Questo studio presenta aerogel recuperabili di nanocellulosa/chitosano incorporati con nanoparticelle d'argento sintetizzate dal verde derivate dalla bagassa di canna da zucchero. Il composito ottimizzato mostra una multifunzionalità equilibrata, offrendo un'attività antibatterica robusta, una riduzione catalitica efficiente del 4-nitrofenolo e un adsorbimento migliorato di coloranti e metalli pesanti con un rilascio d'argento altamente controllato.
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Articolo di ricerca
Preparazione ecologica di aerogel di nanocellulosa/chitosan/agricolo derivati dai rifiuti per il trattamento multifunzionale dell'acqua
In questo articolo
Sommario
Abstract
Gli aerogel nanocellulosici derivati dai rifiuti offrono una via sostenibile per convertire residui lignocellulosici in materiali porosi funzionali, ma bilanciare attività antibatterica, prestazioni catalitiche, capacità di adsorbimento e controllo del rilascio di Ag rimane una sfida. In questo studio, la bagassa di canna da zucchero è stata utilizzata come fonte di biomassa per preparare nanocellulosa derivata dai rifiuti tramite trattamento alcalino, sbiancamento con perossido di idrogeno, omogeneizzazione ad alta pressione e sonicazione. La nanocellulosa è stata combinata con il chitosano per formare aerogel porosi tramite congelamento e liofilizzazione, seguita da un carico verde in situ di nanoparticelle di Ag utilizzando estratto di tè verde standardizzato come mezzo riducente. L'aerogel ottimizzato Ag-WNC/CS-A-3 manteneva alta porosità, stabilità meccanica migliorata e una superficie BET di 66,4 ± 5,2 m²/g. Ha mostrato una forte attività antibatterica contro Escherichia coli e Staphylococcus aureus, una riduzione efficiente del 4-nitrofenolo con una costante apparente di 0,184 ± 0,017 min⁻¹, e una maggiore adsorbimento verso il blu di metilene e il Pb(II), con capacità di equilibrio rispettivamente di 118,7 ± 7,1 mg/g e 72,4 ± 6,3 mg/g. Sebbene un carico di Ag più elevato abbia leggermente migliorato le prestazioni antibatteriche e catalitiche, riduceva l'equilibrio di adsorbimento e aumentava il rilascio di Ag. Nel complesso, Ag-WNC/CS-A-3 offriva la combinazione più equilibrata di integrità strutturale, attività multifunzionale, stabilità del riutilizzo e controllo del rilascio di Ag. Questo lavoro sostiene una strategia di progettazione sostenibile per aerogel bio-basati recuperabili in applicazioni antibatteriche, catalitiche e di trattamento dell'acqua.
Introduzione
La conversione dei rifiuti agricoli in materiali funzionali è diventata una direzione importante nella scienza sostenibile dei materiali. La bagassa di canna da zucchero è particolarmente attraente perché viene prodotta in grandi quantità durante la lavorazione di zucchero e succhi e contiene un'alta proporzione di cellulosa che può essere recuperata per applicazioni a valore aggiunto. Lavori recenti hanno sottolineato che la bagasse di canna da zucchero è una fonte di biomassa a basso costo e rilevante per l'ambiente, anche se l'estrazione efficiente della cellulosa, la funzionalizzazione e la produzione scalabile di nanostrutture restano sfide tecnichechiave. Questo rende la nanocellulosa derivata dal bagasse una piattaforma adatta per sviluppare materiali porosi che combinano la valorizzazione dei rifiuti con la funzionalità ambientale.
La nanocellulosa ha ricevuto crescente attenzione nel trattamento dell'acqua e nelle applicazioni ambientali grazie alla sua origine rinnovabile, alla struttura fibrillare su scala nanometrica, all'abbondanza di gruppi idrossile e all'elevata modificabilità superficiale. Una recente revisione ha riassunto che i materiali a base di nanocellulosa possono essere trasformati in polveri, film, membrane, idrogel, aerogel e oggetti tridimensionali per rimuovere coloranti, metalli pesanti, farmaci, pesticidi, cellule microbiche e altri inquinantidall'acqua 2. Tra questi formati, gli aerogel sono particolarmente promettenti perché combinano bassa densità, alta porosità, ampia superficie accessibile e facile recupero dopo l'uso.
La fabbricazione degli aerogel della nanocellulosa generalmente prevede la preparazione della nanocellulosa, la formazione del gel, lo scambio di solventi o congelamento diretto, e l'asciugatura. Questi passaggi permettono alle fibrille di nanocellulosa di assemblarsi in una rete porosatridimensionale 3. Tali aerogel sono stati ampiamente esplorati per l'adsorbimento di coloranti, ioni a metalli pesanti, antibiotici, solventi organici e miscele olio-acqua perché le loro strutture a pori aperti facilitano il trasferimento di massa mentre i loro gruppi funzionali superficiali forniscono siti di interazione per gli inquinanti. Tuttavia, gli aerogel solo a base di nanocellulosa spesso soffrono di una debole stabilità al bagno, resistenza meccanica limitata e insufficiente multifunzionalità, che ne limitano l'uso pratico.
Per superare queste limitazioni, gli aerogel compositi a base di cellulosa e chitosano hanno attirato l'attenzione. Il quitosano contiene gruppi amminomini e idrossi che possono interagire con la cellulosa tramite legami a idrogeno e possono anche fornire ulteriori siti di legame per ioni metallici e inquinanti organici. Gli aerogel a base biologica derivati da cellulosa e chitosano sono stati descritti come materiali emergenti per il trattamento dell'acqua perché la loro bassa densità, alta superficie, struttura porosa e chimica superficiale sintonizzabile possono supportare l'adsorbimento e il riutilizzo4. Negli aerogel di nanocellulosa, il chitosano può quindi agire non solo come componente di rinforzo strutturale, ma anche come polimero funzionale che migliora il legame agli inquinanti e il potenziale antibatterico.
