Summary
Deze studie beschrijft een methode om chitine uit te breiden tot een schuim door chemische technieken die geen gespecialiseerde apparatuur vereisen.
Abstract
Chitine is een onderbenut, van nature overvloedig, mechanisch robuust en chemisch resistent biopolymeer. Deze kwaliteiten zijn wenselijk in een adsorbens, maar chitine mist het noodzakelijke specifieke oppervlak en de wijziging ervan omvat gespecialiseerde technieken en apparatuur. Hierin wordt een nieuwe chemische procedure beschreven voor het uitzetten van chitinevlokken, afgeleid van garnalenschelpafval, in schuimen met een hoger oppervlak. Het proces is gebaseerd op de evolutie van H2-gas uit de reactie van water met NaH gevangen in een chitinegel. De bereidingswijze vereist geen gespecialiseerde apparatuur. Poeder X-ray diffractie en N2-physisorptie geven aan dat de kristallietgrootte afneemt van 6,6 nm tot 4,4 nm en het specifieke oppervlak toeneemt van 12,6 ± 2,1 m2/g tot 73,9 ± 0,2 m2/g. Infraroodspectroscopie en thermogravimetrische analyse geven echter aan dat het proces de chemische identiteit van het chitine niet verandert. De specifieke Cu-adsorptiecapaciteit van het geëxpandeerde chitine neemt toe in verhouding tot het specifieke oppervlak van 13,8 ± 2,9 mg/g tot 73,1 ± 2,0 mg/g. De Cu-adsorptiecapaciteit als oppervlaktedichtheid blijft echter relatief constant bij een gemiddelde van 10,1 ± 0,8 atoom / nm2, wat opnieuw suggereert dat er geen verandering is in de chemische identiteit van het chitine. Deze methode biedt de middelen om chitine om te zetten in een materiaal met een hoger oppervlak zonder de gewenste eigenschappen op te offeren. Hoewel het chitineschuim hier wordt beschreven als een adsorbens, kan het worden voorgesteld als een katalysatorondersteuning, thermische isolator en structureel materiaal.
Introduction
Chitine is een mechanisch robuust en chemisch inert biopolymeer, de tweede alleen voor cellulose in natuurlijke abundantie1. Het is de belangrijkste component in het exoskelet van geleedpotigen en in de celwanden van schimmels en gist2. Chitine is vergelijkbaar met cellulose, maar met één hydroxylgroep van elk monomeer vervangen door een acetylaminegroep (Figuur 1A, B). Dit verschil verhoogt de sterkte van waterstofbinding tussen aangrenzende polymeerketens en geeft chitine zijn karakteristieke structurele veerkracht en chemische inertheid2,3. Vanwege zijn eigenschappen en overvloed heeft chitine aanzienlijke industriële en academische belangstelling aangetrokken. Het is bestudeerd als een steiger voor weefselgroei4,5,6,als een component in composietmaterialen7,8,9,10,11en als ondersteuning voor adsorbentia en katalysatoren11,12,13,14. Met name de chemische stabiliteit maakt chitine aantrekkelijk voor adsorptietoepassingen waarbij aandoeningen betrokken zijn die onherbergzaam zijn voor gewone adsorbentia14. Bovendien maakt de overvloed aan aminegroepen chitine een effectief adsorbens voor metaalionen15. De protonering van de aminegroepen onder zure omstandigheden vermindert echter de metaal adsorptiecapaciteit van chitine16. Een succesvolle strategie is om adsorptieplaatsen te introduceren die beter bestand zijn tegen protonatie17,18. In plaats daarvan wordt hierin een eenvoudige methode beschreven om het specifieke oppervlak en daarom het aantal adsorptieplaatsen in chitine te vergroten.
Figuur 1. Chemische structuur. (A) cellulose, (B) chitine, (C) chitosan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Ondanks de vele potentiële toepassingen, chitine wordt onderbenut. Chitineverwerking is een uitdaging vanwege de lage oplosbaarheid in de meeste oplosmiddelen. Een belangrijke beperking voor het gebruik ervan bij katalyse en adsorptie is het lage specifieke oppervlak. Terwijl typische koolstof- en metaaloxidesteunen specifieke oppervlakken hebben in de orde van 102-103 m2/ g, hebben commerciële chitinevlokken oppervlakten in de orde van grootte van 10 m2/ g19,20,21. Er bestaan methoden om chitine uit te breiden tot schuimen, maar ze zijn steevast afhankelijk van hoge temperatuur en druk, sterke zuren en basen, of gespecialiseerde apparatuur die een belangrijke toegangsdrempel5,21,22,23,24,25vertegenwoordigt. Bovendien hebben deze methoden de neiging om chitine te deacetyleren om chitosan te vormen (Figuur 1C) - een meer oplosbaar en reactief biopolymeer5,25,26.
