Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Исследовательская статья

Зелёная подготовка наноцеллюлозы/хитозаны/агро-аэрогелей из отходов для многофункциональной очистки воды

103 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/72167

⸱

31 июля 2026 г.

1School of Chemistry and Chemical Engineering, Faculty of Engineering and Physical Sciences (FEPS), University of Southampton

В этой статье

Краткое содержание

В данном исследовании представлены извлекаемые наноцеллюлозы/хитозановые аэрогели, встроенные с зелёными синтезированными серебряными наночастицами, полученными из багасы сахарного тростника. Оптимизированный композит обладает сбалансированной многофункциональностью, обеспечивая устойчивую антибактериальную активность, эффективное восстановление каталитического 4-нитрофенола и улучшенную адсорбцию красителя и тяжёлых металлов с строго контролируемым высвобождением серебра.

Аннотация

Наноцеллюлозные аэрогели, полученные из отходов, предлагают устойчивый путь превращения лигноцеллюлозных остатков в функциональные пористые материалы, но балансировать между антибактериальной активностью, каталитической эффективностью, адсорбционной способностью и контролем Ag-высвобождения остаётся сложной. В этом исследовании сахарный тростник использовался как источник биомассы для получения наноцеллюлозы из отходов с помощью щелочной обработки, отбеливания перекисью водорода, гомогенизации под высоким давлением и соникации. Наноцеллюлоза комбинировалась с хитозаном для образования пористых аэрогелей путём замораживания и сублимационной сушки, после чего на месте применялась зеленая загрузка наночастиц Ag с использованием стандартизированного экстракта зелёного чая в качестве восстанавливающей среды. Оптимизированный аэрогель Ag-WNC/CS-A-3 сохранил высокую пористость, улучшенную механическую устойчивость и площадь поверхности BET 66,4 ± 5,2 м²/г. Он проявил высокую антибактериальную активность против Escherichia coli и Staphylococcus aureus, эффективное восстановление 4-нитрофенола с видимой постоянной скорости 0,184 ± 0,017 мин⁻¹, а также усиленную адсорбцию к метиленовому синему и Pb(II), с равновесной ёмкостью 118,7 ± 7,1 мг/г и 72,4 ± 6,3 мг/г соответственно. Хотя более высокая нагрузка Ag немного улучшила антибактериальную и каталитическую эффективность, она снизила адсорбционный баланс и увеличила высвобождение Ag. В целом, Ag-WNC/CS-A-3 обеспечивал наиболее сбалансированное сочетание структурной целостности, многофункциональной активности, стабильности повторного использования и контроля Ag-release. Эта работа поддерживает устойчивую стратегию проектирования для восстанавливаемых био-аэрогелей в антибактериальных, каталитических и водных применениях.

Введение

Преобразование сельскохозяйственных отходов в функциональные материалы стало важным направлением в устойчивой науке о материалах. Багаса из сахарного тростника особенно привлекательна, поскольку она образуется в больших количествах при обработке сахара и сока, а также содержит большое количество целлюлозы, которую можно извлечь для применения с добавленной стоимостью. Недавние исследования подчёркивают, что багасса из сахарного тростника является недорогим и экологически значимым источником биомассы, хотя эффективная экстракция, функционализация и масштабируемое производство наноструктуры остаются ключевыми техническимивызовами. 1. Это делает наноцеллюлозу, полученную из багассы, подходящей платформой для разработки пористых материалов, сочетающих стоимость отходов с экологической функциональностью.

Наноцеллюлоза привлекает всё больше внимания в области очистки воды и экологических применений благодаря своему возобновляемому происхождению, наномасштабной фибриллярной структуре, обильному содержанию гидроксильных групп и высокой модифицируемости поверхности. Недавний обзор показал, что материалы на основе наноцеллюлозы могут быть переработаны в порошки, пленки, мембраны, гидрогели, аэрогели и трёхмерные объекты для удаления красителей, тяжёлых металлов, лекарств, пестицидов, микробных клеток и других загрязнителей изводы 2. Среди этих форматов аэрогели особенно перспективны, поскольку они сочетают в себе низкую плотность, высокую пористость, большую доступную площадь поверхности и лёгкое восстановление после использования.

Изготовление аэрогелей из наноцеллюлозы обычно включает приготовление наноцеллюлозы, образование геля, обмен растворителями или прямое замораживание и сушку. Эти этапы позволяют наноцеллюлозным фибриллам собираться в трёхмерную пористуюсеть 3. Такие аэрогели широко исследованы для адсорбции красителей, ионов тяжёлых металлов, антибиотиков, органических растворителей и смесей масла и воды, поскольку их открытые поровые структуры способствуют передаче массы, а поверхностные функциональные группы обеспечивают места взаимодействия загрязнителей. Однако аэрогели, содержащие только наноцеллюлозу, часто страдают от слабой влажности, ограниченной механической прочности и недостаточной многофункциональности, что ограничивает их практическое применение.

Для преодоления этих ограничений внимание привлекли композитные аэрогели на основе целлюлозы и хитозана. Хитозан содержит амино- и гидроксильные группы, которые могут взаимодействовать с целлюлозой через водородные связи, а также могут служить дополнительными участками связывания ионов металлов и органических загрязнителей. Биооснованные аэрогели, полученные из целлюлозы и хитозаны, описываются как новые материалы для очистки воды, поскольку их низкая плотность, большая площадь поверхности, пористая структура и регулируемая химия поверхности способствуют адсорбции и повторномуиспользованию 4. В наноцеллюлозных аэрогелях хитозан может действовать не только как структурный укрепляющий компонент, но и как функциональный полимер, улучшающий связывание загрязняющих веществ и антибактериальный потенциал.

Помимо адсорбции, от многофункциональных аэрогелей всё чаще ожидается катализирование и антимикробные функции. Это особенно актуально для материалов для очистки воды, которые могут сталкиваться с химическими и микробными загрязнениями. Серебряные наночастицы широко используются в функциональных материалах благодаря своим антимикробным и каталитическим свойствам. При иммобилизации на целлюлозных опорах Ag-наночастицы могут быть восстановлены легче и могут демонстрировать лучшую дисперсию по сравнению с неподдерживаемыминаночастицами 5. Нано-серебро/целлюлозные аэрогели, синтезированные зелёным сообщением, были отмечены как перерабатываемые катализаторы гидрогенизации нитрофенола, что указывает на то, что целлюлозные аэрогели могут служить надёжными носителями для каталитических систем на основеAg 6.

