本研究では、サトウキビバガス由来の緑合成銀ナノ粒子を埋め込んだ回収可能なナノセルロース/キトーサンエアロゲルを提示します。最適化された複合材はバランスの取れた多機能性を示し、強固な抗菌活性、効率的な触媒4-ニトロフェノール還元、そして高度に制御された銀放出を伴う染料および重金属吸着の向上を実現しています。
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この記事について
サマリー
要約
廃棄物由来のナノセルロースエアロゲルは、リグノセルロース残基を機能的な多孔質材料に変換する持続可能な方法を提供しますが、抗菌活性、触媒性能、吸着能力、農産物放出制御のバランスを取ることは依然として課題です。本研究では、サトウキビバガスをバイオマス源として用いて、アルカリ処理、過酸化水素漂白、高圧均質化、超音波処理を用いて廃棄物由来のナノセルロースを製造しました。ナノセルロースはキトサンと結合し、凍結・凍結乾燥を経て多孔質エアロゲルを形成し、その後標準化された緑茶抽出物を還元媒体として生原グリーンローディングしました。最適化されたAg-WNC/CS-A-3エアロゲルは高い多孔率を維持し、機械的安定性が向上し、BET表面積は66.4±5.2 m²/gでした。大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する強い抗菌活性、見かけの速度定数0.184 ±0.017分¹の効率的な4-ニトロフェノール還元、メチレンブルーおよびPb(II)への吸着能力の向上を示し、平衡容量はそれぞれ7.1 mg/g±72.4 ± 6.3 mg/gでした。高濃度のアグリウム負荷は抗菌および触媒性能をわずかに向上させましたが、吸着バランスを低下させ、アグリウム放出を増加させました。総じて、Ag-WNC/CS-A-3は構造の完全性、多機能活性、再利用安定性、農業放出制御の最もバランスの取れた組み合わせを提供しました。この研究は、抗菌、触媒、水処理用途における回収可能なバイオベースエアロゲルの持続可能な設計戦略を支援しています。
概要
農業廃棄物を機能的材料に転換することは、持続可能な材料科学における重要な方向性となっています。サトウキビバガスは、砂糖やジュースの加工時に大量に生成され、付加価値用途のために回収可能なセルロースの割合が高いため特に魅力的です。最近の研究では、サトウキビバガスが低コストかつ環境に関連性の高いバイオマス源であることが強調されていますが、効率的なセルロース抽出、機能化、そしてスケーラブルなナノ構造生産は依然として重要な技術的課題となっています。これにより、バガス由来のナノセルロースは、廃棄物の価値化と環境機能性を組み合わせた多孔質材料の開発に適したプラットフォームとなっています。
ナノセルロースは、その再生可能起源、ナノスケールの繊維構造、豊富なヒドロキシル基、高い表面変質性から、水処理や環境用途でますます注目を集めています。最近のレビューでは、ナノセルロース系材料が粉末、フィルム、膜、ハイドロゲル、エアロゲル、三次元物体に加工され、染料、重金属、医薬品、農薬、微生物細胞、その他の汚染物質を水中から除去できるとまとめられています。これらのフォーマットの中で、エアロゲルは低密度、高多孔性、広いアクセス可能な表面積、使用後の回収が容易であることから特に有望です。
ナノセルロースエアロゲルの製造は一般的に、ナノセルロースの調製、ゲル形成、溶媒交換または直接凍結、乾燥を含みます。これらの工程により、ナノセルロース繊維が三次元多孔質ネットワークに組み立てられます。このようなエアロゲルは、開孔構造が質量移動を促進し、表面官能基が汚染物質の相互作用部位を提供するため、染料、重金属イオン、抗生物質、有機溶媒、油水混合物の吸着に広く研究されています。しかし、ナノセルロースのみのエアロゲルは、湿潤安定性の弱さ、機械的強度の制限、多機能性の不足という問題が多く、実用的な使用を制限しています。
これらの制約を克服するために、セルロースとキトーサンを基にした複合エアロゲルが注目を集めています。キトサンはアミノ基とヒドロキシル基を含み、水素結合を通じてセルロースと相互作用し、金属イオンや有機汚染物質の追加結合部位を提供する可能性があります。セルロースとキトーサン由来のバイオベースのエアロゲルは、低密度、高表面積、多孔質構造、調整可能な表面化学構造により吸着と再利用を支持できるため、水処理の新興材料として説明されています。したがって、ナノセルロースエアロゲルにおいて、キトサンは構造補強成分であるだけでなく、汚染物質結合や抗菌能力を向上させる機能的ポリマーとしても機能します。