Hierin wordt een methode beschreven om chitine uit te breiden tot vaste schuimen, het specifieke oppervlak en de adsorptiecapaciteit te vergroten en de chemische integriteit te behouden. De methode is gebaseerd op de snelle evolutie van gas vanuit een chitinegel en vereist geen gespecialiseerde apparatuur. De verhoogde adsorptiecapaciteit van het geëxpandeerde chitine wordt aangetoond met waterige Cu2+-een veel voorkomende verontreiniging in het lokale grondwater26.
| Eenheid | Nette Flake | Gebakken schuim | Gelyofiliseerd schuim | |
| Kristalliniteit | % | 88 | 74 | 58 |
| Kristal grootte | Nm | 6.5 | 4.4 | 4.4 |
| Oppervlakte | m2/g | 12,6 ± 2,1 | 43,1 ± 0,2 | 73,9 ± 0,2 |
| Cu Opname | mg/g | 13,8 ± 2,9 | 48,6 ± 1,9 | 73,1 ± 2,0 |
| Cu Opname | atoom/nm2 | 10,5 ± 2,8 | 10,7 ± 0,4 | 9,4 ± 0,3 |
Tabel 1. Samenvatting van de materiaaleigenschappen. Chitineschuimen hebben een lagere kristalliniteit en kristalgrootte in vergelijking met nette chitinevlokken. Het specifieke oppervlak en de Cu-opname van de chitineschuimen zijn echter verhoudingsgewijs hoger dan die van de nette chitinevlokken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bereiding van geëxpandeerd chitine
- Bereid een 250 ml oplossing van 5 wt% LiCl in dimethylacetamide (DMAc)
LET OP: Het oplosmiddel DMAc is een brandbare irriterende stof die de vruchtbaarheid kan beschadigen en geboorteafwijkingen kan veroorzaken. Behandel DMAc in een zuurkast met chemicaliënbestendige handschoenen en brillen om contact met huid en ogen te voorkomen.- Voeg 15 g LiCl en 285 g (268 ml) DMAc toe aan een Erlenmeyer van 500 ml en plaats vervolgens een met polytetrafluorethyleen (PTFE) beklede magneetroerstaaf van 50 mm.
- Dek de kolf af met een rubberen septum en leg deze op een roerplaat. Plaats een temperatuursonde door het septum in het mengsel. Roer het mengsel bij 400 rpm en 80 °C tot alle LiCl is opgelost (~ 4 h)
- Los 1,0 g ovengedroogde chitinevlokken op in de LiCl/DMAc-oplossing tot een sol-gel
- Droog ten minste 1,2 g chitinevlokken in een oven op 80°C gedurende 24 uur.
- Voeg 1,0 g in de oven gedroogde chitinevlokken en 250 ml 5 wt% LiCl/DMAc-oplossing toe aan een kolf met ronde bodem van 500 ml. Plaats een 50 mm PTFE-gevoerde magneetroerstaaf.
- Dek de kolf af met een rubberen septum en leg deze op een roerend warmteblok. Prik het septum door met een naald en laat het zo dat de kolf kan ontluchten. Verwarm het blok tot 80 °C en roer het mengsel met 400 rpm totdat alle chitine is opgelost (24-48 uur).
- Laat de resulterende chitine sol-gel langzaam afkoelen tot kamertemperatuur terwijl u blijft roeren (~ 1 uur).
- Eenmaal op kamertemperatuur, plaats de kolf met de chitine sol-gel in een ijsbad en blijf roeren totdat de temperatuur stabiliseert (~ 20 min).
- Bereid een 100 ml nah in DMAc.
LET OP: NaH in contact met water geeft brandbare gassen vrij die spontaan kunnen ontbranden. Om contact met vochtige lucht te beperken, wordt NaH opgeslagen in minerale olie die voor gebruik moet worden afgewassen. Ga voorzichtig om in een zuurkast met chemicaliënbestendige handschoenen en brillen.- Verwijder ongeveer 1 g NaH uit de opslag van minerale olie en was driemaal met 10 ml hexanen.
- Voeg 100 ml DMAC toe aan een Erlenmeyer van 250 ml, voeg vervolgens 0,82 g van de gewassen NaH toe en plaats een met PTFE beklede magneetroerstaaf.
- Draai het mengsel om een NaH/DMAc-slurry te produceren.
OPMERKING: NaH zal niet volledig oplossen.
- Vorm de chitine gel door alle NaH/DMAc slurry toe te voegen aan de chitine sol-gel.
- Maak de afgekoelde sol-gel los en voeg al roerend alle NaH-slurry toe. Plaats de dop aan en blijf het mengsel gedurende 72 uur bij 400 tpm roeren of totdat er een gel in de kolf ontstaat.
- Vorm het chitineschuim door water toe te voegen aan de chitinegel.
- Na de vorming van de gel, maak de kolf los en voeg 100 ml gedeoniseerd (DI) water toe.
OPMERKING: Het is van cruciaal belang om deze stap in een zuurkast uit te voeren, omdat het proces H2-gas zal evolueren.
- Na de vorming van de gel, maak de kolf los en voeg 100 ml gedeoniseerd (DI) water toe.
- Isoleer en was het chitineschuim in water en methanol om DMAc en zouten te verwijderen.
- Verwijder het geëxpandeerde chitineschuim uit de kolf en plaats het in een kristallisatieschaal of bekerglas dat groot genoeg is om het en 1000 ml DI-water vast te houden.