Стратегии зелёного синтеза также важны, поскольку традиционный синтез наночастиц может включать сильные редуцирующие агенты или стабилизаторы, снижающие экологическое преимущество материалов на основе биомассы. Растительные экстракты, богатые полифенолами, могут восстанавливать наночастицы Ag⁺ до Ag, а также способствуют стабилизации при формировании частиц. Экстракт зелёного чая используется для синтеза AgNP, поскольку его фенольные соединения могут служить восстанавливающими и закрытымиагентами 7. Однако синтез на основе экстракта также вводит партийную вариативность, что делает стандартизацию экстракта необходимой, если метод предназначен для воспроизводимости.

Несмотря на эти достижения, остаются несколько пробелов. Во-первых, многие исследования сосредоточены на одной функции, такой как адсорбция красителей, удаление тяжёлых металлов, антибактериальная активность или восстановление 4-нитрофенола, вместо того чтобы оценивать, как эти функции можно сбалансировать в одной восстанавливаемой аэрогелевой системе. Во-вторых, более высокая нагрузка Ag часто связана с более сильной антибактериальной или каталитической активностью, но избыток Ag может блокировать поры, снижать способность к адсорбции, увеличивать высвобождение и ослаблять профиль устойчивости материала. В-третьих, эффективность адсорбции часто оценивается в растворах с одним загрязнителем, тогда как сосуществующие ионы и более сложные водные матрицы могут существенно влиять на практическуюэффективность 8. Эти вопросы предполагают, что многофункциональный аэрогель должен выйти за рамки максимальной активности и учитывать баланс между структурой и функцией.

По сравнению с ранее сообщаемыми аэрогелями целлюлозы/хитозы/агро, нынешняя система выделяется четырьмя взаимосвязанными конструктивными особенностями: целлюлозный каркас готовится из отходов сахарного тростника; этап формирования AgNP использует стандартизированный экстракт зелёного чая вместо нехарактеризованной партии растительного экстракта; сравниваются три уровня прекурсора Ag для выявления баланса производительности вместо формулы с максимальной нагрузкой; а также оцениваются антибактериальная активность, катализ 4-нитрофенолов, адсорбция красителей и тяжёлых металлов, регенерация, толерантность к матриксу и высвобождение Ag. Такой сравнительный дизайн проясняет, что новизна заключается в интегрированном балансе структуры-свойства-производительности, а не в простом сочетании целлюлозы, хитозы и аг.

Соответственно, в этом исследовании был разработан аэрогель из отходов наноцеллюлозы (WNC)/хитозана (CS)/серебряных наночастиц (AgNP) с использованием сахарного тростника в качестве источника целлюлозы и стандартизированного экстракта зелёного чая для нагрузки AgNP in situ. Аэрогели оценивались с помощью мультимодальной характеристики, включая трансмиссионную электронную микроскопию (TEM), сканирующую электронную микроскопию с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (SEM/EDS), инфракрасную спектроскопию преобразования Фурье (FTIR), рентгеновскую дифракцию (XRD), рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), анализ поверхности Брунауэра-Эмметта-Теллера (BET), термогравиметрический анализ (TGA) и механические испытания. Функциональная эффективность оценивалась с помощью антибактериальных тестов на основе CFU против Escherichia coli и Staphylococcus aureus, каталитического восстановления 4-нитрофенола, адсорбции метиленового синего и Pb(II), тестирования регенерации, сосуществующих ионных интерференций, имитации оценки сточных вод и анализа выбросов Ag. Эта конструкция основана на недавних исследованиях, показывающих потенциал аэрогелей на основе целлюлозы и наноцеллюлозы для удаления загрязняющих веществ, одновременно учитывая необходимость многофункциональной оценки производительности и контроля выбросовAg 9.

Основная гипотеза заключалась в том, что промежуточный уровень нагрузки Ag обеспечит более сбалансированную формулировку, чем низкая или чрезмерная нагрузка Ag. В этой конструкции наноцеллюлоза обеспечивает пористую каркасу, хитозан усиливает структуру и способствует формированию адсорбционных сайтов, а AgNPs обеспечивают антибактериальную и каталитическую активность. Недавние исследования композитных аэрогелей на основе целлюлозы Ag показали, что включение Ag может улучшать антимикробные и каталитические функции, однако поддерживающая матрица и поведение выпуска остаются ключевыми для практическойработы 10. Поэтому в данном исследовании сравниваются три уровня нагрузки Ag, чтобы определить формулу, которая наилучшим образом балансирует пористость, механическую стабильность, антибактериальную активность, каталитическую эффективность, способность к адсорбции, повторное использование и контроль Ag-высвобождения.

Более широкое значение этой работы заключается в интеграции валоризации отходов и многофункционального проектирования материалов для очистки воды. Недавние обзоры аэрогелей на основе целлюлозы и биомассы подчеркнули их потенциал в адсорбции, катализе, разделении нефти и воды, изоляции и биомедицинских применениях, а также подчеркнули необходимость более экологичной подготовки, лучшей масштабируемости, устойчивости к регенерации и экологической безопасности11,12. Связывая получение наноцеллюлозы из отходов с усилением хитозаны, зелёной нагрузкой AgNP и мультимодальной оценкой эффективности, это исследование предоставляет практическую основу для разработки восстанавливаемых био-аэрогелей для антибактериальных, каталитических и адсорбционных применений.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Материалы и экспериментальная конструкция

Сахарный тростник использовался как источник лигноцеллюлозных отходов для приготовления наноцеллюлозы. Свежий багасс промывался водопроводной и деионизированной водой, сушился при 60 °C в течение 24 часов, разрезал на осколки толщиной 1–2 см, перемолол и прошёл через решето из 40 сеток. Сушёный порошок хранился в герметичных полиэтиленовых пакетах с силикагелем при комнатной температуре и использовался в течение 1 месяца. Все реагенты, материалы и оборудование, использованные в этом исследовании, перечислены в файле Таблицы материалов .

