Jenny Álvarez B. 1, O. Nino Castro M. 2 *, Oscar Tinoco G. 3
1 Analitikai Kémia Tanszék, Kémiai és Vegyészmérnöki Kar, UNMSM. Av. Germán Amezaga 375, Cercado de Lima, Lima, Peru
2 Szerves kémia tanszék, Kémiai és Vegyészmérnöki Kar, UNMSM, Av. Germán Amezaga 375, Cercado de Lima, Lima, Peru. E-mail: [email protected]
3 Ipari mérnöki kar, Universidad Nacional de San Marcos polgármestere - UNMSM. Av. Germán Amezaga 375, Cercado de Lima, Peru
Beérkezett: 2019. február; Elfogadva: 2019. április
Teljes szöveg (pdf)
Kinevezés (APA)
Álvarez B., Jenny, Castro M., O. Nino, Tinoco G., Oscar (2019). A garnélarák fejéből kísérleti szinten nyert metilénkék adszorpciója biopolimerekkel (meszes kitozán és kitozán). Iberoamerican Journal of Polymers, 20 (3), 90-104.
ABSZTRAKT
A kutatás a festékekkel szennyezett textilfolyadékok szennyvízelvezetésére vonatkozik, a vörös garnélarák (Litopanaeus vannamei) fejéből nyert biopolimerek (kitozán Ch és meszes kitozán ChCa) felhasználásával a metilénkék adszorpciójához, a paraméterek, például a pH értékelésével. az oldat, a festék kezdeti koncentrációja, az adszorbens mérete stb. A kitozánt garnélarák-fejekből állítják elő három szakaszban: deproteinizáció, demineralizáció és dezacetilezés, meszes kitozán esetében pedig csak deproteinizált és dezacetilezett. Mindkét biopolimert dezacetilezési fokuk (ultraibolya - látható és magmágneses rezonancia - H), molekulatömeg, viszkozitás és egyéb fizikai-kémiai tulajdonságok meghatározása jellemzi. A festék adszorpciójának jelentős százalékát kaptuk (metilénkék 200 ppm); A kitozán Ch 1020 30 perc alatt 77% -ban adszorbeálódott 7,5-es optimális pH mellett; a meszes kitozán ChCa 1020 81% -os adszorpciót eredményezett 35 perc alatt, pH-értéke 8,0.
ABSZTRAKT
A kutatás a színezékekkel szennyezett textil szennyvíz tisztításával foglalkozik, a vörös garnéla (Litopanaeus van-namei) fejéből nyert biopolimerek (kitozán Ch és kitozán meszes CHCa) felhasználásával a metilénkék adszorpciójához, a paraméterek kiértékelésével. mint az oldat pH-ja, a festék kezdeti koncentrációja, az adszorbens mérete stb. A kitozánt a garnélarák fejéből 3 szakaszban nyerik: deproteinizáció, demineralizáció és dezacetilezés; és meszes kitozán esetében csak fehérjeszerű és dezacetilezett. Mindkét biopolimert dezacetilezési fokuk (ultraibolya - látható és magmágneses rezonancia - H), moláris tömeg, viszkozitás és egyéb fizikai-kémiai tulajdonságok meghatározása jellemzi. A festékadszorpció jelentős százalékát kaptuk (metilénkék 200 ppm); a Ch1020 kitozánt 30 perc alatt 77% -ban adszorbeálták 7,5-es optimális pH mellett; A ChCa 1020 meszes kitozán 81% -os adszorpciója volt 35 percen keresztül, pH 8,0.
BEVEZETÉS
Észak-Peruban környezeti probléma a garnélarák-ipar hulladékai az ehető rész kitermelése után; Ezek a maradékok (garnélarák fejek és héjak) tartalmazzák a kitin nevű természetes polimert; de ebből a biomasszából a legkevesebbet használják a fejek, amelyekből kitin és kitozán is nyerhető.
