확장 된 치틴 폼의 준비와 수성 구리의 제거에 자신의 사용

요약

이 연구는 특수 장비가 필요하지 않은 화학 적 기술에 의해 발포로 치틴을 확장하는 방법을 설명합니다.

초록

치틴은 저익, 자연적으로 풍부하고 기계적으로 견고하며 화학적으로 저항하는 바이오 폴리머입니다. 이러한 특성은 흡착물에서 바람직하지만 치틴은 필요한 특정 표면적이 부족하며 수정에는 특수 기술과 장비가 포함됩니다. 본명에서 새우 껍질 폐기물에서 파생된 치틴 플레이크를 표면적이 높은 폼으로 확장하는 새로운 화학 적 절차가 설명되어 있다. 이 과정은 키틴 젤에 갇힌 NaH와 물의 반응에서 H₂ 가스의 진화에 의존한다. 준비 방법은 특수 장비가 필요하지 않습니다. 분말 X선 회절 및_{N-2-물리흡수는}결정성 크기가 6.6nm에서 4.4nm로 감소하고 특정 표면적이 12.6 ± 2.1 m^2/g에서73.9 ± 0.2 m^2/g로증가함을 나타낸다. 그러나, 적외선 분광법 및 열역학 분석은 공정이 치틴의 화학적 정체성을 바꾸지 않는다는 것을 나타낸다. 확장된 치틴의 특정 Cu 흡착 용량은 특정 표면적에 비례하여 증가하여 13.8 ± 2.9 mg/g에서 73.1 ± 2.0 mg/g로 증가한다. 그러나, 표면 밀도로서의 Cu 흡착 용량은 평균 10.1± 0.8 원자/nm^2로상대적으로 일정하게 유지되며, 이는 다시 치틴의 화학적 정체성에 변화가 없음을 시사한다. 이 방법은 바람직한 특성을 희생하지 않고 치틴을 더 높은 표면적 재료로 변환하는 수단을 제공합니다. 치틴 폼은 여기에 흡착제로 설명되지만 촉매 지지대, 열 절연체 및 구조 재료로 구상될 수 있다.

서문

치틴은 기계적으로 견고하고 화학적으로 불활성 바이오 폴리머로, 천연 풍부^1에서셀룰로오스에 이어 두 번째이다. 그것은 절지동물의 외골격과 곰팡이 및 효모^2의세포벽의 주요 구성 요소입니다. 치틴은 셀룰로오스와 유사하지만, 각각의 단조의 하나의 하이드록실 그룹과 아세틸 아민군(도 1A,B)으로대체된다. 이러한 차이는 인접한 폴리머 체인 간의 수소 결합 강도를 증가시키고 키틴의 특징적인 구조적 탄력성과 화학적 불활성^2,3을제공한다. 그 속성과 풍요로움으로 인해, 치틴은 상당한 산업 및 학문적 관심을 끌고있다. 조직 성장을 위한 비계로 연구되고 있다^4,5,6,복합재료^7,8,9,10,11,흡착제 및 촉매에 대한^{지원으로서(11,12,13,14)에}대한 성분으로서. 특히 화학적 안정성은 일반적인^{흡착제(14)에}열악한 조건을 포함하는 흡착 응용 분야에 대해 치틴을 매력적으로 만듭니다. 또한, 아민 군의 풍부는 치틴을 금속^{이온(15)에}대한 효과적인 흡착제로 만든다. 그러나, 산성 조건 하에서 아민 군의 프로토네이션은 치틴^16의금속 흡착 용량을 감소시킨다. 성공적인 전략은 프로토네이션^17,18에더 강한 흡착 사이트를 소개하는 것입니다. 대신, 본명에서 특정 표면적을 증가시키는 간단한 방법을 설명하고, 따라서, 치틴내흡착 부위의 개수가 있다.

그림 1. 화학 적 구조. (A) 셀룰로오스, (B) 치틴, (C) 키토산.