Если не указано иное, все химикаты были аналитического класса и использовались по мере получения. Гидроксид натрия, перекись водорода, уксусная кислота, селитра серебра, боргидрид натрия, 4-нитрофенол, метиленовый синий, нитрат свинца, соляная кислота, азотная кислота, хлорид натрия, хлорид кальция, хлорид магния, этанол, реагент фолина-чиокальтеу, карбонат натрия и галловая кислота использовались для предварительной обработки, нагрузки, каталитического тестирования, адсорбции, регенерации и аналитической калибровки. В Таблице материалов приведены стандарты нитрата серебра (реагент ACS, ≥99,0%), боргидрид натрия (≥98,0%), реагент фолина-циокальтеу (1,9–2,1 N) и галловой кислоты. В качестве вторичного биополимера использовался хитозан с степенью деацетилирования 85–90%. Листья зелёного чая использовались для приготовления водного восстановительного экстракта для образования наночастиц Ag, так как чайные полифенолы могут служить восстанавливающими и стабилизирующими агентами во время синтеза AgNP13. Общий рабочий процесс включал экстракцию целлюлозы, приготовление наноцеллюлозы, изготовление аэрогелей, нагрузку AgNP, структурную характеристику и функциональные испытания, как показано на рисунке 1. Образцовые составы и параметры подготовки приведены в таблице 1.

Багасса сахарного тростника предварительно обрабатывался путём промывки, сушки, помола, щелочной обработки и отбеливания перекисью водорода для получения целлюлозной целлюлозы. Целплюлоза превращалась в наноцеллюлозу, полученные из отходов, путём высокого давления гомогенизации и соникации, затем смешивалась с хитозаном для изготовления наноцеллюлозы/хитозановых аэрогелей путём замораживания и сублимации. Наночастицы Ag загружались на месте с использованием AgNO₃ и стандартизированного экстракта зелёного чая в качестве восстанавливающей среды. Полученные аэрогели оценивались с помощью мультимодальных структурных, химических, термических и механических характеристик, затем антибактериальных, каталитических, адсорбционных, регенерационных и Ag-высвобождений. В качестве оптимизированной многофункциональной аэрогелевой формулы был выбран Ag-WNC/CS-A-3.

Приготовление целлюлозной массы

Сушёный порошок багассы обработали с NaOH массой 4 массы при соотношении твердого к жидкости 1:20 г/мл. Смесь нагревалась при 80 °C в течение 3 часов при перемешивании при 500 об/мин. Обработанные волокна фильтровались и промывались деионизированной водой до pH 7,0 ± 0,2, затем сушили при 60 °C в течение 12 часов.

Волокна, обработанные щелочью, отбеливали с 3 массовым содержанием H₂O₂ при pH 11,0 ± 0,2 и 80 °C в течение 2 часов. Процесс отбеливания повторялся дважды. Полученная целлюлозо-богатая целлюлоза целлюлозная целлюлоза промывалась до нейтрального pH и хранилась в деионизированной воде при 4 °C не более 7 дней. Содержание целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и золы было определено с помощью гравиметрического анализа состава для подтверждения удаления нецеллюлозныхкомпонентов 14.

Выход целлюлозы рассчитывался следующим образом:

figure-protocol-1(1)

Подготовка наноцеллюлозы из отходов

Влажная целлюлозная масса, эквивалентная 5,0 г сухой массы, была рассеяна в 500 мл деионизированной воды и предварительно гомогенизирована при 10 000 об/мин в течение 10 минут. Затем подвеска обрабатывалась методом гомогенизации высокого давления: два прохода при 300 барах, три прохода при 600 бар и пять проходов при 900 барах. Температура выхода поддерживалась ниже 35 °C с помощью системы циркуляции ледяной воды.

Гомогенизированная подвеска была соникирована на мощности 400 Вт в течение 10 минут в режиме импульса, при этом 3 с включено и 3 с выключено. Сосуд содержался в ледяной ванне во время соникации. Окончательная подвеска разбавялась до 1,0% массы и хранилась при 4 °C. Суспензии, показывающие видимое оседание или фазовое разделение после 24 часов, отбрасывались. Подготовка наноцеллюлозы принималась только при среднем диаметре волокон TEM менее 50 нм, а абсолютный потенциал зета превышал 25 мВ.

Выход наноцеллюлозы рассчитывался следующим образом:

figure-protocol-2(2)

Приготовление и стандартизация экстракта зелёного чая

Порошок зелёного чая 5,0 г добавлялся в 100 мл деионизированной воды и нагревался при 80 °C в течение 30 минут. Экстракт охлаждался, фильтровал через фильтрующую бумагу Whatman No. 1, центрифугировался при примерно 7 500 × г в течение 10 минут (эквивалентно примерно 8 000 об/мин для радиуса ротора 10,5 см), фильтровал через мембрану 0,45 мкм и хранился при 4 °C не дольше 48 часов.

Общее содержание фенолов измерялось с помощью метода Фолина-Чиокальтеу. Кратко: 0,5 мл разбавленного экстракта смешивалось с 2,5 мл разбавленного реагента Фолин-Чиокальтеу и 2,0 мл карбоната натрия массой 7,5 мл. После инкубации в темноте в течение 30 минут было измерено поглощение на 765 нм. В качестве стандарта использовалась галловая кислота. Для восстановления AgNP использовались только партии экстрактов с общим содержанием фенолов в пределах ±10% от среднего по партии.

Изготовление аэрогелей наноцеллюлозы/хитозана

Хитозан растворяли в уксусной кислоте с содержанием 1,0% вольта для приготовления раствора массой 1,0 массы и перемешивали на ночь. Раствор фильтровали через нейлоновую сетку диаметром 100 мкм перед использованием.

Для приготовления WNC/CS-A 80 мл наноцеллюлозной суспензии смешивалось с 20 мл раствора хитозана 1,0 массы при 600 об/мин. pH был скорректирован вниз до 5,5 ± 0,2 с использованием 0,1 млн NaOH при скорости ниже 0,5 мл/мин. Смесь отбрасывалась, если в течение 30 минут появлялась заметная флокуляция или фазовое разделение.