OPMERKING: Het chitineschuim komt er niet heel heel uit en moet mogelijk worden afgebroken. - Spoel de geïsoleerde gel drie keer af met 500 ml DI-water. Week de gel in 1000 ml DI-water gedurende 24 uur, vervolgens in 500 ml methanol gedurende 24 uur en ten slotte opnieuw in 1000 ml DI-water gedurende 24 uur.
- Verwijder het geëxpandeerde chitineschuim uit de waterwas en laat 24-48 uur aan de lucht drogen.
- Verwijder het geëxpandeerde chitineschuim uit de kolf en plaats het in een kristallisatieschaal of bekerglas dat groot genoeg is om het en 1000 ml DI-water vast te houden.
- Droog de gewassen chitinegel tot een vast schuim en maal vervolgens tot een poeder.
- Droog de gel in de oven bij 85 °C gedurende 48 uur onder omgevingslucht, of in een lyofilisator bij -43 °C en 0,024 mbar gedurende 48 uur.
- Maal met behulp van een vijzel en stamper het droge chitineschuim tot een fijn poeder.
Figuur 2. Bereiding van geëxpandeerd chitineschuim. (A) De initiële chitine in LiCl/DMAc oplossing. B)De toevoeging van de NaH/DMAc-drijfmest. (C) Het chitineschuim na toevoeging van water. D) Het chitineschuim zoals geëxtraheerd uit de reactiekolf. (E) Het chitineschuim tijdens het wassen met water. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Ontwikkeling van de adsorptie-isothermen
- Bereid 500 ml stamoplossingen van aq. Cu2+ (MW 63,5 g/mol) in concentraties van 50 mg/l, 100 mg/l, 200 mg/l, 300 mg/l, 400 mg/l en 450 mg/l. Voeg hiervoor 90 mg, 180 mg, 360 mg, 540 mg, 720 mg en 810 mg Cu(NO3)2· 2,5 H2O (MW 232,6 g/mol) voor respectievelijk zes containers. Voeg 500 ml 18 MΩ water toe, dop de container af en schud om de vaste stoffen op te lossen.
- Voeg 50 mg chitine toe aan 100 ml van elke stamoplossing, stel de pH in op 7 en laat gedurende 48 uur in evenwicht zijn.
- Breng 100 ml van elke voorraadoplossing over in een container van 100 ml, zodat de hoofdruimte minimaal is. Voeg 50 mg gemalen chitine toe aan elke container en dop ze vervolgens af.
- Plaats containers op een orbitale shaker en schud gedurende 30 minuten bij 60 rpm. Haal vervolgens containers van de orbitale shaker en stel de pH in op 7 met NH4HCO3 of HNO3.
- Vervang containers terug op de orbitale shaker en schud bij 60 rpm en bij een constante temperatuur gedurende 48 uur. Houd het laboratorium op 18 ± 2 °C.
- Meet de Cu-concentratie van de initiële stamoplossingen en van die waaraan chitine is toegevoegd. Gebruik de colorimetrische bicinchoninaatmethode, een colorimeter en vooraf gemeten reagenspakketten27.
- Verwijder de containers uit de orbitale shaker, laat de mengsels minimaal 30 minuten bezinken en neem vervolgens een aliquot van 1 ml met een spuit met een glazen microvezelfilter van 0,3 μm.
- Breng het aliquot over in een container van 250 ml en verdun tot 100 ml met 18 MΩ water.
OPMERKING: Deze stap is noodzakelijk vanwege het lage detectieplafond van Cu (5 mg / L) door de bicinchoninaatmethode met behulp van de colorimeter. - Breng 10 ml van het verdunde monster over op een cuvette. Plaats de cuvette in de colorimeter en zet het instrument op nul.
- Voeg een pakje voorgemeten Cu-reagens (bicinchoninaatmethode) toe aan het verdunde monster in de cuvette en wacht 45 s tot de chelatiereactie is voltooid. Laat de oplossing paars worden. De intensiteit van de gevormde kleur is evenredig met de Cu-concentratie.
- Plaats de cuvette terug in de colorimeter en meet de Cu-concentratie van het verdunde monster. Vermenigvuldig de concentratie van het verdunde monster met 100 om die van het oorspronkelijke monster te verkrijgen.
- Haal de maximale Cu-opname uit de adsorptie-isothermgegevens.
- Bereken de opname van elk monster voor elke evenwichts-Cu-concentratie met behulp van de vergelijking28:
- Plot de adsorptie-opname versus evenwichtsconcentratie van de monsters om een standaard Cu-adsorptie-isotherm te produceren.
- Zet de verhouding tussen evenwichtsconcentratie en opname en de evenwichtsconcentratie uit om de lineaire Cu-adsorptie-isotherm te produceren.
OPMERKING: De plot moet lineair zijn en de inverse van de helling vertegenwoordigt de maximale Cu-opname.