A kitin N-acetil-D-glükóz-2-amin egységekből álló poliszacharid. Ezek összekapcsolódnak β - 1,4 kötésekkel, ugyanúgy, ahogy a glükóz egységek alkotják a cellulózt. Ez lehetővé teszi a szomszédos polimerek hidrogénkötéseinek növekedését, ami nagyobb szilárdságot biztosít az anyagnak. A cellulóz után a második leggyakoribb természetes polimer. Vízben és szerves oldószerekben nagyon oldhatatlan, hidrogénkötéseinek köszönhetően. A kitin oldhatóvá válik híg szervetlen savakban, amikor elveszíti az acetilt az acetil-amino-csoportból, és kitozánná válik [1, 2].
A kitozán egy lineáris kationos poliszacharid, amely b– (1–4) –2 - dezoxi - 2 - amino - D-glükopiranóz (D - glükózamin és b– (1–4) –2 - dezoxi - 2 - acetamido– egységekből áll) D-glükopiranóz (N-acetil-D-glükózamin). A kitozant kitin dezacetilezésével nyerik. A kitozán tulajdonságai igazolják ennek a biopolimernek az alkalmazhatóságát a különböző területeken. A szerkezetében jelenlévő amino- és hidroxilcsoportok adják a derivatizációs képességet, különféle, sajátos és értékes tulajdonságokkal rendelkező anyagok előállítása a megfelelő alkalmazási területeken. A különféle alkalmazások: biomedicina, gyógyszer, élelmiszer, mezőgazdaság, vízkezelés, kozmetika stb. [3, 4].
Számos színezéket használnak a textiliparban, és bomlástermékeik mérgezőek az emberre és az élő szervezetekre, a festékek szennyvízből való eltávolítására az elmúlt évtizedekben jelentős figyelmet fordítottak. A szintetikus színezékeket különféle módszerekkel, például oxidációval, enzimatikusan, lebontják, így az aerob szennyvízkezelés nem tudja teljesen eltávolítani a színt a szennyvízből, vagy a folyamat nagyon lassú. Az egyik a metilénkék (AM), kationos jellegű festék, amelyet a textiliparban általában pamut, gyapjú, fa, papír és selyem színezésére használnak. Olyan vegyületnek tekintik, amely káros mellékhatásokkal jár az egészségre nézve, mivel növeli a pulzusszámot, gyomor- és idegrendszeri rendellenességeket okoz.
ANYAGOK ÉS METÓDUSOK
- Nitrogén meghatározása. A nitrogéntartalom meghatározása Kjeldahl-módszerrel történt [7].
- A páratartalom százalékának meghatározása. Általában a gravimetria határozza meg; ehhez a felmelegített mintát állandó súlyra állítják 105 ° C-os kemencében 4 órán keresztül [7].
- Hamu meghatározása. Ez a meghatározás lehetővé teszi a mintában lévő szervetlen anyagok tartalmának megismerését. Nagyon fontos paraméter egy bizonyos kitozán vagy kitin alkalmazásának értékelésénél. A hamutartalmat gravimetriásan határozzuk meg a minta elégetésével kapott maradékból, legalább 6 órán át 800 ° C hőmérsékleten [1, 2].
ahol GD a dezacetilezés mértéke, A1320 a sáv területe 1320 cm –1 és A1420 a sáv területe 1420 cm –1 . Minden IR-meghatározásnál a bázisvonalak megfelelő megválasztása nagyon fontos az abszorbancia kiszámításakor a jó eredmények elérése érdekében.
NMR spektroszkópia. A nagy felbontású spektroszkópia nagyon hasznos, nem invazív módszer a poliszacharidok kémiai és szterikus szerkezetének tanulmányozására. Az NMR jellemzés egyszerű és gyors a laboratóriumi rutin elemzéshez. A kísérleti részben 2 mg mintát lemérünk és savoldatban oldunk (HCl D20-ban), majd 70 ° C-on vezetjük át a berendezésen. A kitozán acetilezési fokának meghatározására szolgáló módszert Lavertu és mtsai. [9] A számításhoz a képletet használják:
ahol GD a dezacetilezés mértéke, H - CH3 a metilproton jelgörbéje alatti terület értéke, H - 1 a protongörbe területe 5,2 ppm körüli elmozdulással és H - '1 a A protongörbe elmozdulása 5,4 ppm körül.
