Otrzymywanie ekspandowanych pianek chitynowych i ich zastosowanie w usuwaniu wodnych roztworów miedzi

Podsumowanie

To badanie opisuje metodę przekształcania chityny w piankę za pomocą technik chemicznych, które nie wymagają specjalistycznego sprzętu.

Streszczenie

Chityna jest niedostatecznie wykorzystywanym, naturalnie występującym, wytrzymałym mechanicznie i odpornym chemicznie biopolimerem. Te cechy są pożądane w adsorbencie, ale chitynie brakuje niezbędnej powierzchni właściwej, a jej modyfikacja wymaga specjalistycznych technik i sprzętu. W niniejszym artykule opisano nowatorską procedurę chemiczną polegającą na rozprężaniu płatków chityny, pochodzących z odpadów skorup krewetek, w pianki o większej powierzchni. Proces ten opiera się na wydzielaniu się gazu_H2 w wyniku reakcji wody z NaH uwięzionym w żelu chitynowym. Metoda przygotowania nie wymaga specjalistycznego sprzętu. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego w proszku i fizykozorpcja N₂ wskazują, że wielkość krystalitu zmniejsza się z 6,6 nm do 4,4 nm, a powierzchnia właściwa wzrasta z 12,6 ± 2,1 m²/g do 73,9 ± 0,2 m²/g. Jednak spektroskopia w podczerwieni i analiza termograwimetryczna wskazują, że proces ten nie zmienia tożsamości chemicznej chityny. Zdolność adsorpcji specyficznej Cu ekspandowanej chityny wzrasta proporcjonalnie do powierzchni właściwej z 13,8 ± 2,9 mg/g do 73,1 ± 2,0 mg/g. Jednak zdolność adsorpcji Cu jako gęstość powierzchniowa pozostaje względnie stała i wynosi średnio 10,1 ± 0,8 atomu/nm², co ponownie sugeruje brak zmian w tożsamości chemicznej chityny. Metoda ta oferuje środki do przekształcenia chityny w materiał o większej powierzchni bez poświęcania jej pożądanych właściwości. Chociaż pianka chitynowa jest tutaj opisywana jako adsorbent, można ją sobie wyobrazić jako nośnik katalizatora, izolator termiczny i materiał konstrukcyjny.

Wprowadzenie

Chityna jest mechanicznie wytrzymałym i chemicznie obojętnym biopolimerem, ustępującym pod względem naturalnej liczności jedynie celulozie¹. Jest głównym składnikiem egzoszkieletu stawonogów oraz ścian komórkowych grzybów i drożdży². Chityna przypomina celulozę, jednak jedna grupa hydroksylowa każdego monomeru została zastąpiona grupą acetylaminową (Rysunek 1A,B). Różnica ta zwiększa siłę wiązań wodorowych między sąsiednimi łańcuchami polimeru, co nadaje chitynie charakterystyczną odporność strukturalną i obojętność chemiczną^2,3. Ze względu na swoje właściwości i powszechność, chityna wzbudziła znaczne zainteresowanie przemysłowe i akademickie. Badano ją jako rusztowanie do wzrostu tkanek^4,5,6, jako składnik materiałów kompozytowych^7,8,9,10,11 oraz jako nośnik dla adsorbentów i katalizatorów^11,12,13,14. W szczególności jej stabilność chemiczna sprawia, że chityna jest atrakcyjna w zastosowaniach adsorpcyjnych w warunkach niekorzystnych dla powszechnie stosowanych adsorbentów¹⁴. Ponadto obecność licznych grup aminowych czyni chitynę skutecznym adsorbentem jonów metali¹⁵. Jednakże protonowanie grup aminowych w warunkach kwasowych zmniejsza zdolność adsorpcyjną chityny względem metali¹⁶. Skuteczną strategią jest wprowadzenie centrów adsorpcyjnych bardziej odpornych na protonowanie^17,18. W niniejszej pracy opisano natomiast prostą metodę zwiększania powierzchni właściwej, a tym samym liczby centrów adsorpcyjnych w chitynie.