많은 잠재적 인 사용에도 불구하고, 치틴은 활용도가 낮습니다. 치틴 처리는 대부분의 용매에서 낮은 용해도로 인해 도전적입니다. 촉매 및 흡착에 그것의 사용에 대 한 주요 제한은 그것의 낮은 특정 표면적. 일반적인 탄소 및 금속 산화물 지지대는 순서 10^2-103 m²/g의 특정 표면영역을 가지고 있지만, 상업용 치틴 플레이크는 10m²/g^19,20,21의순서로 표면영역을 갖는다. 발포로 치틴을 확장하는 방법은 존재하지만, 그들은 변함없이 높은 온도와 압력, 강한 산 및 기지, 또는 상당한 진입 장벽을 나타내는 특수^장비에의존^{5,21,22,23,24,25.} 또한, 이러한 방법은 키토산(도1C)-보다용해성 및 반응성 생리중합체^5,25,26을형성하기 위해^치틴을비하하는 경향이 있다.

본명, 치틴을 고체 폼으로 확장하고, 특정 표면적 및 흡착 능력을 증가시키고, 화학적 무결성을 유지하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법은 키틴 젤 내에서 가스의 급속한 진화에 의존하고 특수 장비가 필요하지 않습니다. 확장된 키틴의 흡착 용량증가는 수성 Cu 2+ -지역^{지하수(26)의}일반적인 오염물질로 입증된다.

	단위	깔끔한 플레이크	구운 거품	Lyophilised 거품
결정성	%	88	74	58
크리스탈 크기	nm	6.5	4.4	4.4
표면적	m2/g	12.6 ± 2.1	43.1 ± 0.2	73.9 ± 0.2
Cu Uptake	mg/g	13.8 ± 2.9	48.6 ± 1.9	73.1 ± 2.0
Cu Uptake	원자/nm2	10.5 ± 2.8	10.7 ± 0.4	9.4 ± 0.3

표 1. 재료 속성의 요약입니다. 치틴 폼은 깔끔한 치틴 플레이크에 비해 결정성과 결정 크기가 낮습니다. 그러나, 치틴 폼의 특정 표면적 및 Cu 섭취량은 깔끔한 치틴 플레이크보다 비례적으로 높다.