- Bereken de opname van elk monster voor elke evenwichts-Cu-concentratie met behulp van de vergelijking28:
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Geëxpandeerd chitine vertoont dezelfde morfologie, ongeacht de droogmethode. Figuur 3 toont afbeeldingen van nette chitinevlokken (figuur 3A1), ovengedroogd geëxpandeerd chitine (figuur 3B1) en lyofiliseerd geëxpandeerd chitine (figuur 3C3). Terwijl de nette vlokken het uiterlijk van grof zand hebben, heeft het geëxpandeerde chitineschuim het uiterlijk van een korrel van gesprongen maïs. Scanning elektronenmicrofoto's laten een vergelijkbare verandering zien op kleinere schaal. Terwijl de nette chitinevlokken (Figuur 3A2, 3A3) een compacte, dichte structuur hebben, lijken de in de oven gedroogde (Figuur 3B2, 3B3) en gelieliseerde (Figuur 3C2, 3C3) geëxpandeerde chitine op gerimpeld papier of gerimpelde vellen. De monsters werden gesputterd met goud voordat ze werden ingebeeld met een secundaire elektronendetector, met een 15 kV versnellende spanning, en op een werkafstand in het bereik van 29-31 mm.
Figuur 3. Foto's en microfoto's van keurige vlok en geëxpandeerde chitine. De foto's komen overeen met chitine (A1) in zijn nette vlokvorm en in zijn geëxpandeerde schuimvorm gedroogd door (B1) bakken bij 80 °C en (C1) lyofiliseren. De scanning elektronenmicrografen komen overeen met twee vergrotingen van chitine (A2, A3) in zijn nette vlokvorm en in zijn geëxpandeerde schuimvorm gedroogd door (B2, B3) bakken bij 80 °C en (C2,C3) lyofiliseren. Let op de compactere vorm van de nette vlokken ten opzichte van het geëxpandeerde schuim. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Deze visuele en microscopische waarnemingen komen overeen met de poeder X-ray Diffraction (XRD) en N2-physisorptie analyses van de monsters. Diffractogrammen tonen een verbreding van kristallijne reflecties en een toename van de intensiteit van de amorfe piek in de geëxpandeerde schuimen ten opzichte van de nette vlokken (figuur 4). Deze waarneming kan worden geïllustreerd door de semi-kwantitatieve kristalliniteitsindex te vergelijken met de kristallietgrootteschattingen van het nette en uitgebreide chitine. De kristalliniteitsindex is het genormaliseerde verschil van kristallijne tot amorfe diffractie-intensiteiten29. Het wordt gegeven door de vergelijking:
Voor chitine is de kristallijne diffractie-intensiteit die typisch wordt gebruikt die van het kristalvlak (110) bij 19,3 ° en de amorfe diffractie-intensiteit is die bij 16,0 °29. De kristalliniteitsindex daalt van 88% in de nette vlokken, naar 74% in het ovengedroogde geëxpandeerde schuim en naar 58% in het lyofiliseerde geëxpandeerde schuim(tabel 1). De kristallietgrootte kan worden geschat met de Scherrervergelijking30:
We gaan uit van een vormfactor 1 en het gebruikte instrument Cu Kα straling (golflengte = 15,4 nm). Met behulp van de diffractie van het (110) vlak bij 19,3° daalt de kristallietgrootte van 6,6 nm in het nette chitine tot 4,4 nm in het geëxpandeerde chitine(tabel 1).
Figuur 4. Röntgendiffractogrammen van netjes en geëxpandeerd chitine. De figuur toont de diffractogrammen van chitine in zijn nette vlokvorm en in zijn geëxpandeerde schuimvorm gedroogd door twee verschillende methoden- bakken bij 800 °C en lyofiliseren. Alle drie de diffractogrammen zijn genormaliseerd tot de maximale intensiteit van reflectie op 19,3 °, wat overeenkomt met vlak (110). Let op de algemene verbreding van pieken in de geëxpandeerde schuimen ten opzichte van de nette vlokken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Metingen van een specifiek oppervlak, verkregen uit N2-physisorptie-isothermen bij 77 K met behulp van de Brunauer-Emmett-Teller (BET) vergelijking31, leiden tot vergelijkbare waarnemingen. Voor alle materialen laten de N2 adsorptie-isothermen zien dat het opnamevolume lineair toeneemt met partiële druk in het bereik p/ po = 0,05-0,25 (figuur 5A), zoals wordt verwacht van N2 meerlaagse condensatie32. Het opnamevolume is echter het grootst voor de geëxpandeerde schuimen. De BET-plot (Figuur 5B, 5C), toont een positieve lineaire correlatie met partiële druk en positieve interceptie, wat aangeeft dat de gegevens binnen het geldige bereik van de BET-vergelijking33liggen. Als zodanig is het specifieke oppervlak van de materialen evenredig met de inverse van de som van de helling en onderschepping van die lijnen31. Terwijl het specifieke oppervlak van de nette vlokken 12,6 ± 2,1 m2/ g is, is dat van ovengedroogd schuim 43,1 ± 0,2 m2/ g, en dat van het gelieliseerde schuim is 73,9 ± 0,2 m2/ g. De veranderingen in kristalliniteitsindex, kristallietgrootte en specifiek oppervlak geven aan dat het materiaal ofwel (1) een meer open en poreuze structuur vormt, of (2) wordt afgebroken tot kleinere deeltjes. De microfoto's in figuur 3 suggereren het eerste, maar het laatste kan niet worden uitgesloten zonder een grondige analyse van de poriegrootteverdeling.
