Summary
本研究では、特殊な装置を必要としない化学的手法により、発泡体にチチンを拡大する方法を説明する。
Abstract
チチンは、不利用、自然に豊富、機械的に堅牢で化学的に耐性のあるバイオポリマーです。これらの性質は吸着剤に望ましいが、キチンは必要な比表面積を欠き、その修飾は特殊な技術および装置を含む。ここでは、エビ殻廃棄物に由来するチチンフレークを、より高い表面積を有する泡に拡大するための新しい化学的手順について説明する。このプロセスは、Chitinゲルに閉じ込められたNaHとの水の反応からH2 ガスの進化に依存しています。準備方法は特殊な装置を必要としない。粉末X線回折およびN2-physiorptionは、結晶子サイズが6.6nmから4.4nmに減少し、比表面積が12.6 ±から2.1m2/gに増加し、0.2m2/g±73.9に増加することを示しています。しかし、赤外分光法および熱重量分析は、このプロセスがキチンの化学的同一性を変えないことを示している。拡張キチンの特異的なCu吸着能力は、比表面積に比例して13.8±2.9mg/gから2.0mg/g±73.1に増加します。しかし、表面密度としてのCu吸着能力は、平均10.1±0.8原子/nm2で比較的一定であり、これは再びキチンの化学的同一性に変化がないことを示唆している。この方法は、その望ましい特性を犠牲にすることなく、より高い表面積材料にチチンを変換する手段を提供する。キチン発泡体は吸着剤としてここに記載されているが、触媒支持体、熱絶縁体、及び構造材料として構想することができる。
Introduction
チチンは機械的に堅牢で化学的に不活性な生体高分子であり、自然量1のセルロースに次ぐ。これは、節足動物の外骨格と真菌と酵母2の細胞壁における主要な成分です。キチンはセルロースに似ているが、各モノマーの1つのヒドロキシル基をアセチルアミン基に置換した(図1A、B)。この差は、隣接するポリマー鎖間の水素結合の強度を増加させ、その特徴的な構造的弾性と化学的不活性度2、3を与える。その特性と豊富さのために、チチンは重要な産業と学術的関心を集めています。組織成長4、5、6、複合材料7、8、9、10、11の成分、および吸着剤および触媒11、12、13、14のサポートとして研究されている。その化学的安定性は、特に、キチンを一般的な吸着剤14に不快な条件を伴う吸着用途にとって魅力的なものとする。また、アミン基の豊富さは、キチンを金属イオン15に対する効果的な吸着剤にする。しかし、酸性条件下でのアミン基のプロトネーションは、キチン16の金属吸着能を低下させる。成功した戦略は、プロトネーション17、18に対してより耐性の吸着部位を導入することです。代わりに、本明細書では、キチン中の吸着部位の数を増加させる単純な方法について説明する。
図 1.化学構造。 (A) セルロース、 (B) キチン, (C) キトサン. ここをクリックして、この図の大きなバージョンを表示してください。
その多くの潜在的な用途にもかかわらず、チチンは十分に利用されていない。キチン加工は、ほとんどの溶剤に対する溶解度が低いため、困難です。触媒および吸着におけるその使用の重要な制限は、その低比表面積である。典型的な炭素および金属酸化物支持体は、102-103 m2/gの順序で比表面積を有するが、商業キチンフレークは10m2/g 19、20、21の順序で表面積を有する。発泡体にキチンを拡大する方法は存在するが、それらは常に高温および圧力、強い酸および塩基、または重要な入り口の障壁5、21、22、23、24、25を表す特殊な装置に依存する。また、これらの方法はキトサンを形成するためにキチンを脱アセチル化する傾向がある(図1C)−より可溶性で反応性のバイオポリマー5、25、26。
本明細書において、キチンを固体発泡体に拡大し、その比表面積および吸着能力を高め、その化学的完全性を維持する方法について記載されている。この方法は、チチンゲル内からのガスの急速な進化に依存し、特殊な機器を必要としません。膨張したキチンの吸着能力の増大は、水性Cu2+-局所地下水26における一般的な汚染物質で実証される。
| 単位 | ニートフレーク | 焼き泡 | 凍結乾燥フォーム | |
| 結晶 | % | 88 | 74 | 58 |
| クリスタルサイズ | 海里 | 6.5 | 4.4 | 4.4 |
| 表面積 | m2/g | 12.6 ± 2.1 | 43.1 ± 0.2 | 73.9 ± 0.2 |