Фиксированный объём дисперсии 5,0 мл заливался в цилиндрические полипропиленовые формы с внутренним диаметром 20 мм и высотой 20 мм. Образцы замораживались при -80 °C в течение 12 часов и сублимированы при -55 °C 48 часов при давлении камеры ниже 20 Па. Для сохранения пористой наноцеллюлозной сети во время формированияаэрогеля 15 использовалась сублимационная сушка. WNC-A был приготовлен по той же процедуре без хитозана. Сухой аэрогель принимался только при сохранении монолитной формы и усадке высоты ниже 20%.

Зелёная нагрузка на наночастицы Ag in situ

Высушенные монолиты WNC/CS-A погружались в 30 мл раствора AgNO₃ на 1, 3 или 5 мМ в течение 6 часов в темноте. Затем аэрогели переливались в 30 мл стандартизированного экстракта зелёного чая и реагировали при 50 °C в течение 4 часов в темноте. После восстановления образцы промывались пять раз деионизированной водой, замораживались при -80 °C в течение 6 часов и сублимированы при -55 °C в течение 36 часов. Финальные образцы были закодированы как Ag-WNC/CS-A-1, Ag-WNC/CS-A-3 и Ag-WNC/CS-A-5. Иммобилизация Ag в целлюлозных аэрогелях улучшает восстановление катализатора и снижает потери наночастиц по сравнению с неподдерживаемыми системами AgNP16.

Нагрузка Ag количественно оценивалась с помощью индуктивно-связанной плазмо-оптической эмиссионной спектроскопии (ICP-OES). Примерно 20 мг аэрогеля, нагруженного Ag, было переварено в разбавленной азотной кислоте при 80 °C, разбавлено до 50 мл и проанализировано с помощью кривой калибровки Ag 0,01–5,0 мг/л. Эффективность нагрузки Ag была рассчитана следующим образом:

figure-protocol-3(3)

Индикаторы экологичных процессов, используемые для выхода, использования реагентов, загрузки Ag, выброса Ag и оценки повторного использования приведены в таблице 2.

Плотность, пористость, поглощение воды и размерная стабильность

Плотность аэрогеля рассчитывалась на основе сухой массы и геометрического объёма. Образцы сушили при 60 °C в течение 6 часов, охлаждали в десикаторе и измеряли цифровым суппортом в трёх позициях.

figure-protocol-4(4)

Пористость оценивалась следующим образом:

figure-protocol-5(5)

где ρs принимался как 1,50 г/см3 для целлюлозных твердых веществ.

Поглощение воды измерялось погружением сухих аэрогелей в деионизированную воду в течение 24 часов. Образцы были выбиты в течение 10 секунд и сразу взвешивались.

figure-protocol-6(6)

где Ws иW d — это веса влажных и сухих аэрозолей. Устойчивость размеров оценивалась путём сравнения высоты и диаметра до и после погружения. В каждой группе было протестировано как минимум пять монолитов.

Морфологическая и пористая структура характеристики

Морфология наноцеллюлозы была наблюдана с помощью TEM. Суспензия массой 0,005 массы опускалась на медную решётку с углеродным покрытием, окрашивалась 1 массовой кислотой в течение 60 секунд, сушилась и снималась при напряжении 80–120 кВ. По меньшей мере 100 волокон из трёх независимых подвесок были измерены с использованием версии ImageJ 1.54.

Морфология аэрогеля была обнаружена SEM. Образцы были раздроблены в жидком азоте, установлены на алюминиевых заготовках, покрыты золотом в течение 60 секунд и сняты при напряжении 5–10 кВ. На каждую выборку было записано как минимум пять полей. Для определения распределения Ag, C, O и N проводилось картирование EDS.

Анализ адсорбции и десорбции азота был проведён на 77 K. Образцы дегазировались при 60 °C в течение 12 часов перед анализом. Была рассчитана площадь поверхности BET и распределение размера пор по методу Barrett-Joyner-Halenda (BJH), поскольку доступность пор напрямую влияет на адсорбцию и каталитическую эффективность в целлюлозныхаэрогелях 17.

Анализ FTIR, XRD, XPS и TGA

Спектры FTIR были собраны в режиме ATR от 4000 см-1 до 500 см-1 с разрешением 4 см-1 с 32 сканированиями на образец. Спектры были корректированы исходным уровнем и нормализованы до целлюлозного C-O-C диапазона около 1050 см-1. FTIR использовался для оценки функциональных групп, связанных с целлюлозой и хитозой; Формирование агро было подтверждено XRD, XPS, EDS и ICP-OES.

XRD проводилась с использованием Cu K-альфа-излучения при напряжении 40 кВ и 40 мА. Образцы сканировали от 5° до 80° при 5°/мин. Индекс кристаллности целлюлозы был рассчитан методом Сегала. Кристаллический металлический Ag присваивался только при обнаружении дифракционных пиков около 38,1°, 44,3° и 64,4°, а образование Ag интерпретировалось вместе с помощью XPS, картирования EDS и ICP-OES, а не только из XRD.

XPS использовался для определения состава поверхностных элементов. Спектры обследования были зафиксированы от 0 до 1200 эВ, а для C 1, O1, N1 и Ag 3d — высокое разрешение. Энергии связи были откалиброваны до C 1 с при 284,8 эВ. Пиковое подгонение выполнялось с использованием CasaXPS версии 2.3.25. Подгонка Ag 3d использовалась как подтверждающее доказательство поверхностных видов Ag; поскольку анализ параметров Auger не был включён, относительные вклады металлических Ag0 и окисленных Ag-видов интерпретировались осторожно.

TGA проводилась под воздействием азота от 30 °C до 700 °C при 10 °C/мин. Для каждого запуска использовалось примерно 5–8 мг сушёного образца. Были зафиксированы начальная температура деградации, максимальная температура деградации и остаточная масса при 700 °C.

Механические испытания

Испытания на сжатие проводились с использованием универсальной испытательной машины с нагрузочной ячейкой напряжением 100 Н. Цилиндрические образцы диаметром 20 мм и высотой 20 мм сжимались до деформации 50% при 2 мм/мин. Были рассчитаны сжимающие напряжения при деформации 50% и модуль деформации Янга ниже 10%.