Figuur 5. N2 adsorptie-isothermen en BET-percelen. (A) N2 adsorptie-isothermen van chitine in zijn nette vlokvorm en in zijn geëxpandeerde schuimvorm gedroogd volgens twee verschillende methoden - bakken bij 80 °C en lyofiliseren - voor partiële drukken in het BET-bereik. (B, C) BET-plot voor dezelfde materialen en het bereik van partiële drukken. De specifieke oppervlakten zijn evenredig met de inverse van de som van de onderschepping en helling van de lijnen in de BET-percelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Ondanks de hierboven beschreven morfologische veranderingen lijkt het expansieproces de chemische structuur van chitine niet te beïnvloeden. Het IR-spectrum, verkregen als verzwakte totale reflectie (ATR), van alle chitinemonsters blijft vrijwel ongewijzigd, ongeacht de verwerking(figuur 6). Let op de gelijkenis van de pieken op 1650 cm-1 en 1550 cm-1 die overeenkomen met de amide functionele groep23.
Figuur 6. ATR IR-spectrogrammen van nette en geëxpandeerde chitine. De figuur toont de IR-spectra van chitine in zijn nette schilfervorm en in zijn geëxpandeerde schuimvorm gedroogd door twee verschillende methoden- bakken bij 80 °C en lyofiliseren. De verschillen in de spectra zijn minimaal en suggereren geen significante chemische veranderingen tussen nette vlokken en geëxpandeerd schuim chitine. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Het thermische ontledingsgedrag duidt ook op minimale chemische veranderingen tussen de drie monsters(figuur 7). De vorm van het thermogravimetrische profiel is identiek voor het geëxpandeerde chitine, ongeacht de droogmethode, maar beide verschillen van die van de nette vlokken (figuur 7A). Dit wordt toegeschreven aan massa- en thermische diffusiebeperkingen die verband houden met de compactere vlokken. Het begin van thermische ontleding van alle drie de monsters vindt plaats bij 260 °C (figuur 7B), maar de maximale ontledingssnelheid voor chitinevlokken vindt plaats bij hogere temperaturen vanwege de compactere morfologie.
Figuur 7. Thermogravimetrische profielen van nette en geëxpandeerde chitine. De figuur toont de integrale (boven) en differentiële (onder) thermogravimetrische profielen van chitine in zijn nette vlokvorm en in zijn geëxpandeerde schuimvorm gedroogd door twee verschillende methoden- bakken bij 80 °C en lyofiliseren. Het begin van de thermische ontleding van alle drie de materialen is bij 260 °C, maar vlokken ontbinden over een langer temperatuurbereik ten opzichte van de schuimen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De toename van het specifieke oppervlak gaat gepaard met een verwachte toename van de maximale opname Cu door chitine. Terwijl de nette vlokken 13,8 ± 2,9 mg / g opnemen,neemt het in de oven gedroogde schuim 43,1 ± 1,9 mg / g op en het gellooide schuim 73,1 ± 2,0 mg / g(tabel 1). De toename van cu-opname wordt duidelijker geïllustreerd door vergelijking van de standaard (figuur 8A) en lineaire (figuur 8B) Langmuir adsorptie-isothermen. De maximale opname wordt weergegeven door de asymptotische limiet in de standaard isotherm en de inverse van de helling in de lineaire isotherm. Deze verschillen in opname verdwijnen echter wanneer de Cu-opname wordt genormaliseerd door het oppervlak(tabel 1). Terwijl de nette vlokken 10,5 ± 2,8 atomen/nmopnemen,het in de oven gedroogde schuim 10,7 ± 0,4 atomen/nm2opneemt en het gelieliseerde schuim 9,4 ± 0,3 atomen/nm2 (tabel 1). Dit suggereert dat het oppervlak van het geëxpandeerde chitine chemisch vergelijkbaar is met dat van de initiële chitinevlokken, wat overeenkomt met spectroscopie en thermogravimetrische waarnemingen.
Figuur 8. (A) Standaard en gelineariseerde (B, C) Cu adsorptie isotherm. De figuur toont Cu adsorptie isothermen van chitine in zijn nette schilfervorm en in zijn geëxpandeerde schuimvorm gedroogd door bakken bij 80 °C en lyofiliseren. Elk gegevenspunt is het gemiddelde van drie metingen en de foutbalken vertegenwoordigen twee standaarddeviaties. Foutbalken voor de geëxpandeerde schuimen in de lineaire isotherm zijn klein en zijn alleen te zien in (C). De ononderbroken lijnen tonen de best passende Langmuir adsorptie-isothermen. De maximale opname is de asymptotische waarde in de standaard adsorptie-isotherm en de inverse helling in de lineaire. Geëxpandeerde chitine vertoont een hogere Cu-opname dan die van chitinevlokken met ten minste een factor 4. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De voorgestelde methode voor de fabricage van chitineschuim maakt de productie van dergelijke schuimen mogelijk zonder de noodzaak van gespecialiseerde apparatuur of technieken. De productie van het chitineschuim is afhankelijk van de suspensie van natriumhydride in een chitine sol-gel. Contact met water uit de atmosfeer induceert geleer van de chitinematrix en evolutie van waterstofgas door ontbinding van het natriumhydride. Daarom zijn de kritische stappen van het preparaat (1) vorming van de sol-gel, (2) introductie van het natriumhydride in watervrije omstandigheden en (3) de reactie van atmosferisch water met de chitine sol-gel en natriumhydride suspensie.
