Preparación de espumas de quitina expandidas y su uso en la eliminación de cobre acuoso

Resumen

Este estudio describe un método para expandir la quitina en una espuma mediante técnicas químicas que no requieren equipo especializado.

Resumen

La quitina es un biopolímero subexplotado, naturalmente abundante, mecánicamente robusto y químicamente resistente. Estas cualidades son deseables en un adsorbente, pero la quitina carece del área de superficie específica necesaria, y su modificación implica técnicas y equipos especializados. Aquí se describe un nuevo procedimiento químico para expandir las escamas de quitina, derivadas de los desechos de la cáscara del camarón, en espumas con mayor área de superficie. El proceso se basa en la evolución del gas H₂ a partir de la reacción del agua con NaH atrapado en un gel de quitina. El método de preparación no requiere equipo especializado. La difracción de rayos X en polvo y la fisisorción_{de N 2}indican que el tamaño de la cristalita disminuye de 6,6 nm a 4,4 nm y el área de superficie específica aumenta de 12,6 ± 2,1 m²/ g a 73,9 ± 0,2 m²/ g. Sin embargo, la espectroscopia infrarroja y el análisis termogravimétrico indican que el proceso no cambia la identidad química de la quitina. La capacidad específica de adsorción de Cu de la quitina expandida aumenta en proporción a la superficie específica de 13,8 ± 2,9 mg/g a 73,1 ± 2,0 mg/g. Sin embargo, la capacidad de adsorción de Cu como densidad superficial permanece relativamente constante a un promedio de 10,1 ± 0,8 átomos/nm^2,lo que nuevamente sugiere que no hay cambios en la identidad química de la quitina. Este método ofrece los medios para transformar la quitina en un material de mayor área de superficie sin sacrificar sus propiedades deseables. Aunque la espuma de quitina se describe aquí como un adsorbente, se puede imaginar como un soporte de catalizador, aislante térmico y material estructural.

Introducción

La quitina es un biopolímero mecánicamente robusto y químicamente inerte, solo superado por la celulosa en abundancia natural¹. Es el componente principal en el exoesqueleto de artrópodos y en las paredes celulares de hongos y levaduras². La quitina es similar a la celulosa, pero con un grupo hidroxilo de cada monómero reemplazado por un grupo acetil amina(Figura 1A,B). Esta diferencia aumenta la resistencia del enlace de hidrógeno entre las cadenas de polímeros adyacentes y le da a la quitina su resistencia estructural característica y su inercia química^2,3. Debido a sus propiedades y abundancia, la quitina ha atraído un importante interés industrial y académico. Se ha estudiado como andamio para el crecimiento tisular^4,5,6,como componente en materiales compuestos^7,8,9,10,11,y como soporte para adsorbentes y catalizadores^11,12,13,14. Su estabilidad química, en particular, hace que la quitina sea atractiva para aplicaciones de adsorción que implican condiciones inhóspitas para los adsorbentes comunes¹⁴. Además, la abundancia de grupos amina hacen de la quitina un adsorbente eficaz para los iones metálicos¹⁵. Sin embargo, la protonación de los grupos amina en condiciones ácidas reduce la capacidad de adsorción metálica de la quitina¹⁶. Una estrategia exitosa es introducir sitios de adsorción más resistentes a la protonación^17,18. En su lugar, aquí se describe un método simple para aumentar el área de superficie específica y, por lo tanto, el número de sitios de adsorción en quitina.

Figura 1. Estructura química. (A) celulosa, (B) quitina, (C) quitosano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

A pesar de sus muchos usos potenciales, la quitina está subutilizada. El procesamiento de quitina es un desafío debido a su baja solubilidad en la mayoría de los solventes. Una limitación clave para su uso en catálisis y adsorción es su baja área de superficie específica. Mientras que los soportes típicos de carbono y óxido metálico tienen áreas de superficie específicas en el orden^{10 2-10 3} m²/ g, las escamas comerciales de quitina tienen áreas de superficie del orden de 10 m²/ g^19,20,21. Existen métodos para expandir la quitina en espumas, pero invariablemente se basan en altas temperaturas y presiones, ácidos y bases fuertes, o equipos especializados que representan una barrera de entrada significativa^{5,21,22,23,24,25.} Además, estos métodos tienden a desacetilatar quitina para formar quitosano(Figura 1C),un biopolímero más soluble y reactivo^5,25,26.

Aquí, se describe un método para expandir la quitina en espumas sólidas, aumentar su área de superficie específica y capacidad de adsorción, y mantener su integridad química. El método se basa en la rápida evolución del gas desde el interior de un gel de quitina y no requiere equipo especializado. El aumento de la capacidad de adsorción de la quitina expandida se demuestra con Cu²⁺acuoso -un contaminante común en el agua subterránea local²⁶.