Oltre all'adsorbito, si prevede sempre più che gli aerogel multifunzionali forniscano funzioni catalitiche e antimicrobiche. Questo è particolarmente rilevante per i materiali per il trattamento dell'acqua che possono incontrare sia inquinanti chimici che contaminazioni microbiche. Le nanoparticelle d'argento sono ampiamente utilizzate nei materiali funzionali grazie alle loro proprietà antimicrobiche e catalitiche. Quando immobilizzate su supporti a base di cellulosa, le nanoparticelle di Ag possono essere recuperate più facilmente e possono mostrare una dispersione migliore rispetto a quelle nonsupportate 5. Gli aerogel nano-argento/cellulosa sintetizzati in verde sono stati segnalati come catalizzatori riciclabili per l'idrogenazione del nitrofenolo, indicando che gli aerogel di cellulosa possono fungere da robusti portatori per sistemi catalitici a base di Ag6.
Le strategie di sintesi green sono importanti anche perché la sintesi convenzionale delle nanoparticelle può coinvolgere agenti riducenti forti o stabilizzatori che riducono il vantaggio ambientale dei materiali a base di biomassa. Gli estratti vegetali ricchi di polifenoli possono ridurre nanoparticelle da Ag⁺ a Ag contribuendo anche alla stabilizzazione durante la formazione delle particelle. L'estratto di tè verde è stato utilizzato per la sintesi dell'AgNP perché i suoi composti fenolici possono fungere da agenti riducenti ecoperanti 7. Tuttavia, la sintesi basata sull'estratto introduce anche variabilità batch, rendendo necessaria la standardizzazione degli estratti quando il metodo è destinato a essere riproducibile.
Nonostante questi progressi, rimangono diversi vuoti. Innanzitutto, molti studi si concentrano su una singola funzione, come l'adsorbimento dei coloranti, la rimozione dei metalli pesanti, l'attività antibatterica o la riduzione del 4-nitrofenolo, piuttosto che valutare come queste funzioni possano essere bilanciate in un unico sistema aerogel recuperabile. In secondo luogo, un carico di Ag più elevato è spesso associato a una maggiore attività antibatterica o catalitica, ma un eccesso di Ag può ostruire i pori, ridurre la capacità di adsorbimento, aumentare il rilascio e indebolire il profilo di sostenibilità del materiale. In terzo luogo, le prestazioni di adsorbimento sono frequentemente valutate in soluzioni a singolo inquinante, mentre ioni coesistenti e matrici acquee più complesse possono influire sostanzialmente sulle prestazionipratiche 8. Questi aspetti suggeriscono che la progettazione multifunzionale degli aerogel dovrebbe andare oltre la massima attività e considerare l'equilibrio struttura-funzione.
Rispetto agli aerogel di cellulosa/chitosan/Ag già riportati, l'attuale sistema si distingue per quattro caratteristiche progettuali collegate: l'impalcatura in cellulosa è preparata con scarti di bagassa di canna da zucchero; la fase di formazione AgNP utilizza estratto di tè verde standardizzato invece di un lotto di estratto vegetale non caratterizzato; vengono confrontati tre livelli precursori agricoli per identificare un equilibrio di prestazioni invece di una formulazione a carico massimo; e l'attività antibatterica, la catalisi del 4-nitrofenolo, l'adsorbimento di coloranti/metalli pesanti, la rigenerazione, la tolleranza alla matrice e il rilascio di Ag vengono valutate insieme. Questo design basato sul confronto chiarisce che la novità risiede nell'equilibrio integrato struttura-proprietà-prestazioni, piuttosto che nella semplice combinazione di cellulosa, chitosano e Ag.
Di conseguenza, questo studio ha sviluppato un aerogel di nanocellulosa derivante dai rifiuti (WNC)/chitosano (CS)/nanoparticelle d'argento (AgNP) utilizzando la bacassa di canna da zucchero come fonte di cellulosa e un estratto di tè verde standardizzato per il carico in situ di AgNP. Gli aerogel sono stati valutati tramite caratterizzazione multimodale, tra cui microscopia elettronica a trasmissione (TEM), microscopia elettronica a scansione con spettroscopia a raggi X a dispersione energetica (SEM/EDS), spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR), diffrazione a raggi X (XRD), spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), analisi dell'area superficiale Brunauer-Emmett-Teller (BET), analisi termogravimetrica (TGA) e test meccanici. Le prestazioni funzionali sono state valutate tramite sagaggi antibatterici basati su CFU contro Escherichia coli e Staphylococcus aureus, riduzione catalitica del 4-nitrofenolo, adsorbimento di blu di metilene e Pb(II), test di rigenerazione, interferenza ionica coesistente, valutazione simulata delle acque reflue e analisi del rilascio di Ag. Questo progetto si basa su lavori recenti che mostrano il potenziale degli aerogel a base di cellulosa e nanocellulosa per la rimozione degli inquinanti, affrontando al contempo la necessità di una valutazione delle prestazioni multifunzionale e del controllo del rilascio di Ag9.