吸着に加え、多機能エアロゲルは触媒および抗菌機能を提供することがますます期待されています。これは、化学汚染物質や微生物汚染の両方に遭遇する可能性のある水処理材料に特に重要です。銀ナノ粒子は抗菌および触媒特性により機能性材料に広く使用されています。セルロースベースの支持体に固定化すると、Agナノ粒子はより容易に回収でき、支持されていないナノ粒子と比べて拡散が改善される可能性があります5。グリーン合成のナノシルバー/セルロースエアロゲルは、ニトロフェノール水素生成のリサイクル可能な触媒として報告されており、セルロースエアロゲルが農業系触媒系の堅牢なキャリアとして機能できることを示しています6。
グリーン合成戦略も重要です。なぜなら、従来のナノ粒子合成では強力な還元剤や安定剤が使われ、バイオマス系材料の環境優位性が低下する可能性があるからです。ポリフェノールを豊富に含む植物抽出物は、Ag⁺からAgへのナノ粒子を還元し、粒子形成時の安定化にも寄与します。緑茶エキスは、そのフェノール化合物が還元剤およびキャップ剤として機能するため、AgNP合成に用いられてきました。しかし、抽出物ベースの合成はバッチの変動性も生じさせるため、再現性を目指す方法において抽出物の標準化が必要となります。
これらの進歩にもかかわらず、いくつかの空白が残っています。まず、多くの研究は染料吸着、重金属除去、抗菌活性、4-ニトロフェノール還元などの単一の機能に焦点を当てており、これらの機能を1つの回収可能なエアロゲルシステムでどのようにバランスさせるかを評価することがあまりありません。次に、Ag負荷が高いと抗菌または触媒活性が強くなることが多いですが、過剰なAgは孔を塞ぎ、吸着能力を低下させ、放出を増やし、材料の持続可能性を弱める可能性があります。第三に、吸着性能は単一汚染物質溶液で評価されることが多いですが、共存イオンやより複雑な水マトリックスは実際の性能に大きな影響を与えることがある8。これらの課題は、多機能エアロゲル設計が最大限の活動を超え、構造と機能のバランスを考慮するべきであることを示唆しています。
これまで報告されたセルロース/キトサン/アグリウムエアロゲルと比較し、本システムは4つの関連した設計特徴によって区別されます。セルロース足場はサトウキビのバッタスト廃棄物から準備されています。AgNPの形成段階では、未解析の植物抽出バッチではなく標準化された緑茶抽出物を使用します。最大負荷の処方ではなく、3つのAg前駆体レベルを比較し、パフォーマンスバランスを特定します。抗菌活性、4-ニトロフェノール触媒作用、染料/重金属吸着、再生、マトリックス耐性、Ag放出を同時に評価します。この比較ベースの設計は、新規性がセルロース、キトサン、Agの組み合わせだけでなく、構造・特性・性能の統合バランスにあることを明確にします。
したがって、本研究ではサトウキビのバガスをセルロース源とし、標準化された緑茶抽出物を用いた廃棄物由来のナノセルロース(WNC)、キトサン(CS)および銀ナノ粒子(AgNP)エアロゲルを開発しました。エアロゲルは、透過電子顕微鏡(TEM)、走査型電子顕微鏡(エネルギー分散型X線分光法、SEM/EDS)、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)、X線回折(XRD)、X線光電子分光法(XPS)、ブルナウアー・エメット・テラー法(BET)表面積解析、熱重力分析(TGA)、機械試験など、マルチモーダル特性評価によって評価されました。機能性能は、大 腸桿菌 および 黄色ブドウ球菌に対するCFUベースの抗菌アッセイ、4-ニトロフェノールの触媒還元、メチレンブルーおよびPb(II)の吸着、再生試験、共存イオン干渉、模擬廃水評価、Ag放出分析によって評価されました。この設計は、セルロース系およびナノセルロース系エアロゲルによる汚染物質除去の可能性を示す最近の研究を基に、多機能性能評価および農業放出制御の必要性に対応しています。
中心的な仮説は、中間的なAg負荷レベルが低負荷または過剰負荷よりもバランスの取れた配合を提供するというものでした。この設計では、ナノセルロースが多孔質の足場を提供し、キトサンが構造を強化し吸着部位に寄与し、AgNPが抗菌および触媒活性を導入します。セルロース系のアグリコンポジットエアロゲルに関する最近の研究では、アグリウムの導入が抗菌および触媒機能を向上させることが示されていますが、実際の性能には支持マトリックスと放出挙動が依然として重要です。したがって、本研究では、3つのAg負荷レベルを比較し、多孔性、機械的安定性、抗菌活性、触媒効率、吸着能力、再利用性、Ag放出制御の最適な配合を特定します。
この研究のより広範な意義は、廃棄物の価値化と多機能水処理材料設計の統合にあります。セルロース系エアロゲルおよびバイオマス系エアロゲルに関する最近のレビューでは、吸着、触媒、油水分離、断熱、バイオメディカル用途の可能性が強調される一方で、より環境に優しい準備、拡張性の向上、再生安定性、環境安全の必要性も強調されています。廃棄物由来のナノセルロース製剤とキトーサン強化、グリーンAgNP負荷、多モーダル性能評価を結びつけることで、本研究は抗菌、触媒、吸着用途向けの回収可能なバイオベースエアロゲル開発の実用的な枠組みを提供します。