| キュ・テイク | mg/g | 13.8 ± 2.9 | 48.6 ± 1.9 | 73.1 ± 2.0 |
| キュ・テイク | 原子/nm2 | 10.5 ± 2.8 | 10.7 ± 0.4 | 9.4 ± 0.3 |
表 1.材料特性の概要。 チチン発泡体は、清楚なチチンフレークに対して結晶性と結晶サイズが低い。しかし、チチンフォームの比表面積とCu取り込みは、きちんとしたチチンフレークのそれよりも比例して高くなっています。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 拡大したチチンの調製
- ジメチルアセトアミド(DMAc)で5重量%LiClの250 mL溶液を調製する
注意: 溶剤DMAcは、生殖能力を損ない、出生時欠損を引き起こす可能性のある可燃性刺激物です。皮膚や目との接触を避けるために、化学耐性手袋とゴーグルを使用してヒュームフードでDMAcを処理します。- 500 mLのエルレンマイヤーフラスコにLiClの15gと285g(268 mL)を加え、50mmポリテトラフルオロエチレン(PTFE)裏面の磁気攪拌棒を入れる。
- フラスコにゴム中隔をかぶり、加熱攪拌板に置きます。中隔を通して温度プローブを混合物に入れます。すべてのLiClが溶解するまで400 rpmと80°Cで混合物をかき混ぜる(〜4時間)
- オーブン乾燥したチチンフレークをLiCl/DMAc溶液に溶かし、ゾルゲルを形成する
- 80°Cのオーブンで少なくとも1.2gのチチンフレークを24時間乾燥させます。
- オーブン乾燥したチチンフレーク1.0g、5重量%LiCl/DMAc溶液250mLを500mL丸底フラスコに加えます。50 mm PTFE が並ぶ磁気攪拌棒を置きます。
- フラスコにゴム中隔をかぶり、攪拌熱ブロックに置きます。中隔を針で突き刺し、フラスコが通気できるようにしておきます。ブロックを80°Cに加熱し、すべてのチチンが溶解するまで400rpmで混合物をかき混ぜます(24-48時間)。
- 得られたチチンゾルゲルを、攪拌を続けながら室温までゆっくりと冷却します(〜1時間)。
- 室温に一度、氷浴中にチチンゾルゲルを含むフラスコを入れ、温度が安定するまで撹拌を続けます(〜20分)。
- DMAcでNaHの100 mLスラリーを準備します。
注意:水と接触しているNaHは、自発的に発火する可能性のある可燃性ガスを放出します。湿った空気との接触を制限するために、NaHは使用前に洗い流さなければならない鉱物油に貯蔵される。耐薬品性の手袋とゴーグルを使用して、ヒュームフードで注意して取り扱います。- ミネラルオイル貯蔵から約1gのNaHを取り出し、10mLのヘキサンで3回洗います。
- 250 mL のエルレンマイヤーフラスコに DMAC 100 mL を加え、洗浄した NaH の 0.82 g を加え、PTFE が並ぶ磁気攪拌棒を置きます。
- 混合物を旋回してNaH/DMAcスラリーを作ります。
注:NaHは完全に溶解しません。
- 全てのNaH/DMAcスラリーをチチンゾルゲルに加えて、チチンゲルを形成します。
- 冷却したゾルゲルをアンキャップし、激しくかき混ぜながらNaHスラリーをすべて加えます。キャップを交換し、72時間、またはフラスコにゲルが形成されるまで400rpmで混合物をかき混ぜ続けます。
- チチンゲルに水を加えて、チチンフォームを形成します。
- ゲルの形成後、フラスコを脱いで、100 mLの脱イオン化(DI)水を加えます。
注:プロセスはH2 ガスを進化させるので、ヒュームフードでこのステップを実行することが重要です。
- ゲルの形成後、フラスコを脱いで、100 mLの脱イオン化(DI)水を加えます。
- 分離し、水とメタノールでチチンフォームを洗浄し、DMAcと塩を除去します。
- フラスコから膨張したチチンフォームを取り出し、それを保持するのに十分な大きさの結晶化皿またはビーカーに入れ、1000mLのDI水を入れます。
注:チチンフォームは一枚で出てこなず、分割する必要があります。 - 500mLのDI水で、単離ゲルを3回リンスします。ゲルを1000mLのDI水に24時間浸し、その後500mLのメタノールに24時間、最後に24時間DI水1000mLに浸します。
- 水洗いからエキスパンドチチンフォームを取り出し、24〜48時間空気乾燥させます。