UV-spektroszkópia - első származék. Ezt a módszert 1985-ben javasolta Muzzarelli és Rochetti, és az N-acetil-D-glükózamin (NAG), a kitozán és az ecetsavoldatok UV-spektrumának első származékát használja fel. Az acetilezés mértékét a következő egyenlet segítségével számítják ki, amely a standard görbe alapján meghatározott NAG koncentrációt és a tesztben használt kitozán koncentrációt viszonyítja [8, 10]:
A molekulatömeg meghatározása. A viszkozimetriás módszer az egyik legelterjedtebb a polimerek molekulatömegének meghatározásában, pontossága és egyszerűsége miatt, és a gömb alakú vagy erősen elágazó láncú makromolekulák kivételével a makromolekuláris tömegek teljes tartományára alkalmazható, mivel ezekben a viszkozitás független a molekulatömegtől. A viszkozitásokat először a következő képlet segítségével határozzuk meg: η = K · ρ · t, ahol η a viszkozitás, K állandó, ρ a sűrűség és t a bomlási idő másodpercben. Ezután kiszámítjuk a belső viszkozitást, hogy végül meghatározzuk a polimerek molekulatömegét, amely a Mark - Houwink - Sakurada egyenlet felhasználásával kapcsolódik a molekulatömeghez [11].
A metilénkék abszorpciójának elemzése, 200 ppm oldatot készítettünk. A korábban jellemzett abszorbenseket (Ch kitozán Ch és meszes chitozán ChCa) megőrölték, majd 10–20 mesh szitára szitálták. Az abszorpciós teszt szakaszában a következő paraméterek váltakozójaként hajtották végre (100 ml metilén-oldatot 200 ppm-nél állandó értéken tartva): keverési idő, keverési sebesség, adszorbens mennyisége stb.
EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK
A minta (garnélafejek Litopanaeus vannamei) jellemzésével meghatároztuk a kapott páratartalom, hamu, nitrogén, kitin, kitozán és meszes kitozán százalékos arányát; Ezeket az eredményeket az 1. táblázat mutatja be. Ezen túlmenően, ez a táblázat bemutatja a kitin, kitozán és meszes kitozán százalékos arányát, ami a kitin és kitozán hozamát jelenti, lásd az 1. táblázatot.
Ezzel a rendszerrel dolgozott a többi paraméternél. Végül a demineralizációs folyamat optimális körülményei: 30 perc, 6 térfogat% HCl, 150 fordulat/perc és szobahőmérsékleten.
A kitozán előállítására szolgáló dezacetilezési eljárás során ugyancsak ugyanúgy dolgozták, mint a két előző eljárást, a reakcióelegyből periodikusan 25 ml NaOH-oldat alikvot részét vették (előzőleg leszűrték), majd ezt az alikvotot 500 ml-re hígították, ezután egy 50 ml-es alikvot részt veszünk, amelyet előzőleg titrált 0,25 M sósavval titrálunk. Ezután ezeket az értékeket (lásd a 3. táblázatot), a reakcióidőt és az elhasznált HCl térfogatát ábrázoljuk, amint azt a 2. ábra és a 3. táblázat mutatja.
A kitin és a kitozán előállítására szolgáló összes eljárás ökológiai és öko-hatékony, mivel nem keletkezik maradék, a maradékokat (savas és bázikus vizes oldatok mind a szűrletből, mind a mosóból) mindig megmentik újrafelhasználás céljából (például dezacetilezés); vagy más melléktermékek (például demineralizációs és deproteinizációs maradékok) képződésével találkoznak, ebben az esetben az izoelektromos pontra kerülnek; a képződött melléktermék felhasználható a baromfi takarmányában, mivel főleg fehérjéket, kalcium-sókat és karotinokat tartalmaz (asztaxantin).