Rysunek 1. Struktura chemiczna. (A) celuloza, (B) chityna, (C) chitosan. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Pomimo wielu potencjalnych zastosowań, chityna jest wykorzystywana w stopniu niewystarczającym. Przetwarzanie chityny jest trudne ze względu na jej niską rozpuszczalność w większości rozpuszczalników. Kluczowym ograniczeniem w jej zastosowaniu w katalizie i adsorpcji jest niska powierzchnia właściwa. Podczas gdy typowe nośniki węglowe i tlenki metali mają powierzchnie właściwe rzędu 10²-10³ m²/g, komercyjne płatki chityny mają powierzchnie rzędu 10 m²/g^19,20,21. Istnieją metody rozprężania chityny do postaci pianek, jednak niezmiennie opierają się one na wysokiej temperaturze i ciśnieniu, silnych kwasach i zasadach lub specjalistycznym sprzęcie, co stanowi znaczną barierę wejścia^{5,21,22,23,24,25}. Ponadto metody te mają tendencję do deacetylacji chityny w celu utworzenia chitozanu (Rysunek 1C) – biopolimeru o większej rozpuszczalności i reaktywności^5,25,26.

W niniejszym dokumencie opisano metodę ekspandowania chityny w stałe pianki w celu zwiększenia jej powierzchni właściwej oraz zdolności adsorpcyjnej, przy jednoczesnym zachowaniu jej integralności chemicznej. Metoda ta opiera się na gwałtownym wydzielaniu gazu z wnętrza żelu chitynowego i nie wymaga specjalistycznego sprzętu. Zwiększoną zdolność adsorpcyjną ekspandowanej chityny wykazano na przykładzie wodnych roztworów Cu²⁺, która jest powszechnym zanieczyszczeniem lokalnych wód gruntowych²⁶.

	Jednostka	Czysty płatek	Pieczona pianka	Liofilizowana piana
Krystaliczność	%	88	74	58
Wielkość kryształów	nm	6.5	4.4	4.4
Powierzchnia właściwa	m2/g	12.6 ± 2.1	43.1 ± 0.2	73.9 ± 0.2
Pobieranie miedzi (Cu)	mg/g	13.8 ± 2.9	48.6 ± 1.9	73.1 ± 2.0
Pobieranie Cu	atom/nm2	10.5 ± 2.8	10.7 ± 0.4	9.4 ± 0.3

Tabela 1. Podsumowanie właściwości materiałów. Pianki chitynowe wykazują niższą krystaliczność i mniejszy rozmiar kryształów w porównaniu do czystych płatków chityny. Jednakże powierzchnia właściwa oraz stopień pochłaniania Cu w piankach chitynowych są proporcjonalnie wyższe niż w przypadku czystych płatków chityny.

