Part Ⅱ: Cistanche: adsorció altament eficient de glicòsids feniletanoides en carboni mesoporós
Mar 04, 2022
Contacte: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Correu electrònic:audrey.hu@wecistanche.com
Helin Xu, Wenjing Pei, Xueqin Li i Jinli Zhang
Comparació del rendiment d'adsorció dels tres carbonis mesoporosos
Com que els tres adsorbents es componen principalment de carboni, es va considerar que la interacció d'adsorció entre els PhG i els carbonis mesoporosos era la mateixa. Per tant, es va considerar que la diferència en el rendiment d'adsorció es va derivar de la diferència en l'estructura física dels carbonis mesoporosos. La taula 2 mostra el rendiment d'adsorció dels tres tipus de carbonis mesoporosos. Es pot veure a la taula 2 que tots els tres tipus de carbonis mesoporosos poden adsorbir PhG, i CMK-3 va tenir un millor rendiment d'adsorció que CMK-8 i DMC. Això indica que la mida dels porus dels carbonis mesoporosos era més gran que les molècules de PhG, i que la mida dels porus no va ser el principal factor que va afectar la capacitat d'adsorció dels tres carbonis mesoporosos. La capacitat d'adsorció i les taxes de desorció de CMK-3 van ser de fins a 189,37 mg/g 94,96 per cent, respectivament. La capacitat d'adsorció de CMK-3 era superior a la de CMK-8. Com que el volum de porus i la superfície específica de CMK-3 eren més grans que el DMC i CMK-8, va indicar que el volum de porus i la superfície específica eren el principal factor que afectava el rendiment d'adsorció.
Optimització de les condicions d'adsorció
L'optimització de l'experiment d'adsorció per a CMK-3 s'ha dut a terme utilitzant una barreja d'acteòsid i echinacòsid. La temperatura, el pH i la concentració van ser els principals factors que influeixen en el rendiment d'adsorció de CMK-3. Així, es van investigar els efectes d'aquests tres factors que influeixen en el rendiment d'adsorció de CMK-3.
Efecte de la concentració de mostra sobre el rendiment d'adsorció de CMK-3
L'efecte de la concentració de la mostra sobre el rendiment d'adsorció de CMK{{0}} es va mostrar a la figura 5. A mesura que augmenta la concentració, augmenta la capacitat d'adsorció. La capacitat d'adsorció ja no augmenta amb l'augment de la concentració de la mostra quan s'assoleix la concentració de la mostra a 0,41 mg/g. A la baixa concentració inicial de la mostra, els llocs actius adsorbents eren suficients per a l'adsorció d'una quantitat relativament petita de molècules de PhGs. En canvi, a una concentració inicial elevada de la mostra, la quantitat fixa de llocs actius als adsorbents no va ser capaç d'adsorció augmentant la quantitat de molècules de PhGs. Així, la capacitat d'adsorció de CMK-3 per a les molècules de PhGs tendeix a estar equilibrada.
Efecte del pH sobre el rendiment d'adsorció de CMK-3
La figura 6 mostra l'efecte del pH sobre el rendiment d'adsorció de CMK-3. A la figura 6 es pot veure que el valor de pH òptim era 6 per a l'adsorció de PhG per CMK-3. Els motius són els següents: els PhG tenien un gran nombre de grups hidroxil fenòlics i pertanyien a les molècules àcides febles, els diferents valors de pH van afectar la ionització i l'estabilitat de les molècules de PhG. La ionització dels grups hidroxil fenòlics s'inhibiria a un valor de pH baix, mentre que l'estabilitat dels grups hidroxil fenòlics en els PhG disminuiria a un valor de pH elevat. La ionització inhibida dels grups hidroxil fenòlics en PhGs va donar lloc a una disminució de les interaccions electrostàtiques entre PhGs i CMK-3, disminuint el rendiment d'adsorció de CMK-3 per PhGs. Així, el pH òptim era 6 per a l'adsorció de CMK- 3.