- フラスコから膨張したチチンフォームを取り出し、それを保持するのに十分な大きさの結晶化皿またはビーカーに入れ、1000mLのDI水を入れます。
- 洗浄したチチンゲルを乾燥させて固体フォームを形成し、次に粉末状に粉砕します。
- オーブン内で85°Cのオーブンで周囲の空気の下で48時間乾燥するか、-43°Cで凍結乾燥剤を乾燥させ、48時間乾燥させます。
- 乳鉢と害虫を使用して、乾燥したチチンフォームを細かい粉末に粉砕します。
図 2.発泡チチン発泡体の調製。 (A) LiCl/DMAc溶液中の初期のチチン。(B) NaH/DMAcスラリーの添加。(C)水を添加した後のチチンフォーム。(D)反応フラスコから抽出したチチン発泡体。(E)水洗い時にチチンフォーム。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
2. 吸着性の開発
- aqの500 mLストックソリューションを準備します。Cu2+(MW 63.5 g/mol)濃度で 50 mg/L, 100 mg/L, 200 mg/L, 300 mg/L, 400 mg/L, 450 mg/L.これを行うには、90 mg、180 mg、360 mg、540 mg、720 mg、および 810 mg の Cu(NO3)2·2.5 H2O (MW 232.6 g/mol) 6個の容器にそれぞれ。500mLの水を18MΩに加え、容器にキャップを入れ、揺して固形物を溶かします。
- 各ストック溶液の100mLに50mgのキチンを加え、pHを7に調整し、48時間平衡化します。
- ヘッドスペースを最小限に抑えられるように、各ストック溶液の100 mLを100 mLのコンテナに移します。各容器に50mgの挽いたチチンを加え、キャップします。
- 軌道シェーカーに容器を置き、60 rpmで30分間振ります。次に、軌道シェーカーからコンテナを取り出し、NH4HCO3 またはHNO3を使用してpHを7に調整します。
- コンテナを軌道シェーカーに戻し、60 rpmで一定の温度で48時間振ります。実験室を全体で18±2 °Cで維持する。
- 初期ストック溶液のCu濃度と、チチンを添加したもののCu濃度を測定します。着色二分性ニチンコニン酸法、着色度計、および事前測定試薬パケット27を使用する。
- 軌道シェーカーから容器を取り出し、混合物を最低30分間落ち着かせ、0.3 μmのガラスマイクロファイバーフィルターを取り付けた注射器で1mLアリコートを取ります。
- アリコートを250mLの容器に移し、18MΩの水で100mLに希釈します。
注:このステップは、測色計を使用してバイチンコニン酸法によるCu(5 mg/L)の検出の低い天井に必要です。 - 希釈したサンプルの10mLをキュベットに移します。キュベットを測色計に入れ、器具をゼロにします。
- キュベットの希釈サンプルに、あらかじめ測定されたCu試薬(ビチンチオン酸法)の1パケットを加え、キレート反応が完了するまで45s待ちます。ソリューションが紫色になるようにします。形成される色の強度はCu濃度に比例する。
- キュベットをカラーリメータに戻し、希釈したサンプルのCu濃度を測定します。希釈したサンプルの濃度に100を掛けて、元のサンプルの濃度を求めます。
- 吸着データから最大Cu取り込み値を抽出します。
- 式28を使用して、各平衡Cu濃度の各サンプルの取り込み量を計算します。
- サンプルの吸着取りと平衡濃度をプロットし、標準的なCu吸着吸着性を作製します。
- 線形化されたCu吸着アイゾルムを生成するために取り込みと平衡濃度に対する平衡濃度の比率をプロットする。
注: プロットは線形で、勾配の逆は Cu の最大取り込み値を表します。
- 式28を使用して、各平衡Cu濃度の各サンプルの取り込み量を計算します。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
拡大されたチチンは、乾燥方法に関係なく同じ形態を示す。図3は、清楚なチチンフレーク(図3A1)、オーブン乾燥エキスパンドチチン(図3B1)、および凍結乾燥エキスパンドチチン(図3C3)の画像を示す。きちんとしたフレークは粗い砂の外観を持っていますが、膨張したキチンフォームはポップトウモロコシのカーネルの外観を持っています。走査電子顕微鏡写真は、より小さなスケールで同様の変化を示す。清楚なチチンフレーク(図3A2、3A3)はコンパクトで緻密な構造を持ち、オーブン乾燥(図3B2、3B3)と凍結乾燥(図3C2、3C3)は、しわ紙やしわシートに似た乾燥したチチンを乾燥させます。サンプルは、2次電子検出器でイメージングする前に金でコーティングされたスパッタを、15kVの加速電圧で、29〜31mmの範囲で作動距離でコーティングした。