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プロトコル
材料と実験設計
サトウキビのバガスはナノセルロース製剤のリグノセルロース廃棄物源として用いられました。新鮮なバガスは水道水と脱イオン水で洗浄され、60°Cで24時間乾燥され、1〜2cmの破片に切り分けられ、製粉され、40メッシュのふるいにかけられました。乾燥粉末は室温のシリカゲル入りの密封ポリエチレン袋に保管され、1か月以内に使用されました。本研究で使用されるすべての試薬、材料、機器は材料 表 ファイルに記載されています。
特に指定がない限り、すべての化学物質は分析等級であり、受け取ったまま使用されました。水酸化ナトリウム、過酸化水素、酢酸、硝酸銀、ホウ化ナトリウム、4-ニトロフェノール、メチレンブルー、硝酸鉛、塩酸、硝酸、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、エタノール、フォリン・シオカルテ試薬、炭酸ナトリウム、ガリック酸が前処理、農ガス充填、触媒試験、吸着、再生、分析校正に使用されました。硝酸銀(ACS試薬≥99.0%)、ホウ化ナトリウム(≥98.0%)、フォリン・シオカルテ試薬(1.9–2.1N)、およびガリック酸標準仕様は 材料表に記載されています。脱アセチル化度85%〜90%のキトサンが二次生体高分子として使用されました。緑茶の葉は、Agナノ粒子形成のための水還元抽出物の調製に用いられました。これは、茶のポリフェノールがAgNP合成13の際に還元および安定化剤として作用するためです。全体のワークフローには、セルロース抽出、ナノセルロース製製、エアロゲル製造、AgNP負荷、構造特性評価、機能試験が含まれており、 図1に示されています。サンプル組成と調製パラメータは 表1に記載されています。
サトウキビのバガスは洗浄、乾燥、粉砕、アルカリ処理、過酸化水素漂白を経てセルロース豊富なパルプを得ました。パルプは高圧均質化と超音波処理を経て廃棄物由来のナノセルロースに変換され、その後キトサンと結合して冷凍・凍結乾燥によってナノセルロース/キトーサンエアロゲルを製造しました。アグリナノ粒子は還元媒質としてAgNO₃と標準化された緑茶抽出 物を用 いて生原で積み込まれました。得られたエアロゲルは、多モーダルによる構造的、化学的、熱的、機械的特性評価を行い、その後抗菌、触媒、吸着、再生、農業放出評価が行われました。最適化された多機能エアロゲル製剤としてAg-WNC/CS-A-3が選ばれました。
セルロース豊富なパルプの製剤
乾燥バガス粉末は4wt%のNaOHで、固体と液体の比率1:20 g/mLで処理されました。混合物は80°Cで3時間加熱され、500rpmでかき混ぜられました。処理された繊維はろ過され、脱イオン水で洗浄され、ろ過液がpH7.0±0.2に達するまで行われ、その後60°Cで12時間乾燥させられました。
アルカリ処理繊維はpH11.0±0.2および80°Cで3wt%のH₂O₂で漂白され、2時間かけて漂白されました。漂白の工程は2回繰り返しました。得られたセルロース豊富なパルプは中性pHに洗浄され、4°Cの脱イオン水で7日以内に保存されました。セルロース、ヘミセルロース、リグニン、灰の含有量は、非セルロース成分の除去を確認するために重力組成解析によって決定されました。
パルプ収量は次のように計算されました:
(1)
廃棄物由来ナノセルロースの製剤
5.0 gの乾燥質量に相当する湿ったセルロースパルプを500 mLの脱イオン水に分散し、10分間10分間、10,000 rpmで予備均質化しました。その後、懸濁液は高圧均質化処理で行われました:300バールで2回、600バールで3回、900バールで5回。出口の温度は氷水循環システムにより35°C以下に保たれていました。
均質化サスペンションはパルスモードで400Wで10分間音響処理され、3秒オン、3秒オフで動作しました。超音波検査中は容器を氷浴に浸していました。最終的な懸浮液は1.0 wt%に希釈され、4°Cで保存されました。 24時間後に目に見える沈降や相分離を示す懸濁液は廃棄されました。ナノセルロース製剤は、平均的なTEMファイバー径が50 nm未満で、絶対ゼータポテンシャルが25 mVを超える場合にのみ受け入れられました。
ナノセルロース収率は次のように計算されました:
(2)
緑茶エキスの調製と標準化