A biopolimerek (kitin, kitozán és meszes kitozán) jellemzését a nedvesség, hamu, nitrogén, dezacetilezés, viszkozitás, molekulatömeg százalékos meghatározásával végeztük a referenciák szerint; mindezen eredmények összefoglaló formában a 4. táblázatban találhatók.
A DA százalékának meghatározásához három módszer létezik: IR spektroszkópia esetén a mintákat őröltük és szitáltuk, amíg 100 mesh méretük nem volt, majd KBr-t adtunk hozzá 2:98 p/p arányban, az elegyet addig préseltük, amíg nem kaptunk egy nagyon vékony és áttetsző tablettát, amelyet a kitin spektrumának megszerzésére használtunk, sávjainak elemzésével meghatároztuk a jellegzetes sávokat: O-H sáv 3,434, N-H 3 200 körül, C - H 2920 amid I sáv 1 657 és 1627 cm –1, N - H sáv 1 434, C - O - C 1 072 és 848 cm – 1 sávok az anomer csoportok feszültségének (lásd 3a. Ábra). Ezután a képleteket alkalmazzuk a dezacetilezés mértékének kiszámításához, tehát 52,85% a kitin. A többi biopolimer esetében a másik két módszert alkalmazzuk [12].
Az adszorpciót a Ch1020 kitozán esetében a következő körülmények között hajtottuk végre: 100 ml 200 ppm koncentrációjú metilénkék festékoldatot 250 ml-es főzőpohárba helyeztünk, három példányban dolgoztuk fel, majd 200 mg kitozánt adtunk hozzá. 100 ford/perc sebességgel keverjük 1 órán át, de a pH-érték 2 és 10 között változik (lásd az 5. táblázatot és a 4. ábrát). A grafikon alapján megfigyelhető, hogy az adszorpció optimális pH-ja 7,5. A meszes kitozán ugyanazon munkakörülményeinél ezeket az eredményeket a 6. táblázat és az 5. ábra mutatja be; amelyből arra következtetnek, hogy az optimális adszorpciós pH 8,0.
Az optimális pH-adatok alapján az optimális időt elemeztük, ehhez az adszorpciót a következő körülmények között hajtottuk végre: 100 ml 200 ppm metilénkék festékoldatot helyeztünk egy 250 ml-es főzőpohárba, három példányban dolgoztuk fel, majd 200 mg kitozánt adunk hozzá, 100 fordulat/perc sebességgel keverjük 3 órán át, de egy alikvot részből 30 percenként mintát veszünk pH 7,5-nél kitozánnál és 8,0-nál pH-nál meszes kitozánnál. Az eredményeket a 6. ábra és a 7. táblázat mutatja. Ezen adatok alapján megfigyelhető, hogy 30 perc elteltével körülbelül 77% -os adszorpciót kaptunk, majd az adszorpció enyhe növekedést mutat.
Végül a festék adszorpciójának jelentős százalékos arányát kaptuk (200 ppm metilénkék), így a Ch1020 kitozán esetében megfigyelhető, hogy 30 perc múlva 77% adszorbeálódott optimális 7,5 pH mellett; míg a meszes kitozán ChCa 1020 esetében 81% -os maximális adszorpció figyelhető meg 35 percnél, pH-érték 8,0.
KÖVETKEZTETÉSEK
Biopolimereket kaptak garnélarák-fejekből kísérleti szinten, meszes kitozánból 89% DA-val, 925 kDa molekulatömeggel és kitozánból ugyanolyan DA-tartalommal, de kissé alacsonyabb molekulatömeggel (894 kDa).
A festék adszorpciójának jelentős százalékát kaptuk (200 ppm metilénkék), így a Ch1020 kitozán esetében megfigyelhető, hogy 30 perc múlva 77% adszorbeálódott optimális 7,5 pH mellett; míg a meszes kitozán ChCa 1020 esetében 81% -os maximális adszorpció figyelhető meg 35 perc alatt, pH 8,0 mellett.