図 3.清楚なフレークと拡大したチチンの写真と顕微鏡写真。写真は、その清楚なフレーク状のチチン(A1)に対応し、80°Cで乾燥(B1)で乾燥し、(C1)凍結乾燥によって発泡泡状に展開した。走査型電子顕微鏡写真は、清いフレーク状のチチン(A2,A3)の2倍の倍率に相当し、80°Cで乾燥した発泡体(B2、B3)で乾燥し、(C2,C3)凍結乾燥します。拡大された泡に対してきちんとしたフレークのよりコンパクトな形に注意してください。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
これらの視覚的および顕微鏡的な観察は、試料の粉末X線回折(XRD)およびN2-フィシソルション分析と一致する。回折グラムは、結晶反射の拡大と、清いフレークに対する発泡体のアモルファスピークの強度の増加を示す(図4)。この観察は、半定量的結晶化度指数と、清楚で膨張したチチンの結晶子サイズ推定値を比較することによって示すことができる。結晶性指数は、非晶質回折強度29に対する結晶性の正規化差である。これは、次の式で指定されます。
チチンの場合、一般的に使用される結晶回折強度は19.3°で結晶面(110)のものであり、非晶質回折強度は16.0°29である。結晶性指数は、清楚フレークの88%から、オーブン乾燥エキスパンドフォームでは74%、凍結乾燥された膨張泡では58%に低下する(表1)。結晶子のサイズは、シェラー方程式30によって推定することができます:
形状係数1と、計測器はCuK α放射(波長=15.4nm)を使用していると仮定します。19.3°の(110)平面の回折を用いて、結晶子サイズは、拡大したチチン中の清楚なチチンの6.6nmから4.4nmに低下する(表1)。
図 4.きちんとした、拡大したキチンのX線回折グラム。 図は、キチンの回折グラムをきちんとしたフレーク状に示し、800°Cで2つの異なる方法で乾燥し、凍結乾燥させた発泡体の形態を拡大した。3つのディフラクグラムはすべて、平面(110)に相当する19.3°で反射の最大強度に正規化されています。きちんとしたフレークに対する膨張した泡のピークの一般的な拡幅に注意してください。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
比表面積の測定は、ブルナウアー・エメット・テラー(BET)方程式31を用いて77KでのN2-物理吸着性等間から得られ、同様の観察を導く。全ての材料について、N2吸着は、N2多層縮合32の予想通り、p/po=0.05~0.25(図5A)の範囲で分圧で直線的に増加する取り込み体積を示す。しかし、取り込み量は、発泡体の膨張に最適です。BETプロット(図5B,5C)は、偏圧と正の切片との正の線形相関を示し、データがBET式33の有効範囲内であることを示す。このように、材料の比表面積は、それらの線31の傾きと切片の和の逆に比例する。清楚フレークの比表面積は12.6±2.1m2/gであるが、オーブン乾燥フォームの面積は43.1±0.2m2/gであり、凍結乾燥フォームの比表面積は73.9±0.2m2/gである。結晶性指数、結晶子サイズ、比表面積の変化は、(1)材料がより開放的で多孔質な構造を形成するか、または(2)がより小さな粒子に分解されることを示す。図3の顕微鏡写真は前者を示唆しているが、後者は毛穴サイズの分布分析を徹底的に行わない場合には排除できない。
図 5.N2吸着は、吸着およびBETプロットである。(A)N2吸着は、その清楚なフレーク状のキチンの吸着であり、その膨張した泡の形態で80°Cで2つの異なる方法で乾燥させて、BET範囲で分圧のために凍結乾燥する。(B, C)同じ材料と偏圧の範囲のBETプロット。比表面積は、BETプロットの線の切片と勾配の和の逆数に比例します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
上述の形態学的変化にもかかわらず、膨張過程は、チチンの化学構造に影響を与えるようには見えない。IRスペクトルは、全反射率(ATR)として減衰して得られ、全てのキチンサンプルの処理に関係なくほとんど変わらない(図6)。なお、アミド官能群23に対応する1650cm-1と1550cm-1のピークの類似性に注目する。