L'ipotesi centrale era che un livello intermedio di carico agricolo avrebbe fornito una formulazione più equilibrata rispetto a un carico agricolo basso o eccessivo. In questo progetto, la nanocellulosa fornisce l'impalcatura porosa, il quitosano rinforza la struttura e contribuisce con i siti di adsorbito, mentre gli AgNP introducono attività antibatterica e catalitica. Studi recenti sugli aerogel compositi Ag a base di cellulosa hanno dimostrato che l'incorporazione di Ag può migliorare le funzioni antimicrobiche e catalitiche, ma la matrice di supporto e il comportamento di rilascio rimangono cruciali per le prestazionipratiche 10. Pertanto, il presente studio confronta tre livelli di carico di Ag per identificare la formulazione che bilancia meglio porosità, stabilità meccanica, attività antibatterica, efficienza catalitica, capacità di adsorbito, riutilizzabilità e controllo del rilascio di Ag.
Il significato più ampio di questo lavoro risiede nell'integrazione tra la valorizzazione dei rifiuti e la progettazione multifunzionale dei materiali per il trattamento dell'acqua. Recenti revisioni sugli aerogel a base di cellulosa e a base di biomassa hanno evidenziato il loro potenziale in adsorbimento, catalisi, separazione olio-acqua, isolamento e applicazioni biomediche, sottolineando anche la necessità di una preparazione più ecologica, una migliore scalabilità, stabilità di rigenerazione e sicurezzaambientale 11,12. Collegando la preparazione di nanocellulosa derivata dai rifiuti con il rinforzo con chitosano, il carico di AgNP verde e la valutazione delle prestazioni multimodali, questo studio fornisce un quadro pratico per sviluppare aerogel bio-basati recuperabili per applicazioni antibatteriche, catalitiche e di adsorbito.
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Protocollo
Materiali e progettazione sperimentale
La bagassa di canna da zucchero veniva utilizzata come fonte di rifiuti lignocellulosici per la preparazione della nanocellulosa. La bagassa fresca veniva lavata con acqua del rubinetto e acqua deionizzata, essiccata a 60 °C per 24 ore, tagliata in frammenti di 1–2 cm, macinata e passata attraverso un setaccio a 40 rete. La polvere essiccata veniva conservata in sacchetti di polietilene sigillati con gel di silice a temperatura ambiente e utilizzata entro un mese. Tutti i reagenti, materiali e attrezzature utilizzati in questo studio sono elencati nel file Tabella dei Materiali .
Salvo diversa specificazione, tutte le sostanze chimiche erano di grado analitico e utilizzate come ricevute. Idrossido di sodio, perossido di idrogeno, acido acetico, nitrato d'argento, boridrido di sodio, 4-nitrofenolo, blu di metilene, nitrato di piombo, acido cloridrico, acido nitrico, cloruro di sodio, cloruro di calcio, cloruro di magnesio, etanolo, reagente Folin-Ciocalteu, carbonato di sodio e acido gallico sono stati utilizzati per pretrattamenti, carico di Ag, test catalitici, adsorbimento, rigenerazione e calibrazione analitica. Il nitrato d'argento (reagente ACS, ≥99,0%), il boridriduro di sodio (≥98,0%), il reagente Folin-Ciocalteu (1,9–2,1 N) e le specifiche standard dell'acido gallico sono elencati nella Tabella dei Materiali. Il chitosano con un grado di deacetilazione dell'85%–90% è stato utilizzato come biopolimero secondario. Le foglie di tè verde sono state utilizzate per preparare l'estratto acquoso riducente per la formazione di nanoparticelle di Ag, poiché i polifenoli del tè possono agire come agenti riducenti e stabilizzanti durante la sintesi diAgNP 13. Il flusso di lavoro complessivo includeva l'estrazione della cellulosa, la preparazione della nanocellulosa, la fabbricazione di aerogel, il carico di AgNP, la caratterizzazione strutturale e i test funzionali, come mostrato nella Figura 1. Le composizioni campionari e i parametri di preparazione sono elencati nella Tabella 1.
La bagassa di canna da zucchero veniva pretrattata con lavaggio, asciugatura, macinazione, trattamento alcalino e sbiancamento con perossido di idrogeno per ottenere una polpa ricca di cellulosa. La polpa veniva convertita in nanocellulosa derivata dai rifiuti tramite omogeneizzazione e sonicazione ad alta pressione, quindi combinata con il chitosano per fabbricare aerogel di nanocellulosa/chitosano tramite congelamento e liofilizzazione. Le nanoparticelle di ag sono state caricate in situ utilizzando AgNO₃ ed estratto di tè verde standardizzato come mezzo riducente. Gli aerogel risultanti sono stati valutati tramite caratterizzazione strutturale, chimica, termica e meccanica multimodale, seguita da valutazioni antibatteriche, catalitiche, di adsorbimento, rigenerazione e rilascio di Ag. Ag-WNC/CS-A-3 è stata selezionata come formulazione ottimizzata per aerogel multifunzionale.
Preparazione della polpa ricca di cellulosa
La polvere di bagassa essiccata è stata trattata con NaOH al 4% in peso in un rapporto solido-liquido di 1:20 g/mL. La miscela veniva riscaldata a 80 °C per 3 ore sotto mescolatura a 500 giri/min. Le fibre trattate venivano filtrate e lavate con acqua deionizzata fino a raggiungere il pH 7,0 ± 0,2, quindi asciugate a 60 °C per 12 ore.
Le fibre trattate con alcalini sono state sbiancate con 3% di H₂O₂ in peso a pH 11,0 ± 0,2 e 80 °C per 2 ore. Il processo di sbiancamento è stato ripetuto due volte. La polpa ricca di cellulosa ottenuta veniva lavata fino a pH neutro e conservata in acqua deionizzata a 4 °C per non più di 7 giorni. I contenuti di cellulosa, emicellulosa, lignina e cenere sono stati determinati tramite analisi composizionale gravimetrica per confermare la rimozione dei componenti noncellulosici 14.