Циклическое сжатие проводилось в течение пяти циклов загрузки-разгрузки при деформации 50%. Восстановление формы рассчитывалось по восстановленной высоте после каждого цикла. В каждой группе было протестировано не менее пяти образцов. Образцы с проскальзываниями, разрывом краёв до 20% деформации или видимыми дефектами были исключены. Механические испытания использовались для оценки устойчивости управляемости при погружении, восстановлении и повторномиспользовании 18.

Антибактериальный анализ

Антибактериальная активность была оценена против Escherichia coli и Staphylococcus aureus. Бактерии культивировались в бульоне Лурия-Бертани (LB) при 37 °C ночью и разбавлены примерно до 1 × 106 CFU/mL. Концентрация была подтверждена подсчётом пластин.

Аэрогелевые диски диаметром 10 мм и толщиной 3 мм стерилизовались ультрафиолетовым облучением по 30 минут с каждой стороны. Стерильность подтверждалась инкубацией обработанных аэрогелей в бульоне LB при 37 °C в течение 24 часов.

Для анализов, убивающих контакты, стерильные аэрогелевые диски инкубировали в 2 мл бактериальной суспензии при 37 °C в течение 4 часов с встряхиванием при 120 об/мин. Подвеска была серийно разбавлена, покрыта LB агаром и инкубирована при 37 °C в течение 24 часов. Бактериальное восстановление рассчитывалось следующим образом:

figure-protocol-7(7)

Контроли включали только PBS, стерильный фильтр-бумажный диск, WNC-A, WNC/CS-A, раствор AgNO₃ с концентрацией Ag, эквивалентной измеренному выделению Ag-WNC/CS-A-3, а также коммерческий диск с антибиотиками.

Для анализов в зонах ингибитора аэрогелевые диски размещались на агарных пластинах, покрытых 100 мкл бактериальной суспензии. Пластины инкубировали при 37 °C в течение 24 часов, а диаметры зон ингибирования измерялись. Каждый анализ использовал три независимые партии аэрогеля с техническими триэкатами. Использовались как анализы на уничтожение контакта, так и на зону торможения, поскольку поверхностные контактные и высвобождённые виды Ag могут по-разному способствовать антибактериальнойактивности 19.

Каталитическое восстановление 4-нитрофенола

Каталитическая активность оценивалась с помощью редукции 4-нитрофенола до 4-аминофенола. Раствор 4-нитрофенола объемом 0,10 мм смешивался с свежеприготовленным NaBH₄ для получения конечной концентрации NaBH₄ 10 мМ. NaBH₄ использовался в течение 30 минут после подготовки. Реакция была защищена от прямого света.

Образец аэрогеля 10,0 мг ± 0,5 мг был добавлен в 10 мл реакционного раствора комнатной температуры. С интервалом в 1 минуту 1 мл аликвоты измерялись с помощью UV-Vis спектроскопии от 250 нм до 500 нм и возвращались в реакционный сосуд. Поглощение на 400 нм использовалось для мониторинга преобразования.

Контрольные группы включали реакцию без аэрогеля, WNC-A, WNC/CS-A и параллельную адсорбционную контролю без NaBH4 для различия каталитического восстановления от адсорбции 4-нитрофенола. Контроль адсорбции без NaBH4 рассматривался как заготовка для физического удаления; только дополнительное снижение в системе, содержащей NaBH4, было интерпретировано как каталитическая конверсия. Псевдо-постоянная скорости первого порядка вычислялась следующим образом:
figure-protocol-8

Преобразование было рассчитано следующим образом:

figure-protocol-9(8)

Анализ восстановления 4-нитрофенола был выбран потому, что это стандартная реакция, отслеживаемая UV-Vis, для оценки поддерживаемыхAg-катализаторов 20.

Каталитическая повторная возможность использования

Ag-WNC/CS-A-3 использовался повторно в течение пяти каталитических циклов. После каждого цикла аэрогель снимался, трижды промывался деионизированной водой, погружал в деионизированную воду на 10 минут и сушился при −55 °C в течение 12 часов. Конвертация на 15 минут и приложении k фиксировалась для каждого цикла.

figure-protocol-10(9)

После пяти циклов использованный аэрогель был проанализирован с помощью SEM и ICP-OES для оценки структурного удержания и потерь Ag.

Адсорбция метиленового синего

В качестве модельного катионного красителя использовался метиленовый синий. Сушёный аэрогель 20,0 мг ± 0,5 мг добавлялся к 50 мл раствора 50 мг/л МБ при pH 7,0 ± 0,2. Смесь встряхивалась при 150 об/мин и 25 ± 1 °C.

При 5, 10, 20, 30, 60, 90, 120 и 180 минутах были собраны аликвоты объёмом 1 мл, отфильтрованы через мембрану 0,22 мкм и измерены на расстоянии 664 нм. Концентрация МБ рассчитывалась с помощью калибровочной кривой от 1 до 50 мг/л при R2 ≥ 0,995.

figure-protocol-11(10)

Кинетические данные были подгонены с помощью моделей псевдо-первого и псевдо-второго порядка. Выбор модели учитывал R2, согласование между рассчитанным и экспериментальным q_e и остаточное распределение. MB был выбран потому, что наноцеллюлозные аэрогели часто оцениваются для удаления красителей через электростатическое взаимодействие, водородные связи и диффузию пористыхсетей 21.

Адсорбция Pb(II)

Адсорбция Pb(II) проводилась с использованием раствора нитрата свинца. Перед использованием разбавляли наложный раствор 1000 мг/л. Высушенный аэрогель 20,0 мг ± 0,5 мг добавлялся к 50 мл раствора 50 мг/л Pb(II) при pH 5,5 ± 0,2. Смесь встряхивали при 150 об/мин и 25 °C ± 1 °C в течение 180 минут.

Аликвоты фильтровались через мембрану диаметром 0,22 мкм, подкислялись азотной кислотой с 1 вольт% и анализировались с помощью ICP-OES. Пустые контроли без аэрогеля выполнялись при том же начальном pH, что и адсорбционные образцы, а контроли без Pb(II) включались для проверки фоновых сигналов.

