoterma de adsorción.
   1. Calcular la captación de cada muestra para cada concentración de Cu de equilibrio utilizando la ecuación²⁸:
      
   2. Trazar la captación de adsorción frente a la concentración de equilibrio de las muestras para producir una isoterma de adsorción de Cu estándar.
   3. Trazar la relación entre la concentración de equilibrio y la absorción frente a la concentración de equilibrio para producir la isoterma de adsorción de Cu linealizada.
      NOTA: La gráfica debe ser lineal, y la inversa de la pendiente representa la absorción máxima de Cu.

La quitina expandida muestra la misma morfología independientemente del método de secado. La Figura 3 muestra imágenes de escamas de quitina ordenadas (Figura 3A1), quitina expandida seca al horno (Figura 3B1) y quitina expandida liofilizada (Figura 3C3). Mientras que los copos limpios tienen la apariencia de arena gruesa, la espuma de quitina expandida tiene la apariencia de un grano de maíz reventado. Las micrografías electrónicas de barrido muestran un cambio similar a escalas más pequeñas. Mientras que las escamas de quitina ordenadas(Figura 3A2,3A3)tienen una estructura compacta y densa, la quitina expandida al horno(Figura 3B2,3B3)y liofilizada(Figura 3C2,3C3)se asemeja al papel arrugado o a las hojas arrugadas. Las muestras fueron recubiertas con oro antes de obtener imágenes con un detector de electrones secundario, con un voltaje de aceleración de 15 kV, y a una distancia de trabajo en el rango de 29-31 mm.

Figura 3. Fotografías y micrografías de escamas pulcras y quitina expandida. Las fotografías corresponden a quitina (A1) en su forma de escamas pulcras y en su forma de espuma expandida seca por (B1) horneando a 80 ° C y (C1) liofilizando. Las micrografías electrónicas de barrido corresponden a dos aumentos de quitina (A2, A3) en su forma de escamas ordenadas y en su forma de espuma expandida seca por (B2, B3) horneando a 80 ° C y (C2, C3) liofilizando. Tenga en cuenta la forma más compacta de las escamas limpias en relación con la espuma expandida. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Estas observaciones visuales y microscópicas concuerban con los análisis de difracción de rayos X en polvo (XRD) yN 2-fisisorción de las muestras. Los difractogramas muestran un ensanchamiento de los reflejos cristalinos y un aumento en la intensidad del pico amorfo en las espumas expandidas en relación con las escamas ordenadas(Figura 4). Esta observación se puede ilustrar comparando el índice de cristalinidad semicuantitativa y las estimaciones del tamaño de cristalita de la quitina limpia y expandida. El índice de cristalinidad es la diferencia normalizada de intensidades de difracción cristalinas a amorfas29. Está dado por la ecuación:

Para la quitina, la intensidad de difracción cristalina típicamente utilizada es la del plano cristalino (110) a 19.3° y la intensidad de difracción amorfa es la de 16.0°29. El índice de cristalinidad desciende del 88% en las escamas limpias, al 74% en la espuma expandida seca al horno, y al 58% en la espuma expandida liofilizada(Tabla 1). El tamaño de la cristalita se puede estimar mediante la ecuación de Scherrer30:

Suponemos un factor de forma de 1 y el instrumento utilizó Radiación deα Cu K (longitud de onda = 15,4 nm). Usando la difracción del plano (110) a 19.3°, el tamaño de la cristalita cae de 6.6 nm en la quitina limpia a 4.4 nm en la quitina expandida(Tabla 1).

Figura 4. Difractogramas de rayos X de quitina pulcra y expandida. La figura muestra los difractogramas de quitina en su forma de escamas ordenada y en su forma de espuma expandida seca por dos métodos diferentes: hornear a 800 ° C y liofilizar. Los tres difractogramas se normalizan a la intensidad máxima de reflexión a 19,3 °, que corresponde al plano (110). Tenga en cuenta el ensanchamiento general de los picos en las espumas expandidas en relación con las escamas ordenadas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Las mediciones de área de superficie específica, obtenidas a partir de isotermos de N 2-fisisorción a 77 K utilizando la ecuación31de Brunauer-Emmett-Teller (BET), conducen a observaciones similares. Para todos los materiales, las isotermas de adsorción N2 muestran que el volumen de captación aumenta linealmente con una presión parcial en el rango p/po = 0.05-0.25 (Figura 5A), como se espera de la condensación multicapa N2 32. Sin embargo, el volumen de absorción es mayor para las espumas expandidas. La gráfica BET (Figura 5B,5C), muestra una correlación lineal positiva con la presión parcial y la intercepción positiva, indicando que los datos están dentro del rango válido de la ecuación BET33. Como tal, el área de superficie específica de los materiales es proporcional a la inversa de la suma de la pendiente e intersección de esas líneas31. Mientras que el área de superficie específica de las escamas limpias es de 12.6 ± 2.1 m2/ g, la de la espuma seca al horno es de 43.1 ± 0.2 m2/ g, y la de la espuma liofilizada es de 73.9 ± 0.2 m2/ g. Los cambios en el índice de cristalinidad, el tamaño de la cristalita y el área de superficie específica indican que el material (1) forma una estructura más abierta y porosa, o (2) se degrada en partículas más pequeñas. Las micrografías de la Figura 3 sugieren lo primero, pero no se puede descartar lo segundo sin un análisis exhaustivo de la distribución del tamaño de los poros.