La resa della polpa veniva calcolata come:
(1)
Preparazione della nanocellulosa derivata dai rifiuti
La polpa di cellulosa umida equivalente a 5,0 g di massa secca è stata dispersa in 500 mL di acqua deionizzata e pre-omogeneizzata a 10.000 giri/min per 10 minuti. La sospensione veniva poi processata tramite omogeneizzazione ad alta pressione: due passaggi a 300 bar, tre passaggi a 600 bar e cinque passaggi a 900 bar. La temperatura di uscita veniva mantenuta sotto i 35 °C tramite un sistema di circolazione dell'acqua ghiacciata.
La sospensione omogenea veniva sonicata a 400 W per 10 minuti in modalità pulsazione, con 3 secondi accesi e 3 secondi spenti. La nave veniva tenuta in un bagno di ghiaccio durante la sonicazione. La sospensione finale fu diluita all'1,0% in peso e conservata a 4 °C. Le sospensioni che mostravano sedimentazione visibile o separazione di fase dopo 24 ore sono state scartate. La preparazione della nanocellulosa è stata accettata solo quando il diametro medio della fibra TEM era inferiore a 50 nm e il potenziale zeta assoluto superava i 25 mV.
La resa della nanocellulosa è stata calcolata come:
(2)
Preparazione e standardizzazione dell'estratto di tè verde
La polvere di tè verde, 5,0 g, è stata aggiunta a 100 mL di acqua deionizzata e riscaldata a 80 °C per 30 minuti. L'estratto veniva raffreddato, filtrato attraverso carta filtrante Whatman No. 1, centrifugato a circa 7.500 × g per 10 minuti (equivalente a circa 8.000 giri/min per un raggio del rotore di 10,5 cm), filtrato attraverso una membrana da 0,45 μm e conservato a 4 °C per non più di 48 ore.
Il contenuto fenolico totale è stato misurato utilizzando il metodo Folin-Ciocalteu. In breve, 0,5 mL di estratto diluito sono stati miscelati con 2,5 mL di reagente Folin-Ciocalteu diluito e 2,0 mL di carbonato di sodio al 7,5% in peso. Dopo un'incubazione al buio per 30 minuti, l'assorbanza è stata misurata a 765 nm. L'acido gallico veniva usato come standard. Solo i lotti estratti con contenuto fenolico totale entro il ±10% della media dei lotti sono stati utilizzati per la riduzione dell'AgNP.
Fabbricazione di aerogel di nanocellulosa/chitosano
Il chitosano è stato disciolto in acido acetico al 1,0 vol% per preparare una soluzione all'1,0% in peso e mescolato durante la notte. La soluzione veniva filtrata attraverso una rete di nylon da 100 μm prima dell'utilizzo.
Per la preparazione WNC/CS-A, 80 mL di sospensione nanocellulosa al 1,0% in peso sono stati miscelati con 20 mL di soluzione di chitosano all'1,0 peso a 600 giri/min. Il pH è stato regolato a 5,5 ± 0,2 usando 0,1 M di NaOH a una velocità inferiore a 0,5 mL/min. La miscela veniva scartata se appariva floculazione visibile o separazione di fase entro 30 minuti.
Un volume fisso di 5,0 mL di dispersione fu versato in stampi cilindrici in polipropilene con diametro interno di 20 mm e altezza di 20 mm. I campioni sono stati congelati a -80 °C per 12 ore e liofilizzati a -55 °C per 48 ore sotto una pressione di camera inferiore a 20 Pa. La liofilizzazione è stata utilizzata per preservare la rete porosa di nanocellulosa durante la formazionedegli aerogel 15. WNC-A è stato preparato seguendo la stessa procedura senza chitosan. L'aerogel secco veniva accettato solo quando manteneva una forma monolitica e mostrava un ritiro in altezza inferiore al 20%.
Carico verde in situ delle nanoparticelle di Ag
I monoliti essiccati di WNC/CS-A sono stati immersi in 30 mL di soluzione di AgNO₃ a 1, 3 o 5 mM per 6 ore al buio. Gli aerogel venivano poi trasferiti in 30 mL di estratto di tè verde standardizzato e reagivano a 50 °C per 4 ore al buio. Dopo la riduzione, i campioni sono stati lavati cinque volte con acqua deionizzata, congelati a -80 °C per 6 ore e liofilizzati a -55 °C per 36 ore. Gli ultimi campioni erano codificati come Ag-WNC/CS-A-1, Ag-WNC/CS-A-3 e Ag-WNC/CS-A-5. L'immobilizzazione dell'Ag negli aerogel di cellulosa migliora il recupero del catalizzatore e riduce la perdita di nanoparticelle rispetto ai sistemiAgNP non supportati 16.
Il carico di agricoltura è stato quantificato tramite spettroscopia di emissione ottica al plasma accoppiata induttivamente (ICP-OES). Circa 20 mg di aerogel carico di Ag sono stati digeriti in acido nitrico diluito a 80 °C, diluiti a 50 mL e analizzati utilizzando una curva di calibrazione Ag di 0,01–5,0 mg/L. L'efficienza di carico Ag è stata calcolata come:
(3)
Gli indicatori del processo verde utilizzati per la ressa, l'uso dei reagenti, il carico di Ag, il rilascio di Ag e la valutazione del riutilizzo sono riassunti nella Tabella 2.
Densità, porosità, assorbimento dell'acqua e stabilità dimensionale
La densità degli aerogel è stata calcolata dalla massa secca e dal volume geometrico. I campioni venivano essiccati a 60 °C per 6 ore, raffreddati in un essiccatore e misurati con un calibro digitale in tre posizioni.
(4)
La porosità era stimata come:
(5)
dove ρs è stato preso come 1,50 g/cm 3 per i solidi a base di cellulosa.