Protokół

1. Przygotowanie rozszerzonej chityny

1. Przygotuj 250 mL 5% wagowo roztworu LiCl w dimetyloacetamidy (DMAc)
   OSTRZEŻENIE: Rozpuszczalnik DMAc jest łatwopalnym substancją drażniącą, która może wpływać na płodność i powodować wady wrodzone. DMAc należy stosować w dygestorium, używając rękawic i gogli odpornych na chemikalia, aby uniknąć kontaktu ze skórą i oczami.
   1. Do kolby Erlenmeyera o pojemności 500 mL dodaj 15 g LiCl oraz 285 g (268 mL) DMAc, a następnie wprowadź magnetyczny mieszadło z powłoką z politetrafluoroetylenu (PTFE) o długości 50 mm.
   2. Zamknij kolbę gumową septą i ustaw ją na grzejnej płytce z mieszadłem. Przez septę wprowadź do mieszaniny sondę temperatury. Mieszaj roztwór przy 400 rpm i 80 °C aż do całkowitego rozpuszczenia LiCl (~ 4 h).
2. Rozpuść 1,0 g suszonych w suszarce płatków chityny w roztworze LiCl/DMAc w celu utworzenia sol-żelu
   1. Wysusz co najmniej 1,2 g płatków chityny w suszarce w temperaturze 80 °C przez 24 h.
   2. Do kolby okrągłodziennej o pojemności 500 mL dodaj 1,0 g wysuszonych płatków chityny oraz 250 mL 5% wagowo roztworu LiCl/DMAc. Wprowadź magnetyczne mieszadło z powłoką PTFE o długości 50 mm.
   3. Zamknij kolbę gumową septą i ustaw ją na grzejnym bloku z mieszadłem. Przebij septę igłą, aby umożliwić odprowadzanie gazów z kolby. Rozgrzej blok do 80 °C i mieszaj zawiesinę przy 400 rpm aż do całkowitego rozpuszczenia chityny (24-48 h).
   4. Pozostaw otrzymany sol-żel chitynowy do powolnego ostygnięcia do temperatury pokojowej przy ciągłym mieszaniu (~ 1 h).
   5. Po osiągnięciu temperatury pokojowej umieść kolbę z sol-żelem chitynowym w kąpieli lodowej i kontynuuj mieszanie, aż temperatura się ustabilizuje (~ 20 min).
3. Przygotuj 100 mL zawiesiny NaH w DMAc.
   OSTRZEŻENIE: NaH w kontakcie z wodą wydziela łatwopalne gazy, które mogą ulec samozapłonowi. Aby ograniczyć kontakt z wilgotnym powietrzem, NaH przechowuje się w oleju mineralnym, który należy wypłukać przed użyciem. Należy obchodzić się z substancją ostrożnie w dygestorium, używając rękawic i gogli odpornych na chemikalia.
   1. Pobierz około 1 g NaH z oleju mineralnego i wypłucz go trzykrotnie za pomocą 10 mL heksanów.
   2. Do kolby Erlenmeyera o pojemności 250 mL wlej 100 mL DMAc, następnie dodaj 0,82 g wypłukanego NaH i wprowadź magnetyczne mieszadło z powłoką PTFE.
   3. Zamieszaj zawiesinę, aby otrzymać suspensję NaH/DMAc.
      UWAGA: NaH nie rozpuści się całkowicie.
4. Utwórz żel chitynowy, dodając całą zawiesinę NaH/DMAc do sol-żelu chitynowego.
   1. Otwórz schłodzony sol-żel i dodaj całą zawiesinę NaH przy intensywnym mieszaniu. Zamknij kolbę i kontynuuj mieszanie przy 400 rpm przez 72 h lub do momentu utworzenia się żelu w kolbie.
5. Utwórz piankę chitynową, dodając wodę do żelu chitynowego.
   1. Po utworzeniu żelu otwórz kolbę i dodaj 100 mL wody dejonizowanej (DI).
      UWAGA: Kluczowe jest przeprowadzenie tego kroku w dygestorium, ponieważ w procesie wydziela się gaz H₂.
6. Wyizoluj i przemyj piankę chitynową wodą oraz metanolem, aby usunąć DMAc i sole.
   1. Wyjmij spęcznioną piankę chitynową z kolby i umieść ją w szalce krystalizacyjnej lub zlewce wystarczająco dużej, aby pomieścić próbkę oraz 1000 mL wody DI.
      UWAGA: Pianka chitynowa nie wyjdzie w jednym kawałku i może wymagać rozdzielenia.
   2. Przepłucz wyizolowany żel trzykrotnie 500 mL wody DI. Moczy żel w 1000 mL wody DI przez 24 h, następnie w 500 mL metanolu przez 24 h, a na koniec ponownie w 1000 mL wody DI przez 24 h.
   3. Wyjmij spęcznioną piankę chitynową z kąpieli wodnej i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez 24-48 h.
7. Wysusz przemyty żel chitynowy, aby utworzyć stałą piankę, a następnie rozetrzyj go na proszek.
   1. Wysusz żel w suszarce w temperaturze 85 °C przez 48 h w powietrzu otoczenia lub w liofilizatorze w temperaturze -43 °C i ciśnieniu 0,024 mbar przez 48 h.
   2. Za pomocą moździerza i tłuczka rozetrzyj suchą piankę chitynową na drobny proszek.