	Unidad	Escama ordenada	Espuma al horno	Espuma liofilizada
Cristalinidad	%	88	74	58
Tamaño del cristal	Nm	6.5	4.4	4.4
Superficie	m2/g	12,6 ± 2,1	43,1 ± 0,2	73,9 ± 0,2
Captación de Cu	mg/g	13,8 ± 2,9	48,6 ± 1,9	73,1 ± 2,0
Captación de Cu	átomo/nm2	10,5 ± 2,8	10,7 ± 0,4	9,4 ± 0,3

Tabla 1. Resumen de las propiedades del material. Las espumas de quitina tienen una cristalinidad y un tamaño de cristal más bajos en relación con las escamas de quitina ordenadas. Sin embargo, el área de superficie específica y la absorción de Cu de las espumas de quitina son proporcionalmente más altas que la de las escamas de quitina ordenadas.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocolo

1. Preparación de quitina expandida

1. Preparar una solución de 250 ml de LiCl al 5% en peso en dimetilacetamida (DMAc)
   PRECAUCIÓN: El disolvente DMAc es un irritante combustible que puede dañar la fertilidad y causar defectos de nacimiento. Manipule DMAc en una campana extractora con guantes y gafas resistentes a los productos químicos para evitar el contacto con la piel y los ojos.
   1. Agregue 15 g de LiCl y 285 g (268 ml) de DMAc en un matraz Erlenmeyer de 500 ml, luego coloque una barra de agitación magnética revestida de politetrafluoroetileno (PTFE) de 50 mm.
   2. Tapa el matraz con un tabique de goma y colócalo en una placa de agitación de calentamiento. Coloque una sonda de temperatura a través del tabique en la mezcla. Revuelva la mezcla a 400 rpm y 80 °C hasta que todo el LiCl se disuelva (~ 4 h)
2. Disolver 1,0 g de escamas de quitina secas al horno en la solución de LiCl/DMAc para formar un sol-gel
   1. Secar al menos 1,2 g de escamas de quitina en un horno a 80°C durante 24 h.
   2. Añadir 1,0 g de copos de quitina secados al horno y 250 ml de solución de LiCl/DMAc al 5% en peso en un matraz de fondo redondo de 500 ml. Coloque una barra de agitación magnética revestida de PTFE de 50 mm.
   3. Tapa el matraz con un tabique de goma y colóquelo sobre un bloque de calor de agitación. Perfore el tabique con una aguja y déjelo para permitir que el matraz se ventile. Calentar el bloque a 80 °C y remover la mezcla a 400 rpm hasta que toda la quitina se disuelva (24-48 h).
   4. Deje que el sol-gel de quitina resultante se enfríe a temperatura ambiente lentamente mientras continúa revolviendo (~ 1 h).
   5. Una vez a temperatura ambiente, coloque el matraz que contiene el sol-gel de quitina en un baño de hielo y continúe revolviendo hasta que su temperatura se estabilice (~ 20 min).
3. Preparar una suspensión de 100 ml de NaH en DMAc.
   PRECAUCIÓN: El NaH en contacto con el agua libera gases inflamables que pueden encenderse espontáneamente. Para limitar el contacto con el aire húmedo, el NaH se almacena en aceite mineral que debe lavarse antes de su uso. Manipule con precaución en una campana extractora utilizando guantes y gafas resistentes a los productos químicos.
   1. Retire aproximadamente 1 g de NaH de su almacenamiento de aceite mineral y lave tres veces con 10 ml de hexanos.
   2. Agregue 100 ml de DMAC en un matraz Erlenmeyer de 250 ml, luego agregue 0.82 g del NaH lavado y coloque una barra de agitación magnética revestida con PTFE.
   3. Agite la mezcla para producir una suspensión de NaH/DMAc.
      NOTA: El NaH no se disolverá por completo.
4. Forme el gel de quitina agregando toda la suspensión de NaH / DMAc al sol-gel de quitina.
   1. Descuelgue el sol-gel enfriado y agregue toda la suspensión de NaH mientras remueve vigorosamente. Reemplace la tapa y continúe revolviendo la mezcla a 400 rpm durante 72 h o hasta que se forme un gel en el matraz.
5. Forma la espuma de quitina agregando agua al gel de quitina.
   1. Después de la formación del gel, descongele el matraz y agregue 100 ml de agua desionizada (DI).
      NOTA: Es fundamental realizar este paso en una campana de humos, ya que el proceso evolucionará el gas H_2.
6. Aísle y lave la espuma de quitina en agua y metanol para eliminar el DMAc y las sales.
   1. Retire la espuma de quitina expandida del matraz y colóquela en un plato de cristalización o en un beaker lo suficientemente grande como para sostenerla y 1000 ml de agua DI.
      NOTA: La espuma de quitina no saldrá en una sola pieza y es posible que tenga que romperse.
   2. Enjuague el gel aislado tres veces con 500 ml de agua DI. Remoje el gel en 1000 ml de agua DI durante 24 h, luego en 500 ml de metanol durante 24 h y, finalmente, en 1000 ml de agua DI durante 24 h nuevamente.
   3. Retire la espuma de quitina expandida del lavado con agua y deje secar al aire durante 24-48 h.
7. Seque el gel de quitina lavado para formar una espuma sólida y luego muele hasta obtener un polvo.
   1. Secar el gel en el horno a 85 °C durante 48 h al aire ambiente, o en un liofilizador a -43 °C y 0,024 mbar durante 48 h.
   2. Usando un mortero y un mortero, muele la espuma de quitina seca en un polvo fino.