프로토콜

1. 확장 된 치틴준비

1. 디메틸라세미드(DMAc)에서 5w% LiCl의 250mL 솔루션 준비
   주의: 용매 DMAc는 다산을 손상시키고 선천적 결함을 일으킬 수 있는 가연성 자극제입니다. 피부와 눈과의 접촉을 피하기 위해 내화학 성 장갑과 고글을 사용하여 연기 후드에서 DMAc를 처리하십시오.
   1. LiCl 15g과 285g(268mL)의 DMAc를 500mL 에렌마이어 플라스크에 넣고 50mm 폴리테트라플루오로로틸렌(PTFE) 라이닝 마그네틱 스터드 바를 놓습니다.
   2. 플라스크를 고무 중격으로 캡을 넣고 가열 교반 접시에 놓습니다. 중격을 통해 온도 프로브를 혼합물에 넣습니다. 모든 LiCl이 용해 될 때까지 400 rpm 및 80 °C에서 혼합물을 저어줍니다 (~ 4 h)
2. LiCl/DMAc 용액에 오븐에 말린 키틴 플레이크 1.0g을 녹여 솔 젤을 형성합니다.
   1. 24시간 동안 80°C에서 오븐에서 키틴 플레이크 1.2g 이상 건조하십시오.
   2. 오븐에서 말린 치틴 플레이크 1.0g과 5wt% LiCl/DMAc 용액 250mL를 500mL 라운드 하단 플라스크에 넣습니다. 50mm PTFE 라이닝 마그네틱 스터드 바를 놓습니다.
   3. 플라스크를 고무 중격으로 캡을 넣고 교반 열 블록에 놓습니다. 바늘로 중격을 관통하고 플라스크가 배출 될 수 있도록 둡니다. 블록을 80°C로 가열하고 모든 치틴이 용해될 때까지 400 rpm에서 혼합물을 저어줍니다(24-48h).
   4. 그 결과 치틴 솔 젤이 계속 저어주면서 천천히 실온까지 식히도록 합니다(~ 1h).
   5. 실온에서 한 번, 얼음 목욕에 치틴 솔 젤을 포함하는 플라스크를 놓고 온도가 안정 될 때까지 계속 저어 (~ 20 분).
3. DMAc에서 NaH의 100mL 슬러리를 준비하십시오.
   주의: 물과 접촉한 NaH는 자발적으로 점화할 수 있는 인화성 가스를 방출합니다. 습한 공기와의 접촉을 제한하기 위해 NaH는 사용하기 전에 씻어야 하는 미네랄 오일에 보관됩니다. 내화학성 장갑과 고글을 사용하여 연기 후드에 주의하십시오.
   1. 미네랄 오일 저장에서 약 1 g의 NaH를 제거하고 헥산 10mL로 세 번 씻으시면 됩니다.
   2. DMAC 100mL을 250mL 에렌마이어 플라스크에 넣고 0.82g의 세척된 NaH를 추가하고 PTFE 라이닝 마그네틱 교반 바를 배치합니다.
   3. 혼합물을 소용돌이치면 NaH/DMAc 슬러리를 생성합니다.
      참고 : NaH가 완전히 용해되지 않습니다.
4. 치틴 솔 젤에 모든 NaH/DMAc 슬러리를 추가하여 치틴 젤을 형성합니다.
   1. 냉각된 솔 젤을 풀고 모든 NaH 슬러리를 넣고 힘차게 저어줍니다. 캡을 교체하고 72시간 동안 또는 플라스크에서 젤이 형성될 때까지 400rpm에서 혼합물을 계속 저어줍니다.
5. 치틴 젤에 물을 추가하여 치틴 폼을 형성한다.
   1. 젤의 형성 후 플라스크를 풀고 100mL의 디온화(DI) 물을 추가합니다.
      참고: 프로세스가 H₂ 가스를 진화하기 때문에 연기 후드에서이 단계를 수행하는 것이 중요합니다.
6. DMAc 및 염을 제거하기 위해 물과 메탄올에 치틴 폼을 분리하고 세척합니다.
   1. 플라스크에서 팽창된 키틴 폼을 제거하고 결정화 접시또는 비커를 충분히 크게 배치하여 담기 와 1000mL의 DI 물을 보유한다.
      참고 : 치틴 폼은 한 조각으로 나오지 않으며 분해해야 할 수도 있습니다.
   2. 디워터 500mL로 고립된 젤을 3회 헹구는 다. 24시간 동안 1000mL의 DI 워터에 젤을 담그고, 500mL의 메탄올에 24시간 동안, 마지막으로 24시간 동안 1000mL의 DI 워터로 담급니다.
   3. 수제에서 확장 된 치틴 폼을 제거하고 24-48 시간 동안 공기 건조를 허용합니다.
7. 세척된 치틴 젤을 건조하여 고체 폼을 형성한 다음 분말로 갈아냅니다.
   1. 주변 공기 하에서 48h, 또는 -43°C및 0.024 mbar에서 48h에 대해 오븐에서 젤을 건조시.
   2. 박격포와 유봉을 사용하여 마른 치틴 폼을 미세 한 분말로 갈아 냅니다.

그림 2. 확장 된 치틴 폼의 준비. (A)LiCl/DMAc 솔루션의 초기 치틴. (B)NaH/DMAc 슬러리의 추가. (C)물을 첨가한 후 치틴 폼. (D)반응 플라스크에서 추출된 치틴 폼. (E)물로 세척하는 동안 치틴 폼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 흡착 의 개발 은 더소하다