Efecte de la temperatura sobre el rendiment d'adsorció de CMK-3
La temperatura va ser un paràmetre important en el procés d'adsorció. La temperatura no només afecta la difusió de les molècules de PhG a la interfície de la capa límit externa, sinó també a l'interior dels porus adsorbents. La figura 7 mostra l'efecte de la temperatura sobre la capacitat d'adsorció de CMK-3. La capacitat d'adsorció de CMK-3 augmenta amb l'augment de la temperatura de 30 a 60 ◦ C. S'ha informat que el motiu principal va ser que el lloc actiu augmenta amb l'augment de la temperatura a causa de la naturalesa endotèrmica del procés, i la difusió intrapartícules dels adsorbents augmenta amb l'augment de la temperatura d'adsorció (Peng et al., 2015). . A més, la mobilitat de les molècules PhGs va augmentar i la seva resistència a la difusió va disminuir amb l'augment de la temperatura. La capacitat d'adsorció disminueix amb l'augment de la temperatura quan la temperatura era de 60-80 ◦ C. Va indicar que la temperatura d'adsorció tenia un valor òptim i les molècules de PhG poden ser inestabilitat a altes temperatures. Per tant, es va escollir la temperatura òptima d'adsorció per ser de 60 ◦ C.
Les condicions òptimes d'adsorció de CMK{{0}} eren les següents: la concentració de la mostra era de 0,41 mg/g, el pH de la solució era de 6 i la temperatura d'adsorció era de 60 ◦ C. En condicions òptimes, la capacitat d'adsorció de PhG en extracte brut al CMK-3 va ser de 358,09 ± 4,13 mg/g, que era més de tres vegades la capacitat d'adsorció dels PhG en resines macroporoses (HPD300, 94,93 mg/g) (Liu et al., 2013). Mentrestant, la taxa de desorció de CMK-3 va ser un 94,67 per cent més alta que la de la resina macroporosa.
suplement de cistanche
Isotermes d'adsorció
Les isotermes d'adsorció es van mostrar a la figura 8A. Amb l'augment de la concentració d'equilibri, la capacitat d'adsorció de PhG va augmentar i va arribar a l'estat de saturació. Per entendre millor el rendiment d'adsorció de PhG a CMK- 3, es van investigar les isotermes d'adsorció de CMK-3 mitjançant models de Langmuir i Freundlich. Els paràmetres d'adsorció obtinguts a partir de diferents models proporcionen informació útil sobre els mecanismes d'adsorció. Les figures 8B, C representaven les isotermes d'adsorció CMK-3 modelades pel model Langmuir i Freundlich.
El model de Langmuir es va basar en les suposicions que l'adsorció té lloc en llocs homogenis específics dins de l'adsorbent, no es produeix cap interacció significativa entre les espècies adsorbides i l'adsorbent es satura després d'una capa de:
Les molècules adsorbents es formen a la superfície de l'adsorbent. L'equació isoterma de Langmuir linealitzada es pot escriure de la següent manera:
CE/QE=1 KLqm més CE/QM (2)
El model de Freundlich es va utilitzar habitualment per descriure les característiques d'adsorció de superfícies multicapa i heterogènies (Wu et al., 2017). La seva forma linealitzada es dóna de la següent manera:Lnqe=lnKF més 1n/lnce (3)
on QM (mg/g) és la capacitat màxima d'adsorció de monocapa teòrica, KL (mL/mg) és la constant de Langmuir relacionada amb l'energia d'adsorció que reflecteix l'afinitat entre l'adsorbat i l'adsorbent (Wu et al., 2017; He et al. , 2019), KF [(mg/g)•(mL/mg)1/n ] i n són les constants de Freundlich. KF és un indicador de la capacitat d'adsorció relativa, n està relacionat amb la magnitud de la força impulsora de l'adsorció i l'heterogeneïtat dels llocs d'unió, i 1/n indica la favorabilitat de l'adsorció.