緑茶パウダー5.0gを100mLの脱イオン水に加え、80°Cで30分間加熱しました。抽出物は冷却され、ワットマンNo.1のろ過紙でろ過され、約7,500× g で10分間遠心分離され(10.5cmのローター半径で約8,000rpmに相当)、0.45μmの膜でろ過され、4°Cで48時間以内に保存されました。
総フェノール含有量はフォリン・チョカルテ法を用いて測定されました。簡単に、0.5mLの希釈抽出物を2.5mLの希釈フォリン・チオカルテウ試薬および2.0mLの7.5重度炭酸ナトリウムと混合しました。暗闇で30分間インキュベーションした後、吸収度は765nmで測定されました。標準としてはガリック酸が使用されました。総フェノール含有量がバッチ平均の±10%以内の抽出物のみがAgNP還元に使用されました。
ナノセルロース/キトーサンエアロゲルの製造
千寿サンは1.0ボリューム%の酢酸に溶かして1.0 wt%の溶液を準備し、一晩かき混ぜました。使用前に溶液は100μmのナイロンメッシュでろ過されました。
WNC/CS-A製剤としては、1.0 wt%ナノセルロース懸濁液80 mLと1.0 wt%キトーサン溶液20 mLを600 rpmで混合しました。pHは0.1 M NaOHを用いて5.5±0.2に徐々に微調整され、0.5 mL/min未満の速度で調整されました。30分以内に目に見えるフロック化や相分離が見られた場合、混合物は廃棄されました。
内径20mm、高さ20mmの円筒形ポリプロピレン型に、固定容量の5.0 mL分散液を注ぎ込みました。サンプルは-80°Cで12時間凍結され、-55°Cで48時間凍結され、チャンバー圧力20 Pa未満で行われました。エアロゲル形成15の際に多孔質ナノセルロースネットワークを保護するために凍結乾燥が用いられました。WNC-Aは千脱産を含まず、同じ手法で製製されました。乾燥エアロゲルは、一枚岩の形状を維持し、高さが20%未満で収縮した場合にのみ受け入れられました。
アグリウムナノ粒子の現場グリーンローディング
乾燥したWNC/CS-Aモノリスは、暗闇で1、3、または5 mMの30 mLのAgNO₃溶液に6時間浸けられました。エアロゲルは標準化された緑茶エキス30mLに移され、暗闇で4時間反応させました。還元後、サンプルは脱イオン水で5回洗浄され、-80°Cで6時間凍結、-55°Cで36時間凍結されました。最終サンプルはAg-WNC/CS-A-1、Ag-WNC/CS-A-3、Ag-WNC/CS-A-5とコード化されました。セルロースエアロゲルにおけるアグリウム固定化は、無支持のAgNPシステムと比較して触媒回収を促進し、ナノ粒子損失を減少させます16。
アグリウム負荷は誘導結合プラズマ-光学発光分光法(ICP-OES)によって定量化されました。約20 mgのAg充填エアロゲルを80°Cの希薄硝酸に分解し、50 mLに希釈して、0.01〜5.0 mg/LのAg校正曲線で分析しました。Ag負荷効率は次のように計算されました。
(3)
収量、試薬使用量、アグリウム負荷、放出、再利用評価に用いられるグリーンプロセス指標は表 2にまとめられています。
密度、多孔性、水分の取り込み、次元安定性
エアロゲル密度は乾燥質量と幾何学的体積から計算されました。サンプルは60°Cで6時間乾燥し、乾燥器で冷却され、デジタルキャリパーで3か所で測定されました。
(4)
孔隙率は次のように推定されました:
(5)
ここで ρs はセルロース系固体に対して 1.50 g/cm³と表されます。
水分の取り込みは、乾燥エアロゲルを脱イオン水に24時間浸すことで測定されました。サンプルは10秒間ブロットされ、すぐに計量されました。
(6)
ここでWsとWdは湿ったエアロゾルと乾エアロゾルの重量です。次元安定性は、浸水前後の高さと直径を比較することで評価されました。各グループにつき少なくとも5つのモノリスがテストされました。
形態学的および多孔質構造の特徴付け
TEMによってナノセルロースの形態が観察されました。0.005 wt%の懸濁液を炭素被覆銅グリッドに落とし、1 wt%のリン酸で60秒染色し、乾燥後80〜120 kVで画像化しました。ImageJバージョン1.54を用いて、3つの独立懸架から少なくとも100本の繊維が測定されました。
SEMによってエアロゲルの形態が観察されました。試料は液体窒素で破砕され、アルミニウムのスタブに取り付けられ、60秒間金でスパッターコーティングされ、5〜10kVで画像化されました。サンプルごとに少なくとも5つのフィールドが記録されました。EDSマッピングはAg、C、O、Nの分布を特定するために実施されました。
窒素吸着脱着分析は77 Kで行われ、サンプルは60°Cで12時間脱ガスされてから分析されました。BET表面積およびBarrett-Joyner-Halenda(BJH)の孔径分布は、セルロースエアロゲルにおける吸収および触媒性能に直接影響するため計算されました17。