1. aq의 500mL 스톡 솔루션을 준비하십시오. Cu²⁺ (MW 63.5 g/mol) 농도에서 50 mg/L, 100 mg/L, 200 mg/L, 300 mg/L, 400 mg/L, 450 mg/L, 그리고 450 mg/L. 이렇게하려면 90 mg, 180 mg, 360 mg, 540 mg, 720 mg 및 810 mg의 Cu (NO₃)₂· 각각 2.5 H 2O(MW 232.6 g/mol)에서 6개의 용기. 18MΩ 물 500mL를 추가하고 용기를 캡하고 흔들어 고체를 녹입니다.
2. 각 스톡 솔루션의 100mL에 50 mg의 치틴을 추가하고 pH를 7으로 조정하고 48h에 대해 평형화할 수 있습니다.
   1. 각 스톡 솔루션의 100mL를 100mL 용기에 전달하여 헤드스페이스가 최소화됩니다. 각 용기에 50 mg의 접지 치틴을 넣고 캡을 씌움을 합니다.
   2. 컨테이너를 궤도 셰이커에 놓고 60 rpm에서 30 분 동안 흔들어 줍니다. 그런 다음 공궤도 셰이커에서 컨테이너를 꺼내 NH₄HCO 3 또는 HNO_3을 사용하여 pH를 7로 조정한다.
   3. 궤도 셰이커에 다시 컨테이너를 교체하고 60 rpm에서 48 시간 동안 일정한 온도에서 흔들어. 실험실을 18± 2°C로 유지하십시오.
3. 초기 재고 솔루션의 Cu 농도와 치틴이 추가된 솔루션의 농도를 측정합니다. 착색성 이두부니에이트 방법, 착색계 및 미리 측정된 시약^{패킷(27)을}사용한다.
   1. 궤도 셰이커에서 용기를 제거하고 혼합물이 최소 30분 동안 정착한 다음 0.3 μm 유리 마이크로화로 필터가 장착된 주사기로 1mL 알리쿼트를 복용합니다.
   2. 알리쿼트를 250mL 용기로 옮기고 18MΩ 물로 100mL로 희석한다.
      참고: 이 단계는 착색계를 사용하여 두근부비네이트 방법에 의한 Cu(5 mg/L)의 검출 천장이 낮기 때문에 필요하다.
   3. 희석된 시료의 10mL를 큐벳으로 옮기다. 큐벳을 컬러미터에 놓고 계측기를 0으로 설정합니다.
   4. 미리 측정된 Cu 시약(bicinchoninate 방법)의 패킷 1패킷을 큐벳의 희석된 샘플에 넣고 45초의 킬레이션 반응을 완료할 때까지 기다립니다. 용액이 보라색이 되도록 합니다. 형성된 색의 강도는 Cu 농도에 비례합니다.
   5. 큐벳을 컬러미터에 다시 배치하고 희석된 시료의 Cu 농도를 측정합니다. 희석된 시료의 농도를 100으로 곱하여 원래 시료의 농도를 얻을 수 있다.
4. 흡착 등 데이터에서 최대 Cu 흡수를 추출합니다.
   1. ^{방정식(28)을}사용하여 각 평형 Cu 농도에 대한 각 샘플의 섭취량을 계산합니다.
      
   2. 흡착 흡수를 시료의 평형 농도 대 플롯하여 표준 Cu 흡착 을 생성합니다.
   3. 평형 농도 대 흡수에 대한 평형 농도의 비율을 플롯하여 선형화된 Cu 흡착 을 생성한다.
      참고: 플롯은 선형이어야 하며 경사의 역은 최대 Cu 섭취량을 나타냅니다.

결과

팽창된 치틴은 건조 방법에 관계없이 동일한 형태를 나타낸다. 도 3은 깔끔한 키틴플레이크(도 3A1),오븐 건조 팽창 치틴(도3B1)및 리오필화 확장 치틴(도 3C3)의이미지를 나타낸다. 깔끔한 플레이크는 거친 모래의 모양을 가지고 있지만, 확장 된 치틴 폼은 튀어 나온 옥수수의 커널의 모양을 가지고있다. 전...

토론

치틴 폼 제조에 대한 제안 된 방법은 특수 장비 또는 기술에 대한 필요없이 이러한 거품의 생산을 할 수 있습니다. 치틴 폼의 생산은 치틴 솔 젤 내의 나트륨 수화물의 현탁액에 의존한다. 대기로부터의 물과접촉하여 치틴 매트릭스의 겔화와 수소가스의 분해에 의한 수소가스의 진화를 유도한다. 따라서, 준비의 중요한 단계는 (1) 솔겔의 형성, (2) 무수 조건에서 나트륨 수화물의 도입, (3) 치틴 솔 ?...

자료

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