Els paràmetres dels models isotermes es van resumir a la taula 3. El model de Langmuir va ser millor que el model de Freundlich per descriure les dades d'adsorció de PhG a CMK-3, la qual cosa indicava que l'adsorció dels glucòsids feniletanoides a la CMK{{{ 2}} va ser un procés simple d'adsorció de monocapa (Wang F. et al., 2017). A més, la presència de grups funcionals que contenen oxigen a la superfície de CMK-3 va millorar l'adsorció de PhG. La quantitat màxima d'adsorció (QM) pot arribar als 380,70 mg/g, que era similar al valor experimental. A més, es va calcular que el valor 1/n de PhGs era de 0,22, que sí<0.5. it="" indicated="" that="" the="" adsorption="" of="" the="" phgs="" on="" the="" cmk-3="" could="" take="" place="" easily="" (fu="" et="" al.,="" 2007;="" gan="" et="" al.,="" 2018).="" this="" indicated="" that="" the="" adsorption="" of="" phenylethanoid="" glycosides="" on="" cmk-3="" was="" not="" completely="" a="" physical="" adsorption="" process.="" phgs="" contain="" multiple="" hydroxyl="" groups="" which="" might="" form="" hydrogen="" bonds="" with="" the="" oxygen-containing="" functional="" groups="" on="" the="" cmk-3="" and="" offer="" weak="" chemical="" adsorption="" for="" the="" adsorption.="" therefore,="" cmk-3="" adsorption="" of="" phgs="" was="" a="" complex="" adsorption="" process="" combining="" physical="" adsorption="" with="">
Cinètica d'adsorció
Les capacitats d'adsorció de CMK-3 es van investigar en funció del temps per determinar el temps d'equilibri d'adsorció a la figura 9A. La investigació mostra que la taxa d'adsorció d'equilibri disminueix gradualment i s'anivella gradualment a mesura que la capacitat d'adsorció s'acosta a l'equilibri. Es va trobar que l'equilibri d'adsorció es va assolir després de 14 h. La ràpida taxa d'adsorció inicial podria ser deguda a l'elevat gradient de concentració entre els PhG i CMK-3 a la solució i la superfície de CMK-3 tenia una gran disponibilitat de llocs actius.
La cinètica d'adsorció es va avaluar mitjançant l'aplicació dels models de difusió de pseudo-primer ordre, pseudo-segon ordre i intrapartícules. Els gràfics representats de models de pseudo-primer ordre, pseudo-segon ordre i model de difusió intrapartícules per a PhGs d'adsorció a CMK-3 es van mostrar a les figures 9B-D, respectivament.
La forma lineal dels models cinètics s'expressa de la següent manera: Pseudo-primer ordre (Li et al., 2017a):
log (qe − qt )=logqe − K1/2,303 t (4)
Pseudo-segon ordre (Tang et al., 2018):
t/qt=1/K2q2e més t/qt (5)
on K1 (1/min) i K2 (g/mg·min−1 ) són les constants de velocitat de l'equació de velocitat de pseudo-primer ordre i l'equació de velocitat de pseudo-segon ordre, respectivament. qe (mg/g) és la capacitat d'adsorció teòrica a l'equilibri.
Model de difusió intrapartícules:
qt=Kpt1/2més C (6)
on Kp és la constant de difusió intrapartícules (mg/g min) i C és la reflexió de l'efecte de la capa límit (mg/g).
Els valors calculats de qe, constants de velocitat i coeficient de correlació es mostren a la taula 4. El model de pseudo-segon ordre donava un valor R2 de 0,998, mentre que el valor R2 del model de pseudo-primer ordre era 0,84. Implica que el model de pseudo-segon ordre presenta una millor relació lineal que el model de pseudo-primer ordre. La figura 9C mostra que els diagrames lineals de t/qe vs. t mostren un bon acord amb les dades experimentals del model de pseudosegon ordre. El qe calculat de pseudo-segon ordre era força similar a les dades experimentals (taula 4). Aquests resultats van indicar que el pseudo-segon ordre era un model cinètic més adequat que el pseudo-primer ordre.
Tanmateix, els resultats de l'avaluació del model de pseudosegon ordre no poden determinar el mecanisme d'adsorció potencial. En general, s'acceptava que la cinètica d'adsorció estava controlada pel mecanisme de difusió, que consisteix en difusió externa, difusió de la capa límit i difusió intrapartícules (Wong et al., 2019). El model de difusió intrapartícules es va utilitzar per determinar si la difusió intrapartícules era el pas limitant la velocitat.