Для изотермического анализа в течение 24 часов тестировали концентрации Pb(II) в 10, 25, 50, 75, 100 и 150 мг/л. Модели Langmuir и Freundlich использовались для равновесного подгонки. Pb(II) использовался для оценки связывания между группами, содержащими кислород и азот, в сетиаэрогелей 22. Поскольку видообразование Pb(II) и риск осадков чувствительны к pH и времени контакта, Pb(II) интерпретировался преимущественно с помощью pH-контролируемых конечной точки и данных о равновесии/изотерме; поэтому параметры кинетической модели указываются только для MB.

pH, сосуществующие ионы и эффекты водяной матрицы

Влияние pH тестировалось при pH 3,0, 5,0, 7,0 и 9,0 для MB, а при pH 3,0, 4,5, 5,5 и 6,5 для Pb(II). Адсорбция Pb(II) не проводилась в щелочных условиях для предотвращения осадков. Фиксировались начальные и конечные pH, а адсорбционные забеги повторялись, когда сдвиг pH превышал 0,5 единицы. Для отличия адсорбции аэрогеля от pH-зависимых потерь или осадков Pb(II) использовались контроли с одинаковым pH, без аэрогеля.

Влияние сосуществующих ионов оценивалось с добавлением 10 мМ NaCl, 5 мМ CaCl₂ или 5 мМ MgCl₂. Также была протестирована смешанная ионная состояние, содержащая все три соли. Смоделированные сточные воды содержали 10 мМ NaCl, 2 мМ CaCl₂, 2 мМ MgCl₂ и 5 мг/л гуминовой кислоты. pH был скорректирован до 7,0 ± 0,2 для MB и 5,5 ± 0,2 для Pb(II). Эти тесты были включены для оценки эффективности адсорбции при более сложных водныхматрицах 23.

Адсорбционная регенерация

Ag-WNC/CS-A-3 регенерировался в течение пяти циклов адсорбции. Для MB загруженные аэрогели погружались в раствор этанола/воды объемом 30 мл при 50:50 В/в в течение 2 часа. Для Pb(II) загруженные аэрогели погружались в 30 мл 0,05 M HCl на 1 час и промывались до pH 6,5–7,0. После каждого этапа регенерации образцы сублимировали при -55 °C в течение 12 часов.

figure-protocol-12(11)

Сухая масса аэрогеля фиксировалась до и после каждого цикла. Образцы с видимым коллапсом, фрагментацией или потерей сухой массы более 15% классифицировались как структурно разрушенные.

Освобождение в сельском секторе

Высвобождение Ag тестировалось путём погружения 20,0 ± 0,5 мг аэрогеля с Ag-нагрузкой в 50 мл деионизированной воды, раствора NaCl с массовым процентом 0,9% или буфер с pH 5,5 ацетат при температуре 25 ± 1 °C. Через 24 и 72 часа были собраны 2 мл аликвоты, подкисленные азотной кислотой с 1 вольт% и проанализированы с помощью ICP-OES. Сэмплированный объём был заменён на свежий носитель.

Выброс аг был отчётан в составе мкг/л и в процентах от общего количества загруженного Ag:

figure-protocol-13(12)

Этот анализ был использован для оценки того, вызывает ли повышенная нагрузка Ag ненужное выщелачивание Ag при сохранении антибактериальной и каталитическойэффективности 24.

Программное обеспечение и обработка данных

Изображения SEM и TEM анализировались с использованием версии ImageJ 1.54. Спектры FTIR, XRD-паттерны, кинетические кривые UV–Vis, кинетика адсорбции и изотермические графики были обработаны с помощью OriginPro 2024. Спектры XPS были оснащены версией CasaXPS 2.3.25. Статистический анализ и подготовка графов проводились с помощью GraphPad Prism 10.

Для адсорбционного подгонки модели не выбирались толькоR 2 . Также рассматривалось согласование между экспериментальной и рассчитанной адсорбционной способностью, остаточным распределением и физической правдоподобностьюпараметров 25.

Контроль качества и статистический анализ

Все эксперименты проводились с использованием аэрогелей как минимум из трёх независимых партий производства. Физические и механические испытания использовали по пять образцов в каждой группе. Антибактериальные, каталитические, адсорбционные, регенеративные и Ag-высвобождающие тесты использовали три независимых партии с техническими триэкатами, когда это было применимо.

Партии аэрогеля принимались только при вариации сухой плотности внутри той же группы ниже 15%. Антибактериальные пластины принимались, когда количество колоний находилось в пределах 30–300 CFU. Каталитические тесты повторялись, когда начальное поглощение на 400 нм отличалось более чем на 10% от среднего по партии. Адсорбционные тесты повторялись, когда дрейф pH превышал 0,5 единицы. Калибровочные кривые ICP-OES и UV–Vis требовалиR 2 ≥ 0,995.

Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение. Нормальность оценивалась с помощью теста Шапиро–Уилка. Обычно распределённые данные анализировались с помощью одностороннего ANOVA, после чего следовал пост-хок тест Тьюки. Ненормальные данные анализировались с помощью теста Крускаля-Уоллиса, а затем теста Данна с множественным сравнением. p-значение ниже 0,05 считалось статистически значимым. Исключение не удалялось, если не было задокументированной технической причины.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Извлечение целлюлозной целлюлозы и подготовка наноцеллюлозы из отходов

