АДСОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ МИКРОЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПО ОТНОШЕНИЮ К СОРБАТАМ ОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

ADSORPTION CAPACITY OF MICROCELLULOSE

Darya Zorina

Student, Department of Biology and Chemistry, Vologda State University,

Russia, Vologda

Ekaterina Khoziainova

Student, Department of Biology and Chemistry, Vologda State University,

Russia, Vologda

Lyudmila Voropai

Scientific Supervisor, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Biology and Chemistry, Vologda State University,

Russia, Vologda

АННОТАЦИЯ

В работе исследованы адсорбционные свойства образцов МКЦ, полученных ультразвуковым способом из опилок ели, березы и осины. В качестве сорбатов использовали биологически активные вещества: аминокислоты аланин и глицин, витамины C и D. Процесс сорбции проводили в статических условиях. Оптимальное время сорбции – 40 – 50 минут. Установлено, что степень сорбции зависит от видового состава древесных отходов, а также от природы сорбатов. В качестве эталона использовали медицинский препарат «Белый уголь». Установлено, что максимальную степень сорбции имеют еловые опилки; минимальную – березовые. Значение эффективности сорбции глицина и аланина превышает этот показатель витамина С. Степень сорбции витамина D всеми полученными образцами МКЦ и стандартным образцом равна нулю.

ABSTRACT

The paper investigates the adsorption properties of MCC samples obtained by ultrasound from sawdust of spruce, birch and aspen. Biologically active substances were used as sorbates: amino acids alanine and glycine, vitamins C and D. The sorption process was carried out under static conditions. The optimal sorption time is 40-50 minutes. It is established that the degree of sorption depends on the species composition of wood waste, as well as on the nature of sorbates. The medical preparation "White Coal" was used as a reference. It has been established that spruce sawdust has the maximum degree of sorption; birch sawdust has the minimum. The value of the sorption efficiency of glycine and alanine exceeds this indicator of vitamin C. The degree of sorption of vitamin D by all obtained MCC samples and the standard sample is zero.

Ключевые слова: адсорбент, микроцеллюлоза, сорбат, степень сорбции, глицин, аланин, витамин С, витамин D, длина пробега.

Keywords: adsorbent, microcellulose, sorbate, sorption degree, glycine, alanine, vitamin C, vitamin D, mileage.

Древесные отходы являются ценным растительным сырьем, при переработке которого получают разные виды востребованных продуктов, в том числе микроцеллюлозу (МКЦ). Согласно литературным данным, МКЦ получают кислотным или щелочным гидролизом древесины, включая ее отходы.

Микроцеллюлоза, как и целлюлоза, не растворяется в воде, неполярных и малополярных органических растворителях. В зависимости от содержания примесей – это белый аморфный или кристаллический порошок, обладающий адсорбционными свойствами [1]. Установлено, что степень сорбции образцов МКЦ, полученных из разных видов отходов, отличается между собой.

Экспериментальным путем установлено, что сорбционные свойства образцов МКЦ зависят от способа ее переработки, наличия разных видов примесей, остающихся после экстракции, а также от содержания нуклеофильных или электрофильных заместителей, которые ионизируют поверхность. С целью ионизации поверхности для создания высокой пористости вводят в МКЦ группировки – алкокси, амидные, карбоксильные. Модификации МКЦ, которые не имеют в своём составе кислотных и основных радикалов, демонстрируют меньшее значение эффективности сорбции как неорганических, так и органических сорбатов [2].

Выполненный аналитический поиск свидетельствует, что микроцеллюлоза обладает сорбционными свойствами по отношению, как к неорганическим, так и органическим сорбатам, которые зависят от многих факторов, включая структуру МКЦ, предельную степень полимеризации, степень чистоты, содержания лигнина, гемицеллюлозы, а также от степени развития капиллярно-пористой поверхности.

Также установлено, что степень сорбции, ее селективность во многом зависят от видового состава древесины. Вологодская область относится к регионам с развитым лесным комплексом. Наибольшее количество древесных отходов образуется при переработке древесины ели, березы, осины.

В связи с этим поставлена цель, установить зависимость степени сорбции образцов микроцеллюлозы, полученных ультразвуковым способом из древесины ели, березы и осины, от ее видового состава по отношению к аминокислотам и витаминам: глицину, аланину, витамину C и витамину D. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. исследовать адсорбционную способность образцов микроцеллюлозы, полученных из древесных опилок ели, осины, березы ультразвуковым способом, по отношению к органическим сорбатам: глицину, аланину, витамину C, витамину D;
2. установить зависимость адсорбционной способности разных видов образцов МКЦ от времени озвучивания.

Объект исследования – адсорбционная способность образцов МКЦ, полученных ультразвуковым способом. Предмет исследования – влияние химического состава образцов МКЦ на степень сорбции разных видов органических сорбатов (глицин, аланин, витамин C, витамин D).

При выполнении работы использовали гравиметрический, фотоэлектроколориметрический, титриметрический, хроматографический методы анализа.

