Авторы:Tetyana M. Budnyak,corresponding author Ievgen V. Pylypchuk, Valentin A. Tertykh, Elina S. Yanovska, and Dorota Kolodynska
Tetyana M. Budnyak,corresponding author Ievgen V. Pylypchuk, Valentin A. Tertykh, Elina S. Yanovska, and Dorota Kolodynska. В статье описаны свойства силикатного нанокомпозита и его получения
Гибридный нанокомпозитный материал был получен in-situ образованием неорганической сети, в присутствии предварительно полученного органического полимера. Хитозан биополимер и тетраэтоксисилана (ТЭОС), которая является наиболее распространенным предшественником кремнезем, были использованы для реакции золь-гель. Полученный хитозан-силикатное материал композита характеризуется физико-химическими методами, такими как дифференциально-термического анализа (ДТА); углерод, водород и азот (CHN), элементный анализ; адсорбции азота / десорбции изотерм, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ); и преобразование Фурье инфракрасного (FTIR) спектроскопии для определения возможных взаимодействий между кремнезема и хитозан макромолекул. Адсорбция микроколичеств V (V), Mo (VI) и Cr (VI) оксоанионы из водных растворов полученного композита было изучено в сравнении с хитозана бусин, предварительно сшит с помощью глутаральдегида. Адсорбционная емкость и кинетические сорбционные характеристики композиционного материала были оценены.
В настоящее время существует большой интерес к разработке недорогих сорбентов для воды реабилитации. Использование недорогих сорбентов стала альтернативой дорогостоящим методам, таким как фильтрование через мембраны или ионного обмена [1,2]. В последнее время многочисленные подходы были изучены для разработки более дешевых и эффективных адсорбентов, содержащих полисахариды [3,4].
Натуральный полисахарид хитозан, производное хитина [5-11], представляет большой интерес в качестве органического компонента в композитах, разработанные для очистки воды из-за высокого количества аминокислот и гидроксильных групп, что очень важно для сорбционных процессов [12-19]. Кроме того, хитозан обладает такими свойствами, как хорошей биосовместимостью, высокой адгезией к поверхности, в широком диапазоне рН-стабильность, и выразили хелатирующие свойства. Доказано, что хитозан является эффективным bioadsorbent в отношении некоторых токсичных ионов, красителей и органических загрязнителей [20-23]. Диоксиды кремния, характеризуются развитой стабильностью поверхности в кислой среде и высокоразвитой поверхностью, приемлемой кинетики, термическая стабильность, устойчивость к воздействию микробов и низкой стоимости.
Различные способы получения гибридных материалов на основе неорганических материалов и полисахаридов , таких как хитин и хитозан для различных областей применения изучены [24-30]. Способ получения хитина и хитозана гибридных мезопористые композиты , применяемые для удаления красителя из природных вод и промышленных стоков была представлена в работе [31]. Авторы [32] описал адсорбции хитозана на nanosilicas. Получение гибридного хитозан-силикатного сорбентом проводили в [33], и полученный нанокомпозит был использован в высокоэффективной жидкостной хроматографии. Хроматографические результаты показали , что полученный гибрид хитозан-кремнезем сорбент и силикагель инкапсулируются хитозана обладают сходными свойствами в соответствии с эффективностью разделения. Авторы [34,35] изучали получение циркониевой-хитин композиционных материалов на основе и возможности их применения в качестве шаблона для в пробирке формирования нанофазы диоксида циркония из циркония аммония (IV) карбоната в экстремальных условиях. Для этой цели, новые композиционные материалы циркон-хитин основе были приготовлены с использованием гидротермического синтеза. Было доказано , что хитин может быть эффективно окремнелого методом двухступенчатого с использованием Stober кремнезема микро- и нанодисперсий в экстремальных условиях биомиметические [36]. В этом случае, композиты хитин-диоксид кремния , полученный при 120 °С и характеризуется наличием сферических SiO2 частиц равномерно распределенных по Хитин волокон.
Реакция золь-гель хорошо изучена в течение нескольких десятилетий в качестве способа получения керамических предшественников и неорганических стекол при относительно низких температурах. Основным преимуществом способа является то , что мягкие условия, такие как относительно низкой температуры и давления, которые используются в этом типе обработки керамики. В течение последних лет процесс золь-гель широко используется для создания новых гибридных наноразмерных материалов на основе органических и неорганических компонентов [37–40]. Для получения таких композитных материалов, реакция золь-гель проводят в присутствии органических молекул, которые , как правило , полимерные, содержат функциональные группы, и могут быть иммобилизованы на неорганический компонент. Простота и возможность изменения количественного соотношения реагентов, а также от природы исходных материалов, обеспечивают широкий спектр применений материалов. Одним из возможных применений этих органо-минеральных композитов сорбционные процессы и обработка водных растворов от токсичных веществ.