図 6.きちんとした、拡大されたチチンのATR IRスペクトログラム。 図は、そのきちんとしたフレーク状のチチンのIRスペクトルを示し、その膨張した泡の形態で80°Cで2つの異なる方法で乾燥し、凍結乾燥を示しています。スペクトルの違いは最小限であり、きちんとしたフレークと膨張した泡チチンとの間に有意な化学的変化がないことを示唆している。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
熱分解動作は、3つのサンプル間の化学変化を最小限に抑えることもできます(図7)。熱重量測定プロファイルの形状は、乾燥方法に関係なく、拡大されたチチンと同じですが、どちらも清いフレークの形状とは異なります(図7A)。これは、よりコンパクトなフレークに関連する質量および熱拡散の制限に起因する。3つのサンプルの熱分解の発症は260°C(図7B)で起こりますが、よりコンパクトな形態により、チチンフレークの最大分解速度はより高い温度で発生します。
図 7.清楚で拡張されたチチンの熱重量プロファイル。 図は、そのきちんとしたフレーク状のチチンの積分(上)と差動(下)の熱重量プロファイルを示し、80°Cで2つの異なる方法で乾燥した発泡体の形態で凍結乾燥した。3つの材料の熱分解の発症は260°Cですが、フレークは泡に対してより長い温度範囲で分解します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
比表面積の増加は、チチンによる最大取り込みCuの予想増加を伴う。清楚フレークは13.8±2.9mg/gを取り込むが、オーブン乾燥フォームは43.1±1.9mg/g、凍結乾燥フォームは73.1±2.0mg/g(表1)を取り込む。Cu取り込み量の増加は、標準(図8A)と線形化(図8B)Langmuir吸着吸着性を比較することによってより明確に示される。最大取り込み値は、標準の等吸法における漸近限界と線形化された等距離における傾きの逆数によって表されます。しかし、これらの取り込みにおける違いは、Cu取り込みが表面積によって正規化されると消滅する(表1)。きちんとしたフレークは10.5±2.8原子/nm2を取り込むが、オーブン乾燥フォームは10.7±0.4原子/nm2を取り込み、凍結乾燥フォームは9.4±0.3原子/nm2 を取り込む(表1)。これは、膨張したチチンの表面が、分光法および熱重量観測と一致する初期のチチンフレークの表面と化学的に類似していることを示唆している。
図 8.(A) 標準および線形化 (B, C) Cu吸着。 図は、キチンのCu吸着性が清楚なフレーク状で、80°Cで焼いて凍結乾燥して乾燥させた発泡体の形態を示している。各データポイントは3つの測定値の平均で、誤差範囲は2つの標準偏差を表します。線形化された等吸化された発泡体のエラーバーは小さく、(C)でのみ見ることができます。実線は、最もフィットするラングミュア吸着吸着性を示しています。最大取り込み値は、標準吸着等方向の漸近値と線形化された吸着の逆勾配です。拡大されたチチンは、少なくとも4倍のチチンフレークのそれよりも高いCu取り込みを示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
チチン発泡体製造のための提案された方法は、特殊な機器や技術を必要とせずに、このようなフォームの生産を可能にします。チチンフォームの製造は、チチンゾルゲル内の水素化ナトリウムの懸濁液に依存する。大気からの水との接触は、ヒチンマトリックスのゲル化と水素ガスの分解によって水素ガスの分解を誘導する。したがって、調製物の重要なステップは、ソルゲルの(1)形成、(2)無水条件下での水素化ナトリウムの導入、及び(3)キチンゾルゲル及び水素化ナトリウム懸濁液との大気中水の反応である。
2 つの重要な制限は、第 3 のステップから生じます。まず、このプロセスのスケールアップが不十分です。キチンゾルゲルは非常に吸湿性が高く、容易に水分を吸収しますが、反応量が増加するにつれて、水拡散制限がゲル化を防ぐことができます。実際、反応量を2倍にすると、ゲル化時間が数日から数週間に増加することが観察されました。第二に、このプロセスは大気中の水分に依存します。地元の気候や季節的な天候は、ゲル化時間にばらつきを引き起こすでしょう。この手順に対する可能な変更は、反応雰囲気を空気および水分を自由に維持するためにシュレンクの技術を使用し、その後、キチンゾルゲルと水素化ナトリウム懸濁液に徐々に水を加える。ただし、このような変更には、適用性を制限するリソースとスキルが必要です。