На первом этапе исследования определяли химический состав древесных опилок, которые далее подвергали кавитационной обработке в ультразвуковом реакторе контактного типа. За счет эффектов кавитации увеличиваются значения температуры обрабатываемой среды, скорости гидролиза целлюлозы, гемоцеллюлозы и эффективность экстракции из древесных отходов растворимых компонентов (лигнина, пентозанов, гексозанов). Низкочастотный гидролиз проводят в сильнощелочной среде с последующей стадией отбеливания пероксидом водорода. Новый ультразвуковой способ предусматривает три оптимальные стадии: замачивание опилок в течение 1 часа в 20%-ном растворе гидроксида натрия при температуре 85⁰С; ультразвуковая активация низкочастотным ультразвуком при соблюдении следующих технологических условий в зависимости от видового состава опилок: число кавитации 800 – 900, время озвучивания от 40 – 60 минут; фильтрование и отмывка образцов МКЦ. При соблюдении данных условий выход микроцеллюлозы составляет в среднем 40 – 44% в зависимости от видового состава сырья.

На втором этапе определяли адсорбционную активность образцов микроцеллюлозы по отношению к органическим сорбатам: глицину, аланину, витамину С, витамину D. Изучение процесса сорбции глицина, аланина, витамина C и D осуществляли в статических условиях. Кинетику сорбции витамина D определяли из растворов с четыреххлористым углеродом. Для сорбатов глицина, аланина, витамина C использовали водные растворы.

Кинетику сорбции исследовали методом ограниченного объёма. В колбы наливали раствор сорбатов с концентрацией 0,01 моль/л и добавляли навески образцов МКЦ массами 0,5 г. Через промежутки времени – 10, 20, 30, 40, 50, 60 минут определяли остаточные концентрации сорбатов в растворах методом бумажной хроматографии. В качестверастворителя, использовали спирт. На хроматографическую бумагу, пропитанную спиртом, наносили исследуемые сорбаты – образцы растворов глицина, аланина, витамина С и определяли изменение длины пробега R. По изменениям значений R определяли степень сорбции сорбатов полученными образцами МКЦ. Чем больше изменение значений длины пробега, тем выше эффективность сорбции.

В качестве стандарта для определения степени сорбции выбран препарат «Белый уголь». Результаты исследования сорбции глицина и аланина представлены в таблицах 1, 2.

Таблица 1.

Эффективность сорбции глицина микроцеллюлозой

Таблица 2.

Эффективность сорбции аланина микроцеллюлозой

Для всех исследуемых образцов микроцеллюлозы максимальную степень сорбции имеют образцы МКЦ, полученные из еловых опилок. Скорость сорбционных процессов глицина больше скорости сорбционных процессов аланина, причем в начальный момент времени образцы МКЦ сорбируют аланин и глицин примерно с одинаковой скоростью. Через 40 минут эксперимента эффективность сорбции возрастает для всех исследуемых образцов.

Увеличение сорбционной способности образцов, выделенных из препарата «Белый уголь», в сравнении с модельными образцами можно объяснить особенностью химического состава и наличием активных ионизирующих групп. Образцы, полученные из еловых опилок в лабораторных условиях, имели меньшую степень сорбции в сравнении с образцом-стандартом на 30 – 35%; степень сорбции для образцов МКЦ, полученных из осины и берёзы, примерно одинаковая и составляет 37 и 42 % соответственно.

По такой же методике определяли особенности процессов сорбции витамином C, который может находиться в двух модификациях. Экспериментальные результаты свидетельствуют, что в отличие от сорбатов глицина и аланина, витамин C сорбируется с меньшей скоростью и эффективностью. Результаты исследования представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Эффективность сорбции образцами микроцеллюлозы витамина С

На основании полученных данных не удаётся точно оценить степень сорбции витамина C полученными образцами микроцеллюлозы. Максимальная степень сорбции витамина C установлена при времени сорбции 50 минут. В сравнении с сорбатами глицином и аланином витамин C сорбируется с меньшей эффективностью всеми образцами МКЦ.

Витамин D, который относится к группе стероидов, не растворяется в воде. В качестве растворителя используют четыреххлористый углерод. Исследования показывают, что метод бумажной хроматографии не фиксирует изменения концентрации витамина D при сорбции образцами микроцеллюлозы. Витамин D практически не сорбируется поверхностью микроцеллюлозы.

Таким образом, на основании исследования степени сорбции образцами микроцеллюлозы, полученными из опилок ели, березы и осины ультразвуковым способом, следует, что они сорбируют аланин, глицин, витамин C и не сорбируют витамин D, который содержит ароматические циклы. Вероятно, это связано с большим радиусом молекул витамина D и его значительной степенью гидрофобности. Сорбция аминокислот аланина, глицина и витамина С соответствует полимолекулярному механизму.

Максимальная степень сорбции характерна для ели и с большей эффективностью сорбируется глицин в сравнении с аланином. Эффективность сорбции всеми образцами микроцеллюлозы витамина С меньше эффективности сорбции аминокислот, но выше эффективности сорбции витамина D. Витамин D не сорбируется полученными образцами МКЦ.

Список литературы:

1. Багровская, Н. А. Сорбционные свойства хлопкового волокна, модифицированного в плазменно-растворной системе / Н. А. Багровская, С. М. Кузьмин, О. В. Алексеева // Химия растительного сырья. – 2010. – №4. – С. 17–22.
2. Броварова, О. В. Получение и исследование свойств сорбционных материалов на основе растительных биополимеров: дис. канд. хим. наук: 05.21.03 / Броварова Ольга Владиславовна. – Архангельск, 2016. – 23 с.