Rysunek 2. Przygotowanie ekspandowanej pianki chitynowej. (A) Początkowa chityna w roztworze LiCl/DMAc. (B) Dodanie zawiesiny NaH/DMAc. (C) Pianka chitynowa po dodaniu wody. (D) Pianka chitynowa wyjęta z kolby reakcyjnej. (E) Pianka chitynowa podczas płukania wodą. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

2. Wyznaczenie izoterm adsorpcji

1. Przygotuj 500 mL roztworów zapasowych wodnego Cu²⁺ (MW 63,5 g/mol) o stężeniach 50 mg/L, 100 mg/L, 200 mg/L, 300 mg/L, 400 mg/L oraz 450 mg/L. W tym celu do sześciu osobnych naczyń dodaj odpowiednio 90 mg, 180 mg, 360 mg, 540 mg, 720 mg i 810 mg Cu(NO₃)₂· 2,5 H₂O (MW 232,6 g/mol). Dolej 500 mL wody o oporności 18 MΩ, zamknij naczynia i wstrząśnij do całkowitego rozpuszczenia substancji stałych.
2. Dodaj 50 mg chityny do 100 mL każdego roztworu zapasowego, dostosuj pH do wartości 7 i pozostaw do osiągnięcia stanu równowagi przez 48 h.
   1. Przenieś 100 mL każdego roztworu zapasowego do naczynia o pojemności 100 mL w taki sposób, aby zminimalizować przestrzeń nad cieczą. Do każdego naczynia dodaj 50 mg zmielonej chityny, a następnie je zamknij.
   2. Umieść naczynia na wytrząsarce orbitalnej i wstrząsaj z prędkością 60 rpm przez 30 min. Następnie zdejmij naczynia z wytrząsarki i dostosuj pH do 7, używając NH₄HCO₃ lub HNO₃.
   3. Ponownie umieść naczynia na wytrząsarce orbitalnej i wstrząsaj z prędkością 60 rpm w stałej temperaturze przez 48 h. Przez cały czas utrzymuj w laboratorium temperaturę 18 ± 2 °C.
3. Zmierz stężenie Cu w początkowych roztworach zapasowych oraz w roztworach, do których dodano chitynę. Zastosuj kolorymetryczną metodę bicinchoninianową, kolorymetr oraz wcześniej odmierzone pakiety odczynników²⁷.
   1. Zdejmij naczynia z wytrząsarki orbitalnej, odstaw mieszaniny na minimum 30 min, a następnie pobierz 1 mL alikwotu za pomocą strzykawki wyposażonej w szklany filtr z włókna szklanego o rozmiarze porów 0,3 µm.
   2. Przenieś alikwot do naczynia o pojemności 250 mL i rozcieńcz do 100 mL wodą o oporności 18 MΩ.
      UWAGA: Krok ten jest niezbędny ze względu na niską granicę wykrywalności Cu (5 mg/L) w metodzie bicinchoninianowej przy użyciu kolorymetru.
   3. Przenieś 10 mL rozcieńczonej próbki do kuwety. Umieść kuwetę w kolorymetrze i ustaw zero urządzenia.
   4. Dodaj jeden pakiet odmierzonego odczynnika do Cu (metoda bicinchoninianowa) do rozcieńczonej próbki w kuwecie i odczekaj 45 s aż reakcja chelatowania dobiegnie końca. Odczekaj, aż roztwór stanie się fioletowy. Intensywność powstałego koloru jest proporcjonalna do stężenia Cu.
   5. Umieść kuwetę ponownie w kolorymetrze i zmierz stężenie Cu w rozcieńczonej próbce. Pomnóż stężenie rozcieńczonej próbki przez 100, aby otrzymać stężenie w próbce pierwotnej.
4. Wyznacz maksymalną adsorpcję Cu na podstawie danych izotermy adsorpcji.
   1. Oblicz stopień adsorpcji dla każdej próbki dla każdego równowagowego stężenia Cu, korzystając z równania²⁸:
      