Es va dir que la difusió intrapartícules era el pas limitant la velocitat quan el qt vs. t1/2 era lineal. La difusió intrapartícules va ser l'únic pas de control de velocitat quan la corba passa per l'origen. A la figura 9D es pot veure que la difusió intrapartícules es va regir per dues etapes diferents. La primera etapa de la corba representa l'adsorció superficial. La segona etapa indica la difusió intrapartícules als porus CMK-3. Com que la trama de difusió intrapartícules no passava per l'origen, el model indicava que el mecanisme d'adsorció era més d'un mecanisme i la difusió intrapartícules no era l'únic pas limitant la velocitat. Així, es pot concloure que el mecanisme d'adsorció de PhGs a CMK-3 era complex, ja que tant l'adsorció de la superfície externa com la difusió intrapartícules es produïen simultàniament.
cistanche
Experiment repetitiu
La reutilització va ser un factor important per considerar l'ús i el valor dels adsorbents en aplicacions pràctiques. Per tant, es va provar el rendiment d'adsorció cíclica de CMK-3 per a l'extracte brut. La figura 10 mostra els resultats de l'adsorció cíclica de CMK-3 per a un extracte brut de Cistanche tubulosa. Es pot observar a la figura 10 que la capacitat d'adsorció de CMK-3 va canviar de 358,09 ± 4,13 mg/g a 320,78 ± 5,62 mg/g després de tres cicles d'adsorció, la qual cosa va indicar que la CMK- 3 tenia una bona qualitat. repetibilitat, i CMK-3 es pot utilitzar repetidament per adsorbir glicòsids feniletanoides.
CONCLUSIONS
Es van investigar les propietats d'adsorció dels PhG en els tres tipus de carbonis mesoporosos i es va caracteritzar el carboni mesoporós abans i després de l'adsorció. Els resultats van mostrar que CMK{{0}} tenia la superfície específica i el volum de porus més grans entre els tres adsorbents (CMK{- 3, DMC i CMK{-8), i pot adsorbir Molècules de PhGs més efectives que DMC i CMK-8 dels extractes de Cistanche tubulosa. Com que els grups funcionals que contenen oxigen a la superfície de CMK-3 poden proporcionar un gran nombre de llocs d'adsorció actius per a les molècules de PhGs. A més, es van formar enllaços d'hidrogen entre els grups hidroxil de PhG i els grups funcionals que contenen oxigen de CMK- 3. La capacitat d'adsorció de l'extracte brut de PhG va ser de 358,09 ± 4,13 mg/g en les condicions òptimes de 0,41 mg/L, pH=6 i 60◦C, i la taxa de desorció corresponent de CMK-3 va ser de 95,02 per cent. Les dades d'adsorció van mostrar que l'adsorció de PhG seguia de prop el model Langmuir i els models de pseudosegon ordre, el model de difusió intrapartícules va suggerir que els passos d'adsorció que limitaven la velocitat eren el model de difusió intrapartícules. El CMK-3 es pot utilitzar com a adsorbent potencial per adsorbir de manera altament eficient els PhG de Cistanche tubulosa.
suplements de cistanche
DECLARACIÓ DE DISPONIBILITAT DE DADES
Tots els conjunts de dades generats per a aquest estudi s'inclouen a l'article/material suplementari.
APORTACIONS DE L'AUTOR
HX va realitzar tots els experiments, va fer la recollida de dades, l'anàlisi de dades i va escriure el manuscrit. WP va ajudar a analitzar les dades FT-IR i va fer la recollida de dades. XL va ajudar a explicar alguns dels resultats experimentals i a revisar el manuscrit. JZ va contribuir a la interpretació científica dels resultats i va revisar el manuscrit.
FINANÇAMENT
Agraïm el suport de la Fundació Nacional de Ciències Naturals per a Joves Científics de la Xina (subvenció núm. 21706166), el programa per a joves talents innovadors de la Universitat de Shihezi (CXRC201802), el programa per a becaris de Changjiang i l'equip de recerca innovador a la universitat (subvenció núm. . IRT_15R46) i projecte d'investigació acadèmica del riu Yangtze de la Universitat de Shihezi (subvenció núm. CJXZ201601)