Figura 2. Preparación de espuma de quitina expandida. (A) La quitina inicial en la solución de LiCl/DMAc. B)La adición de los purines de NaH/DMAc. (C) La espuma de quitina después de la adición de agua. (D) La espuma de quitina extraída del matraz de reacción. (E) La espuma de quitina durante el lavado con agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Desarrollo de las isotermos de adsorción

1. Preparar soluciones stock de 500 mL de aq. Cu²⁺ (MW 63,5 g/mol) a concentraciones de 50 mg/L, 100 mg/L, 200 mg/L, 300 mg/L, 400 mg/L y 450 mg/L. Para hacer esto, agregue 90 mg, 180 mg, 360 mg, 540 mg, 720 mg y 810 mg de Cu(NO₃)₂· 2,5 H₂O (MW 232,6 g/mol) a seis contenedores, respectivamente. Agregue 500 ml de agua de 18 MΩ, tapa el recipiente y agite para disolver los sólidos.
2. Agregue 50 mg de quitina a 100 ml de cada solución de caldo, ajuste el pH a 7 y deje equilibrar durante 48 h.
   1. Transfiera 100 ml de cada solución de stock a un contenedor de 100 ml para que el espacio de cabeza sea mínimo. Agregue 50 mg de quitina molida a cada recipiente y luego taparlos.
   2. Coloque los recipientes en un agitador orbital y agite a 60 rpm durante 30 minutos. Luego saque los contenedores del agitador orbital y ajuste el pH a 7 usando NH₄HCO₃ o HNO₃.
   3. Vuelva a reemplazar los contenedores en el agitador orbital y agite a 60 rpm y a una temperatura constante durante 48 h. Mantenga el laboratorio a 18 ± 2 °C en todo momento.
3. Medir la concentración de Cu de las soluciones stock iniciales y de aquellas a las que se añadió quitina. Utilice el método de bicinchoninato colorimétrico, un colorímetro y paquetes de reactivos premmedidos²⁷.
   1. Retire los recipientes del agitador orbital, deje que las mezclas se asienten durante un mínimo de 30 minutos y luego tome una alícuota de 1 ml con una jeringa equipada con un filtro de microfibra de vidrio de 0,3 μm.
   2. Transfiera la alícuota a un recipiente de 250 ml y diluya a 100 ml con agua de 18 MΩ.
      NOTA: Este paso es necesario debido al bajo techo de detección de Cu (5 mg/L) por el método de bicinchoninato utilizando el colorímetro.
   3. Transfiera 10 ml de la muestra diluida a una cubeta. Coloque la cubeta en el colorímetro y coloque a cero el instrumento.
   4. Agregue un paquete de reactivo de Cu premedurado (método de bicinchoninato) a la muestra diluida en la cubeta y espere 45 s para que se complete la reacción de quelación. Permita que la solución se vuelva púrpura. La intensidad del color formado es proporcional a la concentración de Cu.
   5. Coloque la cubeta de nuevo en el colorímetro y mida la concentración de Cu de la muestra diluida. Multiplique la concentración de la muestra diluida por 100 para obtener la de la muestra original.
4. Extraiga la absorción máxima de Cu de los datos de isoterma de adsorción.
   1. Calcular la captación de cada muestra para cada concentración de Cu de equilibrio utilizando la ecuación²⁸:
      
   2. Trazar la captación de adsorción frente a la concentración de equilibrio de las muestras para producir una isoterma de adsorción de Cu estándar.
   3. Trazar la relación entre la concentración de equilibrio y la absorción frente a la concentración de equilibrio para producir la isoterma de adsorción de Cu linealizada.
      NOTA: La gráfica debe ser lineal, y la inversa de la pendiente representa la absorción máxima de Cu.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Resultados

La quitina expandida muestra la misma morfología independientemente del método de secado. La Figura 3 muestra imágenes de escamas de quitina ordenadas (Figura 3A1), quitina expandida seca al horno (Figura 3B1) y quitina expandida liofilizada (Figura 3C3). Mientras que los copos limpios tienen la apariencia de arena gruesa, la espuma de quitina expandida tiene la apariencia de un grano de maíz r...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discusión

El método propuesto para la fabricación de espuma de quitina permite la producción de tales espumas sin la necesidad de equipos o técnicas especializadas. La producción de la espuma de quitina se basa en la suspensión de hidruro de sodio dentro de un sol-gel de quitina. El contacto con el agua de la atmósfera induce la gelificación de la matriz de quitina y la evolución del gas hidrógeno por descomposición del hidruro de sodio. Por lo tanto, los pasos críticos de la preparación son (1) la formación del sol-...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materiales

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