凹土基壳聚糖复合气凝胶的制备及吸附性能研究

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壳聚糖是目前发现的唯一天然碱性多糖,因其分子结构中氨基基团的高活性,已成为广受关注的功能性吸附材料。本文构建了两种凹土-壳聚糖复合气凝胶:一种是以天然一维纳米材料—凹凸棒石粘土(凹土)构建气凝胶的三维骨架,以壳聚糖作为交联组分,强化凹土的三维多孔结构、并通过壳聚糖对凹土的表面修饰提升了气凝胶的选择性吸附性能;另一种是以壳聚糖-尿素聚合形成的高分子气凝胶,并以凹土为气凝胶的复合增强材料。论文探讨了凹土基壳聚糖复合气凝胶的制备工艺对其结构及性能的影响,并开展了复合气凝胶用于蛤蜊多糖中的脱蛋白以及金银花中绿原酸的分离提纯的可行性研究,取得了良好的分离效果。主要研究内容如下:(1)凹土基壳聚糖复合气凝胶的制备及其表征制备了两种凹土-壳聚糖复合气凝胶:以凹土为主体,采用戊二醛交联法和冷冻干燥技术制备的壳聚糖增强凹土基气凝胶(Pal/CS-CA),以壳聚糖为主体,采用尿素热分解法和超临界干燥技术制备的凹土增强壳聚糖气凝胶(CS/Pal-CA);通过SEM、N2-吸脱附法、汞侵入法、FT-IR、XRD等手段考察了凹土及壳聚糖浓度、质量比、干燥方式等对复合气凝胶结构的影响。研究表明:壳聚糖增强凹土基气凝胶(Pal/CS-CA)是以凹土棒晶构建的三维网络多孔隙结构,且比表面积随凹土浓度的增加而提升,随着壳聚糖浓度增加气凝胶由三维多孔结构转为卡片屋结构,且气凝胶比表面积随之降低;凹土增强壳聚糖气凝胶(CS/Pal-CA)是以壳聚糖为主体构建的三维网络结构,适量增加凹土能有效削弱水凝胶在超临界干燥过程中的结构塌陷收缩,稳固壳聚糖高分子气凝胶微观结构,随着尿素增加气凝胶纳米孔数量增多、比表面积也随之增加。(2)壳聚糖增强凹土基气凝胶对蛋白质的选择性吸附性能研究以凹土构建骨架,采用戊二醛交联法和冷冻干燥技术制备了壳聚糖增强凹土基气凝胶(Pal/CS-CA)应用于粗多糖溶液中蛋白质的选择性吸附分离。实验结果表明:与单一的凹土或是壳聚糖相比,以选择性系数为指标,气凝胶的选择性吸附能力明显提升。调整凹土浓度和壳聚糖浓度能够实现孔结构和孔径的变化以得到最适合的孔径用以筛分蛋白质和多糖。在凹土浓度为2%,壳聚糖浓度为0.8%时选择性脱蛋白效率最佳,脱蛋白率为95.08±1.47%,多糖吸附率为3.29±0.14%,选择性系数达到28.95±0.82。在不同p H条件下进行吸附实验探究吸附机理,结果表明气凝胶与蛋白质间为氢键作用。(3)凹土增强壳聚糖气凝胶对绿原酸的吸附性能研究以壳聚糖构建骨架结构,采用尿素热分解法制备了凹土增强壳聚糖气凝胶(CS/Pal-CA)应用于金银花提取液中绿原酸药物小分子的分离提纯。实验结果表明:干燥方式、凹土的加入及占比、尿素浓度会影响比表面积、结构以及活性官能团从而影响对绿原酸的吸附。通过超临界干燥技术得到的气凝胶对绿原酸的吸附量高达324.21±2.14 mg/g,凹土的加入使得比表面积下降,尿素增加虽然提高了比表面积但使得活性位点减少,因而导致吸附量下降。在p H值为3的条件下吸附效果最佳,且CS/Pal-CA可多次循环使用。吸附过程符合准二级动力学和Freundlich热力学模型拟合,通过气凝胶吸附分离法实现了绿原酸的富集。
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