   2. Nanieś stopień adsorpcji w funkcji stężenia równowagowego próbek, aby uzyskać standardową izotermę adsorpcji Cu.
   3. Nanieś stosunek stężenia równowagowego do stopnia adsorpcji w funkcji stężenia równowagowego, aby uzyskać zlinearyzowaną izotermę adsorpcji Cu.
      UWAGA: Wykres powinien być liniowy, a odwrotność nachylenia prostej reprezentuje maksymalną adsorpcję Cu.

Wyniki

Rozprężona chityna wykazuje taką samą morfologię niezależnie od zastosowanej metody suszenia. Rysunek 3 przedstawia obrazy czystych płatków chityny (Rysunek 3A1), rozprężonej chityny suszonej w piecu (Rysunek 3B1) oraz rozprężonej chityny liofilizowanej (Rysunek 3C3). Podczas gdy czyste płatki przypominają gruby piasek, piana z rozprężonej chityny ma wygląd ziarna popcornu. Mikrografie z pomiarem z ...

Dyskusja

Proponowana metoda wytwarzania pianki chitynowej pozwala na wytwarzanie takich pianek bez konieczności stosowania specjalistycznego sprzętu czy technik. Produkcja pianki chitynowej opiera się na zawiesinie wodorku sodu w zol-żelu chityny. Kontakt z wodą z atmosfery indukuje żelowanie matrycy chitynowej i wydzielanie się wodoru w wyniku rozkładu wodorku sodu. Dlatego krytycznymi etapami preparatu są: (1) wytworzenie zol-żelu, (2) wprowadzenie wodorku sodu w warunkach bezwodnych oraz (3) reakcja wody atmosferycznej z miesz...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Wodorowęglan amonu	Sigma-Aldrich	9830	NH4HCO3, ≥ 99,5 %
Chityna	Sigma-Aldrich	C7170	Pandalus borealis, praktyczny
kolorymetr	klasy Hanna Instruments	HI83399-01	Fotometr do analizy ścieków
Miedziany kontroler wysokiego zakresu	Hanna Instruments	HI702	Miareczkowanie kolorymetryczne bicinchoninianu
Hydrat azotanu miedzi	Sigma-Aldrich	223395	Cu(NO3)2 · 2.5 H2O, 98 %
Dimetyloacetamid (DMAc)	Sigma-Aldrich	271012	Bezwodny, 99.8 %
IR Spektrofotometr	Thermo Nicolet	Nexus 670	Wyposażony w ogniwo ATR
Chlorek litu	Sigma-Aldrich	310468	LiCl, ≥ 99 %
N2 Aparatura fizsorpcyjna	Micromeritics	Tristar II
Kwas azotowy	BDH	BDH7208-1	HNO3, 0,1 N
Skaningowy mikroskop elektronowy	Zeiss LEO	1430 VP	15 kV, wtórny detektor elektronów, odległość robocza 29-31 mm
Wodorek sodu	Sigma-Aldrich	223441	NaH, pakowany w olej mineralny, 90 %
Termograwimetryczny analizator	TA Instruments	Q500	100 ml/min N2, 10 ° C/min do 800 ° C
System oczyszczania wody	Millipore	Milli-Q	Typ A woda (18 MΩ)
Dyfraktometr rentgenowski	Rigaku	Ultima IV	Cu K-α promieniowanie, 8,04 keV