上記報告された結晶化度指数と結晶サイズの両方は、半定量的な推定値に過ぎません。結晶性指数は、Focher、et al.29で記述されたとおりに計算され、したがって、真の結晶性分率ではない。ピーク領域を既知の純度の標準と比較しても得られなかった。同様に、線幅の広がりから結晶子のサイズを得るためにシェラー方程式を使用することは、推定値のみを提供する。不均一な歪みなどの他の現象も、線幅を広げる34に寄与することができる。このため、結晶性指数や結晶子径の絶対値よりもトレンドに焦点を当てる方が適切です。他の場所で推奨されているように、これらの値は関連するエラーや分散34なしで報告されます。
BET式をN2 物理吸着アイソムに適用して比表面積を計算するには、分析前にサンプルの徹底的な乾燥と脱気が必要です。試料に水分と吸着剤が存在すると、(1)空き吸着部位の有効数を遮断および下げることによって、(2)揮発性物質を脱着し、測定された圧力をサンプルより上に増加させ、その見かけの吸着を下げるという2つの方法で特定の面積測定を変更する。これらのエラーを防ぐために、炭素および酸化物サンプルは、通常、少なくとも1時間のN2 または真空下で300°C近くの温度で脱気される。構造的には堅牢であるが、このような条件下で熱分解する(図6)。その代わりに、膨張したチチンフォームの比表面積測定は、オーブン乾燥または凍結乾燥直後の1週間、N2 の流動下で50°Cで脱気したサンプルに対して最も信頼性が高かった。
吸着等温実験は日常的ですが、特定のプロトコルは吸着剤、溶液、混合方法、使用可能な機器、利便性に基づいて大きく異なります。そのため、この研究は、廃水分析28の手順に基づく詳細なプロトコルを含む。キチン上のCuの吸着は、炭素などの他の吸着剤に対して低い。チチンは、飽和35に到達するために100〜500mg/Lの範囲で高いCu濃度を必要とします。しかし、この着色二分性ニチンコニン酸法は、Cu検出天井が5mg/L27に過ぎない。これは、Cu濃度が器具によって測定可能になるために、アリコートを100回希釈しなければならなかったことを意味します。希釈は測定に大きな実験誤差を導入することができるので、希釈および測定はサンプルごとに3回繰り返された。希釈を行うために段階的な円柱を使用して、測定された濃度の観察された分散は、低いCu濃度では3.7%未満、高Cu濃度では0.35%未満であった。体積フラスコを使用して希釈を行うことで、分散を減少させることが可能です。また、吸着実験の際にはヘッドスペースを最小限に抑えることが重要です。液体ラインの上の容器壁に付着する吸着剤は、溶液と平衡せず、実験でエラーを誘発します。これは、シェーカーの軌道面に対して15°の角度でコンテナを配置し、容器を手で日常的に振って、内壁に付着した吸着剤を取り除くことによって防止できます。
等温、非解離吸着のためのLangmuirモデルは、(1)単一層の中の(1)吸着部位がエネルギー的に同等であり、単一のアナライト分子またはイオンを含むことができると仮定し、(3)吸着分子またはイオンは互いに相互作用しない。収集された Cu 吸着データは Langmuir モデルに適合し、これらの仮定を検証します。しかし、単一の種から採取した精製されたチチンを出発物質として使用しました。より低い純度のキチンを使用するか、表面17、36を化学的に改変すると、吸着部位間のより大きな形態学的および精力的な変動をもたらし、異なる吸着モデルを必要とする。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
研究は、戦闘能力開発司令部陸軍研究所(協力協定番号W911NF-15-2-0020)によって後援されました。この資料で表明された意見、調査結果、結論、または勧告は著者のものであり、必ずしも陸軍研究所の見解を反映しているわけではありません。
モンタナ工科大学先端材料加工センター(CAMP)に、本研究に必要な特殊な機器の一部を使用していただき、感謝します。また、ゲイリー・ワイス、ナンシー・オイヤー、リック・ラドゥーサー、ジョン・カートリー、キャサリン・ゾドローの技術支援と有益な議論に感謝します。
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).