FTIR、XRD、XPS、TGA解析
FTIRスペクトルはATRモードで4 cm-1 の解像度で4 cm-1 の解像度で32回のスキャンを行いました。スペクトルはベースライン補正され、セルロースC-O-Cバンド付近の1050 cm-1に正規化されました。FTIRはセルロースおよびキトサン関連官能基の評価に用いられました。XRD、XPS、EDS、ICP-OESによってAG形成が確認されました。
XRDは40 kVおよび40 mAのCu K-α放射を用いて実施されました。サンプルは5°から80°まで、5°/分でスキャンされました。セルロース結晶度指数はセガル法で計算されました。結晶性金属酸塩は、回折ピークが38.1°、44.3°、64.4°付近で検出可能な場合にのみ割り当てられ、酸生成はXRD単独ではなくXPS、EDSマッピング、ICP-OESと併用して解釈されました。
XPSは表面元素組成の決定に用いられました。調査スペクトルは0 eVから1200 eVまで記録され、C 1、O 1、N 1、Ag 3dの高解像度スペクトルが収集されました。結合エネルギーは284.8 eVのC1に校正されました。ピークフィッティングはCasaXPSバージョン2.3.25を使用して実施されました。地表のAg種の証拠として3次元フィッティングが用いられました。オージェパラメータ解析が含まれていなかったため、金属Ag0種と酸化Ag種の相対的な寄与は慎重に解釈されました。
TGAは窒素30°Cから700°Cの温度で、10°C/分で実施されました。各ランで約5〜8 mgの乾燥サンプルが使用されました。700°Cでの開始分解温度、最大分解温度、残留質量が記録されました。
機械的試験
圧縮試験は100Nのロードセルを搭載した汎用試験機を用いて実施されました。直径20mm、高さ20mmの円筒形試料を2mm/分で50%のひずみに圧縮しました。ひずみ50%時の圧縮応力と10%ひずみ未満のヤング率を計算しました。
50%のひずみで5回の積載・荷降ろしサイクルのサイクル圧縮が行われました。形状回復は各サイクル後に回収された高さから計算されました。各グループにつき少なくとも5個の標本が検査されました。滑り、20%のひずみ前のエッジ裂け、または目に見える欠陥のある試料は除外しました。機械的試験は、浸水、回収、再利用時の取り扱い安定性を評価するために行われました。
抗菌アッセイ
抗菌活性は 大腸菌 および 黄色ブドウ球菌に対して評価されました。細菌は37°CのLuria-Bertani(LB)ブロスで一晩培養し、約1 × 106 CFU/mLに希釈しました。濃度はプレートカウントで確認されました。
直径10mm、厚さ3mmのエアロゲルディスクは、両面それぞれ30分間UV照射で滅菌されました。無菌性は、処理済みエアロゲルをLBブロスで37°Cで24時間培養することで確認されました。
接触殺傷アッセイでは、滅菌エアロゲルディスクを37°Cで2mLの細菌懸濁液に4時間、120rpmで振るいで培養しました。サスペンションは連続的に希釈され、LB寒天にメッキされ、37°Cで24時間培養されました。細菌減少は次のように計算されました。
(7)
対照にはPBSのみ、滅菌フィルターペーパーディスク、WNC-A、WNC/CS-A、AgNO₃溶液(Ag-WNC/CS-A-3の放出量と同等のAgNO₃溶液)、および市販の抗生物質ディスクが含まれていました。
阻害ゾーンアッセイでは、エアロゲルディスクを100μLの細菌懸濁液で広げた寒天プレートに置きました。プレートは37°Cで24時間インキュベートされ、阻害帯の直径が測定されました。各アッセイは技術的三重の独立したエアロゲルバッチを用いました。接触殺害アッセイと阻害ゾーンアッセイの両方が用いられました。なぜなら、表面接触と放出されたアグリウム種が抗菌活性に異なる影響を与える可能性があるためです19。
4-ニトロフェノールの触媒還元
触媒活性は4-ニトロフェノールを4-アミノフェノールに還元して評価されました。0.10 mMの4-ニトロフェノール溶液を新たに調製したNaBH₄と混合し、最終的なNaBH₄濃度10 mMを得ました。NaBH₄は調製後30分以内に使用されました。反応は直射光から保護されていました。
10.0 mg±0.5 mgのエアロゲルサンプルを室温の反応液10 mLに加えました。1分間隔で、250nmから500nmのUV-Vis分光法で1mLのアリコートを測定し、反応容器に戻しました。400 nmの吸収は変換の監視に用いられました。
対照には、エアロゲルなしの反応、WNC-A、WNC/CS-A、そして触媒還元と4-ニトロフェノール吸着を区別するためのNaBH4を使わない並行吸着対照が含まれていました。無NaBH4吸着制御は物理除去用の空白として扱われました。NaBH4を含む系の追加減少のみが触媒変換と解釈されました。擬1階速度定数は次のように計算されました:
コンバージョンは次のように計算されました:
(8)
4-ニトロフェノール還元アッセイは、支持されたAg触媒を評価するための標準的なUV-Vis-トレーサブル反応であるため選ばれました。
触媒的再利用性
Ag-WNC/CS-A-3は5回の触媒サイクルに再利用されました。各サイクル終了後、エアロゲルは除去され、脱イオン水で3回洗浄され、脱イオン水に10分間浸され、−55°Cで12時間冷凍乾燥されました。15分の変換と kアプリ は各サイクルごとに記録されました。
(9)
5サイクル後、使用されたエアロゲルはSEMおよびICP-OESで解析され、構造保持とAg損失を評価しました。
メチレンブルー吸着
メチレンブルーがモデルカチオン染料として使用されました。乾燥エアロゲル(20.0 mg± 0.5 mg)を、pH 7.0± 0.2の50 mg/L MB溶液50 mLに加えました。混合気は150rpm、25±1°Cで振られました。
5分、10分、20分、30分、60分、90分、120分、180分で1mLのアリコットを採取し、0.22μmの膜を通してろ過し、664nmで測定しました。MB濃度は1から50 mg/Lの較正曲線を用いてR2 ≥0.995で計算されました。
(10)
運動学的データは擬似一階モデルおよび疑似二次モデルを用いてフィッティングされました。モデル選択はR2、計算q_eと実験の一致、残差分布を考慮しました。MBが選ばれたのは、ナノセルロースエアロゲルが静電気相互作用、水素結合、多孔質ネットワーク拡散による染料除去のために一般的に評価されているためです。
Pb(II)吸着
鉛硝酸塩溶液を用いてPb(II)吸着を試験しました。使用前に1000 mg/Lのストック溶液を希釈しました。乾燥エアロゲル(20.0 mg± 0.5 mg)を、pH 5.5 ± 0.2の50 mg/L Pb(II)溶液50 mLに加えました。混合気は150rpm、25°C±1°Cで180分間振られました。
アリコウトは0.22μmの膜を通してろ過され、1vol%硝酸で酸性化され、ICP-OESで分析されました。エアロゲルなしのブランクコントロールは吸着試料と同じ初期pHで実行され、Pb(II)なしのコントロールも背景信号のチェックに含まれました。
等温分析では、Pb(II)濃度の10、25、50、75、100、150 mg/Lを24時間にわたり試験しました。ラングミュアモデルとフロインドリッヒモデルは平衡フィッティングに用いられました。Pb(II)はエアロゲルネットワーク内の酸素および窒素含有基による結合を評価するために用いられた22。Pb(II)の種分化および降水リスクはpHおよび接触時間に敏感であるため、Pb(II)は主にpH制御されたエンドポイントおよび平衡・等温線データを通じて解釈されました。したがって、運動モデルパラメータはMBのみで報告されます。
pH、共存イオン、水-マトリックス効果
pHの効果は、MBはpH 3.0、5.0、7.0、9.0で、Pb(II)はpH 3.0、4.5、5.5、6.5で試験されました。降水を避けるため、アルカリ条件下でのPb(II)吸着は試験されませんでした。初回および最終pHを記録し、pHドリフトが0.5単位を超えた場合に吸着ランを繰り返しました。エアロゲルを使わない同じpHのブランクコントロールを用いて、エアロゲル吸着とpH依存的なPb(II)の損失や沈殿を区別しました。
共存イオンの効果は、10 mM NaCl、5 mM CaCl₂、または5 mM MgCl₂を加えることで評価されました。3つの塩すべてを含む混合イオン条件も試験されました。模擬廃水には10 mM NaCl、2 mM CaCl₂、2 mM MgCl₂、5 mg/L フミン酸が含まれていました。pHはMBが7.0±0.2、Pb(II)が5.5±0.2に調整されました。これらの試験は、より複雑な水行列下での吸着性能を評価するために含まれました。
吸着再生
Ag-WNC/CS-A-3は5回の吸着サイクルで再生されました。MBでは、充填エアロゲルを30mLのエタノール/水溶液に50:50 v/Vで2時間浸けました。Pb(II)については、充填エアロゲルを0.05 M HClの30 mLに1時間浸し、pH 6.5〜7.0まで洗浄しました。各再生工程の後、サンプルは-55°Cで12時間フリーズドライされました。
(11)
各サイクルの前後にエアロゲルの乾燥質量が記録されました。目に見える崩壊、破片化、または乾燥質量損失が15%を超えるサンプルは構造的破損と分類されました。
農業放出