Uit de derde stap vloeien twee belangrijke beperkingen voort. Ten eerste schaalt het proces slecht op. De chitine sol-gel is een zeer hygroscopische en absorbeert gemakkelijk vocht, maar naarmate het reactievolume toeneemt, kunnen waterdiffusiebeperkingen geleer voorkomen. In feite zagen we dat het verdubbelen van het reactievolume de geleertijd verhoogde van dagen tot weken. Ten tweede is het proces afhankelijk van atmosferisch vocht. Het lokale klimaat en het seizoensgebonden weer zullen variaties in de geleertijd veroorzaken. Een mogelijke wijziging van de procedure is om Schlenk-technieken te gebruiken om de reactieatmosfeer lucht- en vochtvrij te houden en vervolgens geleidelijk water toe te voegen aan de chitine sol-gel en natriumhydride suspensie. Een dergelijke verandering vereist echter middelen en vaardigheden die de toepasbaarheid zouden beperken.
Zowel de kristalliniteitsindex als de kristalgrootte die hierboven zijn gerapporteerd, zijn slechts semi-kwantitatieve schattingen. De kristalliniteitsindex werd berekend zoals beschreven door Focher, et al.29, en is daarom geen echte kristalliniteitsfractie. Het werd niet verkregen door piekgebieden te vergelijken met die van normen van bekende zuiverheid. Evenzo biedt het gebruik van de Scherrer-vergelijking om kristallietgrootte te verkrijgen uit de lijnverbreding alleen schattingen. Andere verschijnselen, zoals niet-uniforme spanning, kunnen ook bijdragen aan lijnverbreding34. Om deze reden is het beter om te focussen op trends in plaats van de absolute waarden van kristalliniteitsindex en kristallietgrootte. Zoals elders aanbevolen, worden deze waarden gerapporteerd zonder bijbehorende fouten of afwijkingen34.
Het berekenen van specifieke oppervlakten door de BET-vergelijking toe te passen op N 2-lichaamssorptie-isothermen vereist grondig drogen en ontgassen van monsters voorafgaand aan de analyse. De aanwezigheid van vocht en adsorbaten op het monster zal specifieke gebiedsmetingen op twee manieren veranderen: (1) door het effectieve aantal lege adsorptieplaatsen te blokkeren en te verlagen, en (2) door vluchtige stoffen te desorberen, de gemeten druk boven het monster te verhogen en de schijnbare adsorptie te verlagen. Om deze fouten te voorkomen, worden koolstof- en oxidemonsters meestal ontgast bij temperaturen in de buurt van 300 °C onder stromende N2 of vacuüm gedurende ten minste 1 uur. Hoewel het structureel robuust is, zal chitine onder dergelijke omstandigheden thermisch ontbinden(figuur 6). In plaats daarvan waren specifieke oppervlaktemetingen van geëxpandeerde chitineschuimen het meest betrouwbaar voor monsters die bij 50 °C werden ontgast onder stromend N2 gedurende 1 week onmiddellijk na het drogen of lyofieliseren in de oven.
Het uitvoeren van adsorptie-isotherme experimenten is routine, maar de specifieke protocollen variëren sterk op basis van het adsorbens, de oplossing, de mengmethode, de beschikbare instrumenten en het gemak. Om die reden bevat deze studie een gedetailleerd protocol op basis van een procedure voor afvalwateranalyse28. De adsorptie van Cu op chitine is laag in vergelijking met andere adsorbentia, zoals koolstofatomen. Chitine vereist hoge Cu-concentraties in het bereik van 100-500 mg / L om verzadiging te bereiken35. De colorimetrische bicinchoninaatmethode heeft echter een Cu-detectieplafond van slechts 5 mg / L27. Dit betekent dat aliquots 100 keer verdund moesten worden om hun Cu-concentratie meetbaar te maken met het instrument. Verdunningen kunnen aanzienlijke experimentele fouten in metingen introduceren, dus de verdunning en metingen werden drie keer per monster herhaald. Met behulp van een gegradueerde cilinder om de verdunningen uit te voeren, was de waargenomen variantie in de gemeten concentraties laag-minder dan 3,7% voor lage Cu-concentraties en minder dan 0,35% voor hoge Cu-concentraties. De variantie kan worden verminderd door volumekolven te gebruiken om de verdunning uit te voeren. Bovendien is het belangrijk om de headspace tijdens de adsorptie-experimenten te minimaliseren. Elk adsorbens dat zich aan de wanden van de container boven de vloeistoflijn hecht, zal niet in evenwicht zijn met de oplossing en zal fouten in het experiment veroorzaken. Dit kan worden voorkomen door de containers in een hoek van 15° ten opzichte van het baanvlak van de shaker te plaatsen en de containers routinematig met de hand te schudden om eventuele adsorbens die aan de binnenwanden zijn gehecht los te maken.