L'assorbimento dell'acqua veniva misurato immergendo aerogel secchi in acqua deionizzata per 24 ore. I campioni sono stati assorbiti per 10 secondi e pesati immediatamente.
(6)
dove Ws e Wd sono i pesi degli aerosol umidi e secchi. La stabilità dimensionale è stata valutata confrontando altezza e diametro prima e dopo l'immersione. Sono stati testati almeno cinque monoliti per gruppo.
Caratterizzazione morfologica e della struttura porosa
La morfologia della nanocellulosa è stata osservata dal TEM. Una sospensione a 0,005% di peso veniva inserita su una griglia di rame rivestita di carbonio, colorata con acido fosfotungsico all'1% in peso per 60 secondi, asciugata e immagiata a 80–120 kV. Almeno 100 fibre provenienti da tre sospensioni indipendenti sono state misurate utilizzando la versione 1.54 di ImageJ.
La morfologia degli aerogel è stata osservata dal SEM. I campioni sono stati frammentati in azoto liquido, montati su mozze di alluminio, rivestiti con oro per 60 secondi e fotografiati a 5–10 kV. Sono stati registrati almeno cinque campi per campione. La mappatura EDS è stata effettuata per determinare la distribuzione di Ag, C, O e N.
L'analisi di adsorbimento e desorbiamento dell'azoto è stata effettuata a 77 K. I campioni sono stati degassati a 60 °C per 12 ore prima dell'analisi. L'area superficiale BET e la distribuzione delle dimensioni dei pori di Barrett-Joyner-Halenda (BJH) sono state calcolate perché l'accessibilità dei pori influisce direttamente sull'adsorbimento e sulle prestazioni catalitiche negli aerogel dicellulosa 17.
FTIR, XRD, XPS e analisi TGA
Gli spettri FTIR sono stati raccolti in modalità ATR da 4000 cm-1 a 500 cm-1 con una risoluzione di 4 cm-1 con 32 scansioni per campione. Gli spettri sono stati corretti alla base e normalizzati alla banda cellulosa C-O-C vicino a 1050 cm-1. La FTIR è stata utilizzata per valutare gruppi funzionali correlati a cellulosa e chitosano; La formazione dell'AG è stata confermata da XRD, XPS, EDS e ICP-OES.
La XRD è stata eseguita utilizzando radiazione Cu K-alfa a 40 kV e 40 mA. I campioni venivano scansionati da 5° a 80° a 5°/min. L'indice di cristallinità della cellulosa è stato calcolato con il metodo Segal. L'Ag metallico cristallino veniva assegnato solo quando erano rilevabili picchi di diffrazione vicino a 38,1°, 44,3° e 64,4°, e la formazione dell'Ag veniva interpretata insieme a XPS, mappatura EDS e ICP-OES piuttosto che solo tramite XRD.
L'XPS veniva utilizzato per determinare la composizione elementare superficiale. Sono stati registrati spettri di rilevamento da 0 eV a 1200 eV, e sono stati raccolti spettri ad alta risoluzione per C 1, O 1, N 1 e Ag 3d. Le energie di legame erano calibrate a C 1s a 284,8 eV. Il fitting di picco è stato eseguito utilizzando la versione 2.3.25 di CasaXPS. L'adattamento Ag 3d è stato utilizzato come prova a supporto per le specie di agro superficiale; poiché l'analisi dei parametri Auger non è stata inclusa, i contributi relativi delle specie metalliche Ag0 e ossidate Ag0 sono stati interpretati con cautela.
La TGA veniva eseguita sotto azoto da 30 °C a 700 °C a 10 °C/min. Per ogni prova venivano utilizzati circa 5–8 mg di campione essiccato. Sono state registrate la temperatura di inizio della degradazione, la temperatura massima di degradazione e la massa residua a 700 °C.
Test meccanici
I test di compressione venivano eseguiti utilizzando una macchina universale equipaggiata con una cella di carico da 100 N. Campioni cilindrici di 20 mm di diametro e altezza 20 mm sono stati compressi al 50% di deformazione a 2 mm/min. Sono stati calcolati lo stress compressivo al 50% di deformazione e il modulo di Young sotto il 10% di deformazione.
La compressione ciclica è stata eseguita per cinque cicli di carico-scarico al 50% di deformazione. Il recupero della forma è stato calcolato dall'altezza recuperata dopo ogni ciclo. Sono stati analizzati almeno cinque esemplari per gruppo. Sono stati esclusi campioni con scivolamento, strappo dei bordi prima del 20% di deformazione o difetti visibili. I test meccanici sono stati utilizzati per valutare la stabilità della maneggevolezza durante immersione, recupero eriutilizzo 18.
Saggio antibatterico
L'attività antibatterica è stata valutata contro Escherichia coli e Staphylococcus aureus. I batteri sono stati coltivati nel brodo Luria-Bertani (LB) a 37 °C durante la notte e diluiti a circa 1 × 106 CFU/mL. La concentrazione è stata verificata tramite il conteggio delle lastre.
I dischi di aerogel di 10 mm di diametro e spessore 3 mm sono stati sterilizzati tramite irradiazione UV per 30 minuti su ciascun lato. La sterilità è stata confermata incubando aerogel trattati in brodo LB a 37 °C per 24 ore.
Per saghi di contatto, dischi aerogel sterili sono stati incubati in 2 mL di sospensione batterica a 37 °C per 4 ore con scuotimento a 120 giri/min. La sospensione veniva diluita serialmente, placcata su lagar LB e incubata a 37 °C per 24 ore. La riduzione batterica è stata calcolata come:
(7)
I controlli includevano solo PBS, disco sterile di carta filtrante, WNC-A, WNC/CS-A, soluzione di AgNO₃ con concentrazione di Ag equivalente al rilascio misurato di Ag-WNC/CS-A-3, e un disco antibiotico commerciale.