アグリガス放出は、20.0 ± 0.5 mgのAg充填エアロゲルを、50 mLの脱イオン水、0.9 wt%のNaCl溶液、またはpH 5.5の酢酸緩衝液を25 ± 1°Cに浸すことで試験されました。 24時間と72時間に2 mLのアリコートを採取し、1ボリューム%硝酸で酸性化し、ICP-OESで分析しました。サンプリングされた体積は新鮮な培地に置き換えられました。
アグリウム放出量はμg/L、および総負荷アグリッシュに対するパーセンテージとして報告されました。
(12)
このアッセイは、抗細菌および触媒性能を維持しつつ、Ag負荷の増加が不必要なAg 浸出を引き起こすかどうかを評価するために用いられた。
ソフトウェアおよびデータ処理
SEMおよびTEM画像はImageJバージョン1.54を用いて解析されました。FTIRスペクトル、XRDパターン、UV–Visの運動速度曲線、吸着速度論、等温線プロットはOriginPro 2024を用いて処理されました。XPSスペクトルはCasaXPSバージョン2.3.25を使用して搭載されました。統計解析とグラフ作成はGraphPad Prism 10を用いて行われました。
吸着フィッティングでは、R2 単独でモデルが選ばれたわけではありません。実験吸着能力と計算された吸着能力、残差分布、パラメータの物理的妥当性の一致も考慮されました。
品質管理と統計解析
すべての実験は少なくとも3つの独立した製造バッチから分かれたエアロゲルを使用して行われました。物理的および機械的試験では、各グループにつき5個の標本が使用されました。抗菌、触媒、吸着、再生、Ag放出アッセイでは、技術的三重化を用いた3つの独立したバッチが用いられました。
エアロゲルバッチは、同じグループ内の乾燥密度変動が15%未満の場合のみ受け入れられました。コロニー数が30–300 CFU以内に収まった場合、抗菌プレートが受け入れられました。400nmでの初期吸収がバッチ平均から10%以上変動した場合、触媒試験が繰り返し行われました。pHのドリフトが0.5単位を超えた場合、吸着試験を繰り返しました。ICP-OESおよびUV–Visのキャリブレーション曲線はR2 ≥0.995を必要としました。
データは平均±標準偏差として提示されます。正常性はシャピロ–ウィルク検定を用いて評価されました。正規分布のデータは一方向ANOVAで解析され、その後Tukeyの事後検定が行われました。非正規データはKruskal-Wallis検定で解析され、その後Dunnの多重比較検定が行われました。p値が0.05未満の場合は統計的に有意とされました。技術的理由が文書化されていない限り、異常値は削除されませんでした。
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結果
セルロース豊富なパルプの回収と廃棄物由来のナノセルロースの製造
前処理工程により、サトウキビのバガスはセルロースを豊富に含むパルプに実質的に変換されました。アルカリ処理と過酸化水素漂白後、バイオマスは茶色の繊維状粉末から淡いセルロース豊富なパルプに変わり、リグニン豊富および半セルロース成分の段階的除去を示しました。セルロース含有量は生バガスの42.6%±1.8%から漂白パルプの78.6%±2.4%に増加し、リグニンは21.8%±1.5%から3.9%±0.5%に減少しました(表3参照)。機械的細動および超音波処理の後、最終的なナノセルロース懸浮液ではセルロース含有量が82.3%±2.0%、乾燥バガス質量に基づく28.4%±2.1%の収率を示しました。
TEM解析により、ナノスケールのセルロース線維の形成が確認されました。廃棄物由来のナノセルロースは絡み合った線維状の形態を示し、平均直径は18.7...
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ディスカッション
本研究は、廃棄物由来のナノセルロースが抗菌、触媒、吸着機能を持つ多機能エアロゲルの構築に構造的に有効なプラットフォームとなり得ることを示しています。この設計の価値は、サトウキビのバガスを多孔質材料に変換するだけでなく、ナノセルロースネットワークをキトーサン補強やグリーンAgNP固定のキャリアとして利用することにあります。最近のレビューでは、ナノセルロース系材料が水質汚染物質除去に魅力的であることが強調されています。なぜなら、そのヒドロキシル豊富な表面、低密度、高い多孔性、そして可変的な界面により、複数の機構を通じて染料、金属イオン、その他の汚染物質と相互作用できるからです。現在のエアロゲルシステムは、汚染物質の吸着と抗菌および触媒機能を単一の回収可能なモノリスに統合することで、この原理を拡張しています。
アルカリ処理、漂白、機械的細動によるセルロースの段階的濃縮は、農業残渣を出発材料として使用する可能性を支持しています。前処理後の結晶性の増加は、非晶質リグニンおよびヘ...