Het Langmuir-model voor isotherme, niet-dissociatieve adsorptie gaat ervan uit dat (1) de analytadsorben in een enkele laag, (2) adsorptieplaatsen energetisch equivalent zijn en een enkel analytmolecuul of ion kunnen bevatten, en (3) geadsorbeerde moleculen of ionen niet met elkaar interageren. De verzamelde Cu-adsorptiegegevens passen in het Langmuir-model en valideren deze aannames. We gebruikten echter geraffineerd chitine geoogst van een enkele soort als uitgangsmateriaal. Het gebruik van chitine met een lagere zuiverheid, of het chemisch modificeren van het oppervlak17,36, kan resulteren in een grotere morfologische en energetische variatie tussen adsorptieplaatsen, wat een ander adsorptiemodel zou vereisen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Het onderzoek werd gesponsord door het Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory (Samenwerkingsovereenkomst Nummer W911NF-15-2-0020). Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen die in dit materiaal worden uitgedrukt, zijn die van de auteurs en weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de opvattingen van het Army Research Lab.
We bedanken het Center for Advanced Materials Processing (CAMP) aan de Montana Technological University voor het gebruik van enkele van de gespecialiseerde apparatuur die nodig is in deze studie. We bedanken ook Gary Wyss, Nancy Oyer, Rick LaDouceur, John Kirtley en Katherine Zodrow voor de technische assistentie en nuttige discussies.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ammonium bicarbonate | Sigma-Aldrich | 9830 | NH4HCO3, ≥99.5 % |
| Chitin | Sigma-Aldrich | C7170 | Pandalus borealis, practical grade |
| Colorimeter | Hanna Instruments | HI83399-01 | Photometer for wastewater analysis |
| Copper High Range Checker | Hanna Instruments | HI702 | Bicinchoninate colorimetric titration |
| Copper nitrate hydrate | Sigma-Aldrich | 223395 | Cu(NO3)2 · 2.5 H2O, 98 % |
| Dimethylacetamide (DMAc) | Sigma-Aldrich | 271012 | Anhydrous, 99.8 % |
| IR Spectrophotometer | Thermo Nicolet | Nexus 670 | Fitted with an ATR cell |
| Lithium chloride | Sigma-Aldrich | 310468 | LiCl, ≥99 % |
| N2 Physisorption Apparatus | Micromeritics | Tristar II | |
| Nitric acid | BDH | BDH7208-1 | HNO3, 0.1 N |
| Scanning electron microscope | Zeiss LEO | 1430 VP | 15 kV, secondary electron detector, 29-31 mm working distance |
| Sodium hydride | Sigma-Aldrich | 223441 | NaH, packed in mineral oil, 90 % |
| Thermogravimetric analyzer | TA Instruments | Q500 | 100 ml/min N2, 10 °C/min to 800 °C |
| Water Purification System | Millipore | Milli-Q | Type A water (18 MΩ) |
| X-Ray Diffractometer | Rigaku | Ultima IV | Cu K-α radiation, 8.04 keV |
References
- Rinaudo, M. Chitin and chitosan: Properties and applications. Progress in Polymer Science. 31 (7), 603-632 (2006).
- Percot, A., Viton, C., Domard, A. Optimization of chitin extraction from shrimp shells. Biomacromolecules. 4 (1), 12-18 (2003).
- Austin, P. R.
- Deepthi, S., Venkatesan, J., Kim, S. K., Bumgardner, J. D., Jayakumar, R. An overview of chitin or chitosan/nano ceramic composite scaffolds for bone tissue engineering. International Journal of Biological Macromolecules. 93, 1338-1353 (2016).
- Tao, F., et al. Applications of chitin and chitosan nanofibers in bone regenerative engineering. Carbohydrate Polymers. 230, 115658 (2020).
- Zhao, L., et al. Regulation of the morphological and physical properties of a soft tissue scaffold by manipulating DD and DS of O-carboxymethyl chitin. ACS Applied Bio Materials. 3 (9), 6187-6195 (2020).
- Duan, Y., Freyburger, A., Kunz, W., Zollfrank, C. Cellulose and chitin composite materials from an ionic liquid and a green co-solvent. Carbohydrate Polymers. 192, 159-165 (2018).
- Kadokawa, J., Takegawa, A., Mine, S., Prasad, K. Preparation of chitin nanowhiskers using an ionic liquid and their composite materials with poly(vinyl alcohol). Carbohydrate Polymers. 84 (4), 1408-1412 (2011).
- Chen, Z., Wang, J., Qi, H. J., Wang, T., Naguib, H. E. Green and sustainable layered chitin-vitrimer composite with enhanced modulus, reprocessability, and smart actuator function. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 8 (40), 15168-15178 (2020).