Figura 5. N2 isotermas de adsorción y gráficos BET. (A) Isotermos de adsorción N2 de quitina en su forma de escamas pulcras y en su forma de espuma expandida secado por dos métodos diferentes: horneado a 80 ° C y liofilizante, para presiones parciales en el rango BET. (B, C) Diagrama BET para los mismos materiales y el rango de presiones parciales. Las superficies específicas son proporcionales a la inversa de la suma de intersección y pendiente de las líneas en los gráficos BET. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

A pesar de los cambios morfológicos descritos anteriormente, el proceso de expansión no parece afectar la estructura química de la quitina. El espectro IR, obtenido como reflectancia total atenuada (ATR), de todas las muestras de quitina permanece prácticamente sin cambios independientemente del procesamiento (Figura 6). Nótese la similitud de los picos a 1650 cm-1 y 1550 cm-1 que corresponden al grupo funcional amida23.

Figura 6. Espectrogramas ATR IR de quitina pulcra y expandida. La figura muestra los espectros IR de la quitina en su forma de escamas ordenadas y en su forma de espuma expandida seca por dos métodos diferentes: hornear a 80 ° C y liofilizar. Las diferencias en los espectros son mínimas y no sugieren cambios químicos significativos entre las escamas limpias y la quitina de espuma expandida. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El comportamiento de descomposición térmica también indica cambios químicos mínimos entre las tres muestras(Figura 7). La forma del perfil termogravimétrico es idéntica para la quitina expandida independientemente del método de secado, pero ambos difieren de la de las escamas limpias(Figura 7A). Esto se atribuye a las limitaciones de masa y difusión térmica asociadas con las escamas más compactas. El inicio de la descomposición térmica de las tres muestras ocurre a 260 ° C(Figura 7B),pero la tasa máxima de descomposición para las escamas de quitina ocurre a temperaturas más altas debido a su morfología más compacta.

Figura 7. Perfiles termogravimétricos de quitina pulcra y expandida. La figura muestra los perfiles termogravimétricos integrales (arriba) y diferenciales (abajo) de la quitina en su forma de escamas ordenadas y en su forma de espuma expandida seca por dos métodos diferentes: hornear a 80 ° C y liofilizar. El inicio de la descomposición térmica de los tres materiales es a 260 ° C, pero las escamas se descomponen en un rango de temperatura más largo en relación con las espumas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El aumento en el área de superficie específica se acompaña de un aumento esperado en la absorción máxima de Cu por quitina. Mientras que las escamas limpias captan 13,8 ± 2,9 mg/g, la espuma seca al horno capta 43,1 ± 1,9 mg/g y la espuma liofilizada capta 73,1 ± 2,0 mg/g (Tabla 1). El aumento en la absorción de Cu se ilustra más claramente comparando las isotermas de adsorción de Langmuir estándar(Figura 8A)y linealizada(Figura 8B). La absorción máxima está representada por el límite asintótico en la isoterma estándar y el inverso de la pendiente en la isoterma linealizada. Sin embargo, estas diferencias en la captación desaparecen cuando la captación de Cu se normaliza por el área de superficie (Tabla 1). Mientras que las escamas limpias captan 10,5 ± 2,8 átomos/nm2,la espuma seca al horno capta 10,7 ± 0,4 átomos/nm2,y la espuma liofilizada capta 9,4 ± 0,3 átomos/nm2 (Tabla 1). Esto sugiere que la superficie de la quitina expandida es químicamente similar a la de las escamas de quitina iniciales, lo que concueerda con la espectroscopia y las observaciones termogravimétricas.

Figura 8. (A) Isoterma de adsorción de Cu estándar y linealizada (B, C). La figura muestra isotermos de adsorción de Cu de quitina en su forma de escamas ordenadas y en su forma de espuma expandida secas al hornear a 80 ° C y liofilizar. Cada punto de datos es el promedio de tres mediciones y las barras de error representan dos desviaciones estándar. Las barras de error para las espumas expandidas en la isoterma linealizada son pequeñas y solo se pueden ver en (C). Las líneas sólidas muestran las isotermos de adsorción de Langmuir que mejor se ajustan. La captación máxima es el valor asintótico en la isoterma de adsorción estándar y la pendiente inversa en las linealizadas. La quitina expandida muestra una mayor absorción de Cu que la de las escamas de quitina en al menos un factor de 4. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Los autores no tienen nada que revelar.