Per i saggi a zona inibitoria, dischi di aerogel sono stati posizionati su piastre agar distribuite con 100 μL di sospensione batterica. Le placche sono state incubate a 37 °C per 24 ore e sono stati misurati i diametri delle zone di inibizione. Ogni saggio utilizzava tre lotti indipendenti di aerogel con triplicati tecnici. Sono stati utilizzati sia i saghi di contatto che quelli della zona di inibizione perché il contatto superficiale e le specie Ag rilasciate possono contribuire in modo diverso all'attivitàantibatterica 19.
Riduzione catalitica del 4-nitrofenolo
L'attività catalitica è stata valutata utilizzando la riduzione del 4-nitrofenolo al 4-aminofenolo. Una soluzione di 4-nitrofenolo da 0,10 mM è stata miscelata con NaBH₄ appena preparato per ottenere una concentrazione finale di NaBH₄ di 10 mM. NaBH₄ è stato utilizzato entro 30 minuti dalla preparazione. La reazione era protetta dalla luce diretta.
Un campione di aerogel da 10,0 mg ± 0,5 mg è stato aggiunto a 10 mL di soluzione reattiva a temperatura ambiente. A intervalli di 1 minuto, 1 mL di aliquote venivano misurate tramite spettroscopia UV-Vis da 250 nm a 500 nm e riportate al recipiente di reazione. L'assorbanza a 400 nm veniva utilizzata per monitorare la conversione.
I controlli includevano una reazione senza aerogel, WNC-A, WNC/CS-A e un controllo parallelo di adsorbimento senza NaBH4 per distinguere la riduzione catalitica dall'adsorbimento di 4-nitrofenolo. Il controllo di adsorbimento senza NaBH4 è stato trattato come un blank di rimozione fisica; solo la diminuzione aggiuntiva del sistema contenente NaBH4 fu interpretata come conversione catalitica. La costante di tasso pseudo-primo ordine è stata calcolata come:
La conversione era calcolata come:
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Il saggio di riduzione del 4-nitrofenolo è stato scelto perché è una reazione standard tracciabile UV-Vis per la valutazione dei catalizzatori Agsupportati 20.
Riutilizzabilità catalitica
L'AG-WNC/CS-A-3 è stato riutilizzato per cinque cicli catalitici. Dopo ogni ciclo, l'aerogel veniva rimosso, lavato tre volte con acqua deionizzata, immerso in acqua deionizzata per 10 minuti e liofilizzato a −55 °C per 12 ore. La conversione a 15 minuti el'app k sono state registrate per ogni ciclo.
(9)
Dopo cinque cicli, l'aerogel utilizzato è stato analizzato da SEM e ICP-OES per valutare la ritenzione strutturale e la perdita di Ag.
Adsorbimento blu di metilene
Il blu di metilene è stato utilizzato come colorante modello cationico. Aerogel essiccato, 20,0 mg ± 0,5 mg, è stato aggiunto a 50 mL di soluzione da 50 mg/L MB al pH 7,0 ± 0,2. La miscela veniva agitata a 150 giri/min e a 25 ± 1 °C.
A 5, 10, 20, 30, 60, 90, 120 e 180 minuti, sono stati raccolti 1 mL di aliquote, filtrati attraverso una membrana da 0,22 μm e misurati a 664 nm. La concentrazione di MB è stata calcolata utilizzando una curva di calibrazione da 1 a 50 mg/L conR2 ≥ 0,995.
(10)
I dati cinetici sono stati adattati utilizzando modelli pseudo-primo e pseudo-secondo-ordine. La selezione del modello ha considerato R2, l'accordo tra q_e calcolata ed esperimentale, e la distribuzione dei residui. MB è stata scelta perché gli aerogel di nanocellulosa sono comunemente valutati per la rimozione dei coloranti tramite interazione elettrostatica, legami di idrogeno e diffusione di reteporosa 21.
Adsorbimento Pb(II)
L'adsorbimento di Pb(II) è stato testato utilizzando soluzione di nitrato di piombo. Una soluzione di stock da 1000 mg/L veniva diluita prima dell'uso. Aerogel essiccato, 20,0 mg ± 0,5 mg, è stato aggiunto a 50 mL di soluzione da 50 mg/L di Pb(II) al pH 5,5 ± 0,2. La miscela è stata agitata a 150 giri/min e 25 °C ± 1 °C per 180 minuti.
Le aliquote sono state filtrate attraverso una membrana di 0,22 μm, acidificate con acido nitrico all'1 vol% e analizzate tramite ICP-OES. I controlli vuoti senza aerogel sono stati eseguiti allo stesso pH iniziale dei campioni di adsorbito, e sono stati inclusi controlli senza Pb(II) per controllare i segnali di fondo.
Per l'analisi isotermica, sono state testate concentrazioni di Pb(II) di 10, 25, 50, 75, 100 e 150 mg/L per 24 ore. Sono stati utilizzati i modelli di Langmuir e Freundlich per l'adattamento dell'equilibrio. Pb(II) è stato utilizzato per valutare il legame da parte dei gruppi contenenti ossigeno e azoto all'interno della rete diaerogel 22. Poiché il rischio di speciazione e precipitazione di Pb(II) sono sensibili al pH e al tempo di contatto, Pb(II) è stato interpretato principalmente attraverso dati di endpoint e equilibrio/isotermia controllati dal pH; I parametri del modello cinetico sono quindi riportati solo per MB.
pH, ioni coesistenti ed effetti della matrice idrica
L'effetto del pH è stato testato a pH 3,0, 5,0, 7,0 e 9,0 per MB, e a pH 3,0, 4,5, 5,5 e 6,5 per Pb(II). L'adsorbimento di Pb(II) non è stato testato in condizioni alcaline per evitare precipitazioni. Sono stati registrati i pH iniziali e finale, e le corse di adsorbimento sono state ripetute quando la deriva del pH ha superato 0,5 unità. Controlli blank a pH stesso senza aerogel sono stati utilizzati per distinguere l'adsorbimento dell'aerogel dalla perdita o precipitazione di Pb(II) dipendente dal pH.