Исследованы особенности подготовки хитозан-кремнеземных гибридных материалов с использованием золь-гель процесса в широком диапазоне содержания кремнезема [41], а также от свойств готовых гибридных материалов по отношению к адсорбции красителей [42] и редкоземельных элементов [43]. Более того, недавние исследования в этой области показали , что композиты из диоксида кремния и хитозана [44–49] , может быть использовано для экстракции и концентрации токсичных металлов из растворов. Однако систематические исследования адсорбционных свойств хитозана кремнезема композитов, в частности , эффект природы и рН растворов, а также определения достижимых значений адсорбционной способности, которые необходимы.
Эта работа описывает синтез нанокомпозит материала хитозан-диоксид кремния для их использования в качестве биосорбента. Гибридный материал был получен по методу золь-гель с использованием тетраэтоксисилана (ТЭОС) в качестве SiO 2 предшественника. Изучены адсорбционные свойства полученного гибридного материала по отношению к высокотоксичных металлов, таких как ванадий (V), молибдена (VI) и хрома (VI) оксоанионы, которые являются общими загрязняющих веществ в промышленных сточных водах. Изучены условия , связанные с оптимальным значением рН среды, времени взаимодействия, а также адсорбционную способность.
Хитозан (Нет 417963, Sigma-Aldrich, Сент-Луис, штат Миссури, США) с молекулярной массой от 190000 до 370000 дальтон, степень деацетилирования не менее 75 %, и растворимость 10 мг/мл и 99,9 % предшественника тетраэтоксисилана (Sigma -Aldrich, Сент-Луис, штат Миссури, США) были использованы для синтеза. Все химические вещества, приобретенные у компании Sigma Aldrich были сорт реагента.
Композитный хитозан-диоксид кремния, полученный способом золь-гель путем гидролиза тетраэтоксисилана в растворе хитозана. Композитный хитозан-кремнезем синтезируют по следующей методике: 30 мл этанола, 1 мл дистиллированной воды и 0,5 мл концентрированной хлористоводородной кислоты добавл ют к 46,5 мл тетраэтоксисилана. Полученную смесь перемешивают с помощью магнитной мешалки ММ-5 в течение 10 мин и медленно добавляют по каплям к предварительно приготовленным раствором хитозана (0,5 г хитозана растворяли в 100 мл 2 % уксусной кислоты) и перемешивают в течение одного дня. Через 7 дней, когда золь стали зрелыми, полученное вещество сушили при 60 & deg; С.
Таким образом, в случае с выходом 100 % выработки оксида кремния по реакции золь-гель из предшественника тетраэтоксисилана, теоретическое отношение массы полученных органических и минеральных компонентов композита следующим образом: хитозан: кремнезем = 1:25.
Частично сшитый хитозана гранулы получены с использованием следующей методики: 2,5 г хитозана растворяли в 85 мл 2 % уксусной кислоты, и раствор перемешивают с помощью магнитной мешалки ММ-5 в течение 2 ч и выдерживают в течение 2-х дней. Полученный раствор по каплям добавляли в концентрированный раствор аммиака. После этого полученные хитозана гранулы промывают несколько раз дистиллированной водой до нейтральной реакции рН не было достигнуто. Полученные хитозана гранулы помещают в 12,5 мл 0,25% -ного раствора глутарового альдегида в воде и нагревают при 50 °С в течение 2 ч. Такое количество глутаровый альдегид является надлежащим для сшивании 5 % доступных аминогрупп полимера. Сшитые хитозана гранулы промывали дистиллированной водой и сушили при 50 °C.
Буферные растворы с рН 1,0, полученного из стандартного титриметрическом вещества HCl кислоты, рН 2,5 и рН 5,0 с ледяной уксусной кислоты, и рН 8,0 получали из 17 мл 1 М уксусной кислоты и 5 мл 25 % раствора аммиака, добавлением дистиллированной воды до 1 л. Значения рН всех буферных растворов контролировали рН-метра.
Преобразование Фурье инфракрасного (FTIR) спектры образцов исходных хитозана и продуктов реакции регистрировали с использованием ИК-спектрометра с преобразованием Фурье (Thermo Nicolet Nexus FT-IR, Waltham, MA, USA). Для этой цели образцы измельчали в агатовой ступке и прессуют с KBr.