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開示事項
著者たちは何も明かすことはありません。
謝辞
著者は、本研究を行うために必要な学術環境、必要な実験施設、分析資源を提供してくださったサウサンプトン大学化学・化学工学部に感謝の意を表します。複合材料エアロゲルの構造的および化学的評価に不可欠なマルチモーダル特性評価装置に関する貴重な支援をいただいた技術サポートスタッフに特別な感謝を申し上げます。この研究は、持続可能な農業廃棄物の価値化とグリーン環境素材設計の推進を目的としており、独立して実施されました。この研究は外部からの資金援助を受けていません。
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材料
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 100 µm nylon mesh | 商業用ラボ用品 | アエログエルの製造前にキトサン溶液を濾過するのに使用。 | |
| 酢酸 | Sigma-Aldrich | 695092 | |
| 抗生物質ディスク陽性対照 | Thermo Fisher | https://www.thermofisher.com/search/browse/category/us/en/90222069 | 細菌株と地域の抗菌薬テスト基準に応じて選択。 |
| BET表面積と多孔性 | Micromeritics ASAP 2460 | ASAP 2460 | MicromeriticsはASAP 2460を拡張可能な高スループットポート付きの表面積と多孔性解析器として説明しています。 |
| 塩化カルシウム | Sigma-Aldrich | 946664 | 購入した試薬に応じて水和状態を報告。 |
| 炭素被覆銅TEMグリッド | Ted Pella | https://www.tedpella.com/grids_html/ | 最終表には実際のグリッド仕様を使用。 |
| CasaXPSバージョンリファレンス | CasaXPS 2.3.25またはインストールされているバージョン | https://casaxps.com/ | |
| キトサン | Sigma-Aldrich | 448869 | |
| 円筒形ポリプロピレン型 | 商業用ラボ用品 | アエログエルモノリスの成形に使用。 | |
| データ分析とプロット | OriginPro 2024 | ||
| 大腸菌 | ATCC | ATCC 25922 | |
| エタノール | Sigma-Aldrich | 459844 | |
| Folin–Ciocalteu試薬 | Sigma-Aldrich | F9252 | |
| 凍結乾燥機 | Labconco FreeZone | https://www.labconco.com/category/freeze-dry-evaporation/freeze-dry-systems | |
| FTIR | Thermo Scientific Nicolet iS50 | 912A0760 | FTIR分光光度計または同等品 |
| ガリカ酸 | Sigma-Aldrich | G7384 | Folin–Ciocalteuアッセイの校正基準として使用。製品の供給元はラボの実際の購入記録と照合する必要があります。 |
| 緑茶の葉 | 地元のサプライヤー | 地元のサプライヤー | 商業ウェブページではなく、バッチ記録、ブランド、収集/購入日、総フェノール標準化を使用。 |
| 塩酸 | Sigma-Aldrich | 258148 | |
| 過酸化水素 | Sigma-Aldrich | 386790 | |
| ICP-OES | Agilent 5110 | 5110 | PerkinElmer Avio 500 / 同等品 |
| 画像解析 | ImageJ 1.54 | ImageJ/Fijiのバージョンは、ラボにインストールされている実際のソフトウェアパッケージに応じて報告する必要があります。 | |
| LBブロスとLBアガー | Thermo Fisher | 10855001 | 微生物学ラボの在庫から実際のサプライヤーとカタログ番号を使用。 |
| 硝酸鉛 | Sigma-Aldrich | NIST928 | |
| 塩化マグネシウム | Sigma-Aldrich | M8266 | 購入した試薬に応じて水和状態を報告。 |
| メチレンブルー | Sigma-Aldrich | M9140 | |
| 硝酸 | Sigma-Aldrich | 438073 | ICP-OESワークフロー用に利用可能な場合はトレース金属グレードを使用。 |
| PBS | Thermofisher Scientific | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010023 | 抗菌アッセイ制御/希釈培地として使用。 |
| 使用準備済みのE. coli QC生物 | Thermo Fisher Culti-Loops | Cat. No. R4607050 | ATCC 25922の代替形式 |
| SEM | Hitachi SU8010 / ZEISS Sigma / 同等品 | https://www.hitachi-hightech.com/global/en/products/microscopes/sem-tem-stem/sem/ | |
| 硝酸銀 | Sigma-Aldrich | 209139 | |
| ホウ化ナトリウム | Sigma-Aldrich | 452882 | Sigma-Aldrichはホウ化ナトリウム452882を粉末、≥98.0%としてリストしています。 |
| 炭酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | 223530 | |
| 塩化ナトリウム | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| 水酸化ナトリウム | Sigma-Aldrich | 221465 | |
| 黄色ブドウ球菌 | ATCC | ATCC 25923 | ATCCは黄色ブドウ球菌25923をCLSIディスク拡散と培地テストの品質管理株として特定しています。 |
| Prism 10 | GraphPad | Version 10 | 統計分析 |
| 滅菌フィルターペーパーディスク | Whatman | ディスク拡散制御とアエログエルディスク比較に使用。 | |
| サトウキビの絞りかす | 地元のサプライヤー | 地元のジュース加工源 | サプライヤーのウェブページではなく収集記録を使用。場所、日付、乾燥方法、保管状態を報告。 |
| シリンジフィルター | Millipore | https://www.merckmillipore.com/US/en/products/filtration/laboratory-syringe-filters/syringe-filters | 膜材料を溶媒システムと実際の購入記録に合わせる。 |
| TEM | JEOL JEM-2100 | JEM-2100 | |
| TGA | TA Instruments Q500 | Q500 | |
| 万能試験機 | Instron 5943 | 5943 | |
| UV–Vis分光光度法 | Shimadzu | UV-2600i Plus | |
| XPSデータ処理 | 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 / 同等品 |
参考文献
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