L'effetto degli ioni coesistenti è stato valutato aggiungendo 10 mM di NaCl, 5 mM di CaCl₂ o 5 mM di MgCl₂. È stata anche testata una condizione a ioni misti contenente tutti e tre i sali. Le acque reflue simulate contenevano 10 mM di NaCl, 2 mM di CaCl₂, 2 mM di MgCl₂ e 5 mg/L di acido umico. Il pH è stato regolato a 7,0 ± 0,2 per MB e 5,5 ± 0,2 per Pb(II). Questi test sono stati inclusi per valutare le prestazioni di adsorbimento sotto matrici idriche piùcomplesse 23.
Rigenerazione da adsorbimento
L'AG-WNC/CS-A-3 è stato rigenerato per cinque cicli di adsorbito. Per MB, gli aerogel carichi venivano immersi in una soluzione di etanolo/acqua da 30 mL a 50:50 v/v per 2 ore. Per Pb(II), gli aerogel carichi sono stati immersi in 30 mL di 0,05 M HCl per 1 ora e lavati a pH 6,5–7,0. Dopo ogni fase di rigenerazione, i campioni venivano liofilizzati a -55 °C per 12 ore.
(11)
La massa secca di aerogel veniva registrata prima e dopo ogni ciclo. I campioni con collasso visibile, frammentazione o perdita di massa secca superiore al 15% sono stati classificati come strutturalmente ceduti.
Rilascio agricolo
Il rilascio di Ag è stato testato immergendo 20,0 ± 0,5 mg di aerogel caricato di Ag in 50 mL di acqua deionizzata, soluzione di NaCl allo 0,9% in peso o tampone di acetato pH 5,5 a 25 ± 1 °C. A 24 ore e 72 ore sono state raccolte 2 mL di aliquote, acidificate con acido nitrico a 1 vol% e analizzate tramite ICP-OES. Il volume campionato fu sostituito con un mezzo fresco.
Il rilascio di Ag è stato riportato in μg/L e come percentuale del totale carico di Ag:
(12)
Questo saggio è stato utilizzato per valutare se un aumento del carico di Ag causasse una liscivia Ag non necessaria, mantenendo al contempo le prestazioni antibatteriche ecatalitiche 24.
Software ed elaborazione dati
Le immagini SEM e TEM sono state analizzate utilizzando ImageJ versione 1.54. Spettri FTIR, pattern XRD, curve cinetiche UV–Vis, cinetiche di adsorbimento e grafici isotermi sono stati trattati utilizzando OriginPro 2024. Gli spettri XPS sono stati installati con la versione 2.3.25 di CasaXPS. L'analisi statistica e la preparazione del grafico sono state effettuate utilizzando GraphPad Prism 10.
Per l'adattamento dell'adsorbito, i modelli non sono stati selezionati solo daR2 . È stato inoltre considerato l'accordo tra capacità di adsorbimento sperimentale e calcolata, distribuzione dei residui e plausibilità fisica deiparametri 25.
Controllo qualità e analisi statistica
Tutti gli esperimenti sono stati condotti utilizzando aerogel provenienti da almeno tre lotti di fabbricazione indipendenti. I test fisici e meccanici utilizzavano cinque campioni per gruppo. I saghi antibatterici, catalitici, di adsorbito, rigenerazione e di rilascio di Ag utilizzavano tre lotti indipendenti con triplicati tecnici quando applicabile.
I lotti di aerogel sono stati accettati solo quando la variazione della densità secca all'interno dello stesso gruppo era inferiore al 15%. Le piastre antibatteriche sono state accettate quando il numero di colonie era entro 30–300 CFU. I test catalitici sono stati ripetuti quando l'assorbenza iniziale a 400 nm variava di oltre il 10% rispetto alla media del lotto. I test di adsorbimento sono stati ripetuti quando la deriva del pH ha superato 0,5 unità. Le curve di calibrazione ICP-OES e UV–Vis richiedevano R2 ≥ 0,995.
I dati sono presentati come media ± deviazione standard. La normalità è stata valutata utilizzando il test di Shapiro–Wilk. I dati normalmente distribuiti sono stati analizzati tramite ANOVA unidirezionale seguita dal test post hoc di Tukey. I dati non normali sono stati analizzati dal test di Kruskal-Wallis seguito dal test di confronto multiplo di Dunn. Un p-value inferiore a 0,05 è stato considerato statisticamente significativo. Non veniva rimosso alcun caso a meno che non fosse presente una motivazione tecnica documentata.