Процесс предварительной обработки эффективно превращал сахарный тростник в целлюлозную целлюлозу. После щелочной обработки и отбеливания перекисью водорода биомасса сменилась с коричневого волокнистого порошка на бледную целлюлозную пульпу, что свидетельствует о постепенном удалении богатых лигнином и гемицеллюлозных фракций. Содержание целлюлозы выросло с 42,6% ± 1,8% в сы...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Это исследование демонстрирует, что наноцеллюлоза, полученная из отходов, может служить структурно жизнеспособной платформой для создания многофункциональных аэрогелей с антибактериальными, каталитическими и адсорбционными функциями. Ценность этой конструкции заключается не только в превращении сахарного тростника в пористый материал, но и в использовании сети наноцеллюлозы как носителя для арматуры хитозаны и иммобилизации зелёного AgNP. Недавние обзоры подчеркивают, что материалы на ос...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Автор с благодарностью выражает признательность Школе химии и химической инженерии Университета Саутгемптона за предоставление академической среды, необходимых лабораторных возможностей и аналитических ресурсов, необходимых для проведения этих исследований. Особая благодарность техническому персоналу поддержки за их неоценимую помощь с мультимодальными приборами характеристики, которые были критически важны для структурной и химической оценки композитных аэрогелей. Это исследование, направленное на продвижение устойчивой оценки сельскохозяйственных отходов и проектирования экологических материалов, проводилось независимо. Это исследование не получило внешнего финансирования.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
100 µm nylon meshПоставщик для коммерческих лабораторийИспользуется для фильтрации раствора хитозана перед изготовлением аэрогеля.
Уксусная кислотаSigma-Aldrich 695092
Диск с антибиотиком для положительного контроляThermo Fisherhttps://www.thermofisher.com/search/browse/category/us/en/90222069Выбирается в соответствии с штаммом бактерий и местным стандартом антибактериального тестирования.
Площадь поверхности BET и пористостьMicromeritics ASAP 2460 ASAP 2460Micromeritics описывает ASAP 2460 как анализатор поверхностной площади и порозимметрии с расширяемыми портами высокой пропускной способности.
Хлорид кальцияSigma-Aldrich 946664Состояние гидратов должно быть указано в соответствии с купленным реактивом.
Медь с углеродным покрытием для решеток ЭМTed Pella https://www.tedpella.com/grids_html/Используйте фактическую спецификацию решетки в окончательной таблице.
Ссылка на версию CasaXPSCasaXPS 2.3.25 или текущая установленная версияhttps://casaxps.com/
ХитозанSigma-Aldrich448869
Цилиндрические формы из полипропиленаПоставщик для коммерческих лабораторийИспользуется для формования монолитов аэрогеля.
Анализ данных и построение графиковOriginPro 2024
Escherichia coliATCCATCC 25922
ЭтанолSigma-Aldrich 459844
Реагент Фолина-ЧочкалтеуSigma-Aldrich F9252
ЛиофилизаторLabconco FreeZonehttps://www.labconco.com/category/freeze-dry-evaporation/freeze-dry-systems
ФТИРThermo Scientific Nicolet iS50  912A0760ФТИР спектрометр или эквивалент
Галловая кислотаSigma-AldrichG7384Используется в качестве калибровочного стандарта для анализа Фолина-Чочкалтеу; источник продукта должен быть проверен по фактической записи покупки лаборатории.
Листья зеленого чаяМестный поставщикМестный поставщикИспользуйте запись партии, бренд, дату сбора/покупки и стандартизацию общего количества фенолов вместо коммерческого веб-сайта.
Соляная кислотаSigma-Aldrich 258148
Перекись водородаSigma-Aldrich 386790
ICP-OESAgilent 5110 5110PerkinElmer Avio 500 / эквивалент
Анализ изображенийImageJ 1.54Версия ImageJ/Fiji должна быть указана в соответствии с фактически установленным в лаборатории программным пакетом.
Питательный бульон и агар LBThermo Fisher10855001Используйте фактического поставщика и номер каталога из инвентаря микробиологической лаборатории.
Селитряный свинецSigma-AldrichNIST928
Хлорид магнияSigma-Aldrich M8266Состояние гидратов должно быть указано в соответствии с купленным реактивом.
Метиленовый синийSigma-AldrichM9140
Азотнокислая кислотаSigma-Aldrich 438073Используйте градус с низким содержанием следовых металлов, если он доступен для рабочих процессов ICP-OES.
PBSThermofisher Scientifichttps://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010023Используется как контроль антибактериального анализа/разбавляющий средство.
Готовые культуры E. coli для контроля качестваThermo Fisher Culti-LoopsКат. № R4607050Альтернативный формат для ATCC 25922
СЭМHitachi SU8010 / ZEISS Sigma / эквивалентhttps://www.hitachi-hightech.com/global/en/products/microscopes/sem-tem-stem/sem/
Селитряная сереброSigma-Aldrich209139
Боранат натрияSigma-Aldrich452882Sigma-Aldrich указывает, что боранат натрия 452882 представляет собой порошок с чистотой ≥98,0%.
Карбонат натрияSigma-Aldrich 223530
Хлорид натрияSigma-Aldrich S9888
Гидроксид натрияSigma-Aldrich 221465
Staphylococcus aureusATCCATCC 25923ATCC идентифицирует S. aureus 25923 как штамм контроля качества, используемый для диффузии на дисках CLSI и тестирования сред.
Prism 10 GraphPad Версия 10Статистический анализ
Стерильные фильтровальные бумажные дискиWhatman Используется для контроля диффузии на дисках и сравнения аэрогеля-диска.
Шрот сахарного тростникаМестный поставщикМестный источник обработки сокаИспользуйте запись сбора в