- Zhang, Z., Lucia, L. A. Chitin-clay composite gels with enhanced thermal stability prepared in a green and facile approach. Journal of Materials Science. 56 (4), 3600-3611 (2021).
- Ahmed, M. J., Hameed, B. H., Hummadi, E. H. Review on recent progress in chitosan/chitin-carbonaceous material composites for the adsorption of water pollutants. Carbohydrate Polymers. 247, 116690 (2020).
- Matsuoka, A., et al. Hydration of nitriles to amides by a chitin-supported ruthenium catalyst. RSC Advances. 5 (16), 12152-12160 (2015).
- Wang, Y., Li, Y., Liu, S., Li, B. Fabrication of chitin microspheres and their multipurpose application as catalyst support and adsorbent. Carbohydrate Polymers. 120, 53-59 (2015).
- Anastopoulos, I., Bhatnagar, A., Bikiaris, D., Kyzas, G. Chitin Adsorbents for Toxic Metals: A Review. International Journal of Molecular Sciences. 18 (1), 114 (2017).
- Habiba, U., Afifi, A. M., Salleh, A., Ang, B. C. Chitosan/(polyvinyl alcohol)/zeolite electrospun composite nanofibrous membrane for adsorption of Cr6+, Fe3+ and Ni2+. Journal of Hazardous Materials. 322, 182-194 (2017).
- Kim, U. J., et al. Protein adsorption of dialdehyde cellulose-crosslinked chitosan with high amino group contents. Carbohydrate Polymers. 163, 34-42 (2017).
- He, Y., et al. Fabrication of PVA nanofibers grafted with octaamino-POSS and their application in heavy metal adsorption. Journal of Polymers and the Environment. , (2020).
- Tian, H., et al. Electrospinning of polyvinyl alcohol into crosslinked nanofibers: An approach to fabricate functional adsorbent for heavy metals. Journal of Hazardous Materials. 378, (2019).
- Meille, V. Review on methods to deposit catalysts on structured surfaces. Applied Catalysis A: General. 315, 1-17 (2006).
- Dotto, G. L., Cunha, J. M., Calgaro, C. O., Tanabe, E. H., Bertuol, D. A. Surface modification of chitin using ultrasound-assisted and supercritical CO2 technologies for cobalt adsorption. Journal of Hazardous Materials. 295, 29-36 (2015).
- Phongying, S., Aiba, S., Chirachanchai, S. Direct chitosan nanoscaffold formation via chitin whiskers. Polymer. 48 (1), 393-400 (2007).
- Tan, T. S., Chin, H. Y., Tsai, M. L., Liu, C. L. Structural alterations, pore generation, and deacetylation of α- and β-chitin submitted to steam explosion. Carbohydrate Polymers. 122, 321-328 (2015).
- Chang, F. S., Chin, H. Y., Tsai, M. L.
- Goodrich, J. D., Winter, W. T. α-Chitin Nanocrystals prepared from shrimp shells and their specific surface area measurement. Biomacromolecules. 8 (1), 252-257 (2007).
- Rolandi, M., Felts, J. Naturally sourced chitin foam. , US 2020/0239670 A1 (2020).
- McDermott, S., Hailer, M. K., Lead, J. R. Meconium identifies high levels of metals in newborns from a mining community in the U.S. Science of the Total Environment. 707, 135528 (2020).
- Hach Handbook of Water Analysis. Copper, Bicinchoninate Method, Method 8506. Hach Handbook of Water Analysis. , (1979).
- Crittenden, J. C., Trusell, R. R., Hand, D. R., Howe, K. J., Tchbanoglous, G.
- Focher, B., Beltrame, P. L., Naggi, A., Torri, G. Alkaline N-deacetylation of chitin enhanced by flash treatments. Reaction kinetics and structure modifications. Carbohydrate Polymers. 12 (4), 405-418 (1990).
- Scherrer, P. Determination of the size and the internal structure of colloidal particles by means of X-rays. News from the Society of Sciences in Göttingen, Mathematical- Physical Class. 2, 98-100 (1918).
- Brunauer, S., Emmett, P. H., Teller, E.
- Sing, K. S. W. Adsorption methods for the characterization of porous materials. Advances in Colloid and Interface Science. 76-77, 3-11 (1998).
- Rouquerol, J., Llewellyn, P., Rouquerol, F. Is the bet equation applicable to microporous adsorbents. Studies in Surface Science and Catalysis. 160, 49-56 (2007).
- Vorokh, A. S. Scherrer formula: estimation of error in determining small nanoparticle size. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. , 364-369 (2018).
- Labidi, A., Salaberria, A. M., Fernandes, S. C. M., Labidi, J., Abderrabba, M. Adsorption of copper on chitin-based materials: Kinetic and thermodynamic studies. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 65, 140-148 (2016).
- Tian, M., Zhao, T. Q., Chin, P. L., Liu, B. S., Cheung, A. S. -C. Methane and propane co-conversion study over zinc, molybdenum and gallium modified HZSM-5 catalysts using time-of-flight mass-spectrometry. Chemical Physics Letters. 592, 36-40 (2014).