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Risultati
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
L'autore ringrazia con gratitudine la School of Chemistry and Chemical Engineering dell'Università di Southampton per aver fornito l'ambiente accademico, le strutture essenziali di laboratorio e le risorse analitiche necessarie per condurre questa ricerca. Un ringraziamento speciale è rivolto al personale di supporto tecnico per il loro prezioso aiuto con gli strumenti di caratterizzazione multimodali, che sono stati fondamentali per la valutazione strutturale e chimica degli aerogel compositi. Questa ricerca, volta a promuovere la valorizzazione sostenibile dei rifiuti agricoli e la progettazione di materiali ambientali sostenibili, è stata condotta in modo indipendente. Questa ricerca non ricevette finanziamenti esterni.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 100 µm nylon mesh | Fornitore di laboratorio commerciale | Usato per filtrare la soluzione di chitosano prima della fabbricazione dell'aerogel. | |
| Acido acetico | Sigma-Aldrich | 695092 | |
| Disco antibiotico controllo positivo | Thermo Fisher | https://www.thermofisher.com/search/browse/category/us/en/90222069 | Seleziona in base al ceppo batterico e allo standard di test antibatterico locale. |
| Superficie BET e porosità | Micromeritics ASAP 2460 | ASAP 2460 | Micromeritics descrive l'ASAP 2460 come un analizzatore di area superficiale e porosimetria con porte ad alta produttività espandibili. |
| Cloruro di calcio | Sigma-Aldrich | 946664 | Riferire lo stato di idrato secondo il reagente acquistato. |
| Griglie TEM in rame rivestite in carbonio | Ted Pella | https://www.tedpella.com/grids_html/ | Utilizzare la specifica della griglia effettiva nella tabella finale. |
| Riferimento alla versione CasaXPS | CasaXPS 2.3.25 o versione installata corrente | https://casaxps.com/ | |
| Chitosan | Sigma-Aldrich | 448869 | |
| Stampi cilindrici in polipropilene | Fornitore di laboratorio commerciale | Utilizzati per lo stampaggio di monoliti aerogel. | |
| Analisi dei dati e tracciamento | OriginPro 2024 | ||
| Escherichia coli | ATCC | ATCC 25922 | |
| Etanolo | Sigma-Aldrich | 459844 | |
| Reagente di Folin–Ciocalteu | Sigma-Aldrich | F9252 | |
| Asciugatrice | Labconco FreeZone | https://www.labconco.com/category/freeze-dry-evaporation/freeze-dry-systems | |
| FTIR | Thermo Scientific Nicolet iS50 | 912A0760 | Spettrometro FTIR o equivalente |
| Acido gallico | Sigma-Aldrich | G7384 | Usare come standard di calibrazione per il saggio di Folin–Ciocalteu; la fonte del prodotto deve essere verificata rispetto al registro di acquisto effettivo del laboratorio. |
| Foglie di tè verde | Fornitore locale | Fornitore locale | Utilizzare il registro del lotto, il marchio, la data di raccolta/acquisto e la standardizzazione totale dei fenoli invece di solo una pagina web commerciale. |
| Acido cloridrico | Sigma-Aldrich | 258148 | |
| Perossido di idrogeno | Sigma-Aldrich | 386790 | |
| ICP-OES | Agilent 5110 | 5110 | PerkinElmer Avio 500 / equivalente |
| Analisi delle immagini | ImageJ 1.54 | La versione ImageJ/Fiji deve essere riportata in base al pacchetto software effettivamente installato nel laboratorio. | |
| Brodo LB e agar LB | Thermo Fisher | 10855001 | Utilizzare il fornitore e il numero di catalogo effettivi dall'inventario del laboratorio di microbiologia. |
| Nitrato di piombo | Sigma-Aldrich | NIST928 | |
| Cloruro di magnesio | Sigma-Aldrich | M8266 | Riferire lo stato di idrato secondo il reagente acquistato. |
| Blu di metilene | Sigma-Aldrich | M9140 | |
| Acido nitrico | Sigma-Aldrich | 438073 | Utilizzare grado a basso contenuto di metalli in traccia se disponibile per i flussi di lavoro ICP-OES. |
| PBS | Thermofisher Scientific | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010023 | Utilizzato come controllo di test antibatterico/mezzo di diluizione. |
| Organismo QC E. coli pronto all'uso | Thermo Fisher Culti-Loops | Cat. No. R4607050 | Formato alternativo per ATCC 25922 |
| SEM | Hitachi SU8010 / ZEISS Sigma / equivalente | https://www.hitachi-hightech.com/global/en/products/microscopes/sem-tem-stem/sem/ | |
| Nitrato d'argento | Sigma-Aldrich | 209139 | |
| Sodiboruro | Sigma-Aldrich | 452882 | Sigma-Aldrich elenca il sodiboruro 452882 come polvere, ≥98,0%. |
| Carbonato di sodio | Sigma-Aldrich | 223530 | |
| Cloruro di sodio | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Idrossido di sodio | Sigma-Aldrich | 221465 | |
| Staphylococcus aureus | ATCC | ATCC 25923 | ATCC identifica S. aureus 25923 come un ceppo di controllo di qualità utilizzato per la diffusione su disco CLSI e il test sui media. |
| Prism 10 | GraphPad | Versione 10 | Analisi statistica |
| Dischi di carta filtro sterili | Whatman | Utilizzati per controlli di diffusione su disco e confronto disco-aerogel. | |
| Bagassa di canna da zucchero | Fornitore locale | Fonte di lavorazione del succo locale | Utilizzare il registro della raccolta anziché la pagina web del fornitore; riportare luogo, data, metodo di essiccazione e condizione di conservazione. |
| Filtri per siringa | Millipore | https://www.merckmillipore.com/US/en/products/filtration/laboratory-syringe-filters/syringe-filters | Abbinare il materiale della membrana al sistema di solventi e al registro di acquisto effettivo. |
| TEM | JEOL JEM-2100 | JEM-2100 | |
| TGA | TA Instruments Q500 | Q500 | |
| Macchina di prova universale | Instron 5943 | 5943 | |
| Spettroscopia UV–Vis | Shimadzu | UV-2600i Plus | |
| Elaborazione dati XPS | CasaXPS | https://casaxps.com/ | |
| XRD | Bruker D8 Advance | https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/diffractometers-and-x-ray-microscopes/x-ray-diffractometers.html | Rigaku SmartLab / equivalente |
Riferimenti
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