Ссылки

  1. Hiranobe CT, Gomes AS, Friol F, Cabrera FC. Sugarcane bagasse: Challenges and opportunities for waste recycling. Clean Technol. 2024;6(2):662-699.
  2. Abdelhamid HN. Nanocellulose-based materials for water pollutant removal. Int J Mol Sci. 2024;25(15):8529.
  3. Zhao J, et al. Preparation of nanocellulose-based aerogel and its research progress in wastewater treatment. Molecules. 2023;28(8):3541.
  4. Boccia AC, Pulvirenti A, Garcia-Gonzalez CA, Grisi F, Neagu M. Bio-based aerogels for the removal of heavy metal ions and oils from water: Novel solutions for environmental remediation. Gels. 2024;10(1):32.
  5. Mohammed KSA, Atlabachew M, Abdu B, Desalew AA. A nanocellulose from sugarcane bagasse as a template for controlled synthesis and antibacterial activity of zinc oxide nanoparticles. Sci Rep. 2024;14:29462.
  6. Ho TG, Truong DP, Nguyen HB. Green synthesized nano-silver/cellulose aerogel as a robust, active, and recyclable catalyst toward nitrophenol hydrogenation. Chem Eng J. 2023;471:144604.
  7. Widatalla HA, Yassin LF, Alrasheid AA. Green synthesis of silver nanoparticles using green tea leaf extract: Characterization, antimicrobial activity, and catalytic application. Molecules. 2022;27(16):5156.
  8. Rukaramato R, Babatunde DD, Madanhire T, Mketo N, Magwa N. Nanocellulose-based materials for the removal of metal ions, pharmaceuticals, pesticides, dyes, and other pollutants from aqueous environments: A review. J Ind Eng Chem. 2025;150:265-299.
  9. Yu K, Yang L, Zhang S, Zhang N. Nanocellulose-based aerogels for the adsorption and removal of heavy-metal ion pollutants from wastewater. Mater Today Commun. 2025;43:111744.
  10. Zeng J, Wang Y, Chen L. Enhancing mechanical and antimicrobial properties of cellulose-based silver nanoparticle composite aerogels. Molecules. 2024;29(9):2065.
  11. Stark FW, et al. Cellulose-based aerogels for environmentally sustainable applications: A review of the production, modification, and sorption of environmental contaminants. Polymers. 2025;17(2):236.
  12. Yang X, Miao W, Sun X, Pan YT. Recent advances in sustainable biomass-based aerogels: A review. RSC Sustain. 2025;3:4298.
  13. Lunardi VBS, et al. Synthesis of cellulose hydrogel by utilizing agricultural waste as a green adsorbent for metal removal. Ind Crops Prod. 2024;209:117990.
  14. Nguyen VT, et al. Nanocellulose and graphene oxide aerogels for adsorption and removal of methylene blue from an aqueous environment. ACS Omega. 2022;7(1):1003-1013.
  15. El Allaoui B, et al. Silver nanoparticle-decorated cellulose beads: Eco-friendly catalysts for efficient 4-nitrophenol reduction and antibacterial performance. Int J Biol Macromol. 2024;274:133078.
  16. Xiao WD, Xiao LP, Xiao WZ. The new identity of cellulose pulp: A green silver nanoparticles support for highly efficient catalytic hydrogenation of 4-nitrophenol. J Clean Prod. 2022;355:131833.
  17. Nagendran V, et al. Challenges and advances in nanocellulose-based adsorbents for dye-contaminated wastewater treatment. Discov Appl Sci. 2024;6:824.
  18. Croitoru AM, et al. Nanostructured aerogels for water decontamination: Advances, challenges, and future perspectives. Nanomaterials. 2025;15(12):901.
  19. Ho TG, Nguyen HM, Nguyen TT. Biopolymer-reinforced cellulose aerogels supporting green-synthesized silver nanoparticles for robust antibacterial and catalytic applications. Int J Biol Macromol. 2025;334:149055.
  20. Shiri M, Hosseinzadeh M, Shiri S, Javanshir S. Adsorbent based on MOF-5/cellulose aerogel composite for adsorption of organic dyes from wastewater. Sci Rep. 2024;14:15134.
  21. Mi Z, et al. Constructing carboxylated cellulose nanofibers/chitosan composite aerogels for dye and heavy-metal adsorption. Int J Biol Macromol. 2025;315:144602.
  22. Yang Y, Li X, Wan C. A comprehensive review of cellulose nanomaterials for adsorption of wastewater pollutants: Focus on dye and heavy metal Cr adsorption and oil/water separation. Collagen Leather. 2024;6:35.
  23. Song L, et al. MIL125@cellulose composite aerogel for methylene blue removal from aqueous solution. Int J Biol Macromol. 2025;333:148964.
  24. Bernardo MP, et al. Fabrication of antimicrobial cellulose and silver niobate aerogels for improved bioactivity and antimicrobial performance. ACS Omega. 2025;10(15):15493-15502.
  25. Matsueda Y, Antunes E. A review of current technologies for the sustainable valorisation of sugarcane bagasse. J Environ Chem Eng. 2024;12(6):112104.
  26. Mubarak AA, Ilyas RA, Nordin AH, Ngadi N, Alkbir MFM. Recent developments in sugarcane bagasse fibre-based adsorbent and their potential industrial applications: A review. Int J Biol Macromol. 2024;277:134165.
  27. Nordin AH, et al. Recent advances in nanocellulose-based adsorbent for pharmaceutical wastewater treatment. Int J Biol Macromol. 2024;280(2):135799
  28. Chen J, et al. Cellulose-based aerogels for efficient dye sorption and oil-water separation. Int J Biol Macromol. 2025;310(4):143612.
  29. Nguyen PA, et al. Biogenic nanosilver-loaded cellulose-alginate aerogel for catalytic p-nitrophenol reduction and antibacterial applications. Colloids Surf A Physicochem Eng Asp. 2026;139076(731).
  30. Kabiri B, Heidari H. Synthesis and catalytic activity of silver-reduced graphene oxide nanocomposites for 4-nitrophenol reduction. Sci Rep. 2025;15:14539.
  31. Khan SA, et al. Nanocellulose-based titanium dioxide nanocomposites for removing pollutants from wastewater. Front Environ Sci. 2025;13.
  32. Zhao T, et al. Cellulose-based aerogels in water pollution treatment: Preparation, applications and mechanism. Adv Bionics. 2025;1(2–3):124-151.
  33. Palanisamy K, et al. Recent progress in cellulose-based aerogels for oil-water separation. Polymers. 2025;17(20):2723.
  34. Takeshita S, Mine S, Ono T. Data-driven review on aerogels and polymeric aerogels: Chemistry, properties, and applications. Angew Chem Int Ed. 2025;64(28),e202504250.
  35. Teferi DA, et al. Biorefinery and valorization strategies for sugarcane bagasse. Molecules. 2025: Integrating Food, Health, Economic, and Industrial Applications. Food Sci Nutr. 2025;13(12),e71262.
  36. Dabhi M, et al. A comprehensive review on sustainable production of nano crystalline cellulose from sugarcane bagasse and its applications. Chem Eng Commun. 2025;212(9):1-15.
  37. Yasemin O, Soner CM. Preparation strategies and multifunctional applications of cellulose-based aerogels in energy and environmental fields. 17th International Conference on Nanomaterials - Research & Application, OREA Congress Hotel, Brno, Czech Republic, EU.2026; https://doi.org/10.37904/nanocon.2025.5179.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

ХимияВыпуск 233Выпуск 233Пустое значениеВыпускбагасса сахарного тростникааэрогельнаночастицы серебраантибактериальная активностьвосстановление 4-нитрофенолаадсорбция
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.