Концентрация хитозана в композиционном материале определяли с помощью термогравиметрического метода на дериватограф Q–1500 MOM (Mateszalka, Венгрия) с регистрацией компьютерных данных, в диапазоне температур от 15 °C до 1000 °C. Образцы скорость нагрева 10 °C/ мин. Термические анализы дифференциальные (ДТА), кривые ТГ и ДТГ были записаны одновременно.
Удельная площадь поверхности, а средний диаметр пор композиционного материала определяли с ASAP 2405 (Micromeritics Instrument Co., Norcross, GA, США). Изотерма участки были использованы для расчета удельной площади поверхности, а средний диаметр пор хитозан-силикатного композита.
Элементный анализ хитозан-силикатного композита осуществляли с использованием углерода, водорода и азота (CHN) / анализатор O (серии II CHNS / O Analyzer 2400, PerkinElmer, Waltham, MA, USA). Анализ проводили при температуре горения 925 °С и температуре восстановления 640 °C.
Морфология поверхности Хитозан-силикатного композита наблюдали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM, LEO 1430VP, Carl Zeiss, Inc., Оберкохене, Германия).
Исследования адсорбционных свойств полученного композита относительно V (V), Mo (VI) и Cr (VI) оксоанионы проводились в статическом режиме с периодическим перемешиванием вручную. Образец 0,1 г синтезированного адсорбент контактируют с 25 мл растворов при различных концентрациях солей: которые были полученного в соответствии с [ 50 ]. Фотометрические исследования равновесных решений были выполнены в соответствии с методикой , описанной в работе [ 51 ] с использованием SF-46 спектрофотометр (ЛОМО, Санкт–Петербург, Россия) с квадратными кюветах (оптическая длина пути L = 1 см).
Хитозан-кремнезем композит был синтезирован методом золь-гель путем гидролиза тетраэтоксисилана в растворе хитозана. ИК-спектроскопии подтвердили факт формирования полимерной сетки Si–O–Si в присутствии хитозана полимера. Согласно термогравиметрического анализа и теоретических расчетов реакционной смеси полученный композит содержит от 3,7 % до 9,1 % хитозана.
Сравнение адсорбционной способности биополимера хитозана (частично сшитой с глутаровый альдегид), а также при синтезе по реакции золь-гель хитозан-силикатного композита показал, что 1 г иммобилизованного хитозан обладает лучшей адсорбционной способностью, чем исходный хитозана в отношении исследованных оксоанионы. Полученный органический-неорганический композит содержал небольшую часть хитозана, по сравнению с неорганической части диоксида кремния 1 г композита включены от 38 до 100 мг хитозана. Было обнаружено, что небольшое количество полимера в композиции композиционного материала облегчает разработку улучшенных защитных свойств адсорбционных и кинетических характеристик в сторону исследуемых ионов. Например, адсорбционная способность синтезированного композита увеличилось в несколько раз по сравнению с этим полимером по отношению к следующему: ванадий–9,9 мг / г в нейтральной среде, молибден–121,0 и 37,4 мг / г при рН 2,5 и в нейтральной среде , соответственно, и хрома, 35,2 мг / г в нейтральной среде. Было показано, что синтезированный композит извлеченный ионы металла, исследованного в день.
1. A.GrasselliandF.Luccio. “AMethodforMinimizingtheNumber of Internal States in Incompletely Speci?ed Sequential Networks”. IRE Trans. on Elect. Comp., vol.14, pp.350–359, June 1965.
2. J.-K. Rho, G. Hachtel, F. Somenzi, and R. Jacoby. “Exact and Heuristic Algorithms for the Minimization of Incompletely Speci?ed State Machines”. IEEE Trans. on Computer-Aided Design, vol.13, pp.67–177, Feb. 1994.
3. R. G. Bennetts, J. L. Washington, and D. W. Lewin. “A Computer Algorithm for State Table Reduction”. Radio and Electronic Engineer, vol.42, pp.513–520, Nov. 1972.
4. M. A. Perkowski and N. Nguyen. “Minimization of Finite State Machine in System SuperPeg”. in 28th Midwest Conf. on Circuits and Systems, pp.139–147, Aug. 1985.
5. L. N. Kannan and D. Sarma. “Fast Heuristic Algorithms for Finite State Machine Minimization”. in Proc.of European Design Automation Conf., pp.192–196, Feb. 1991.
.6. R. Btayton, G. Hachtel, C. McMullen, and A. SangiovanniVincentelli. Logic Minimization Algorithms for VLSI Synthesis. Kluwer Academic Publishers, 1984.
7. T. Kam, T. Villa, R. Brayton, and A.Sangiovanni-Vincentelli. “A Fully Implicit Algorithm for Exact State Minimization”. in 31st ACM/IEEE Design Automation Conf., pages 684–690, June 1994.