Синтез нового экологически чистого сорбента на основе яблочного пектина

Актуальность

Одним из путей решения проблем экологической медицины, обусловленных загрязнением окружающей среды и поступлением в организм человека избыточных количеств тяжёлых металлов и радионуклидов, является создание препаратов, обладающих способностью связывать их и выводить из организма. Особый интерес среди биосорбентов представляют пектиновые полисахариды, обладающие высокой сорбционной способностью, биологической активностью и использующиеся в лечебно-профилактических целях. Несмотря на то что пектиновые сорбенты обладают неоспоримыми преимуществами, такими как дешевизна, доступность, биоразлагаемость в окружающей среде, высокая сорбционная ёмкость, крайне важной является задача создания новых высокоэффективных материалов, сочетающих в себе полезные свойства компонентов модифицированного сорбента с сохранением высокой сорбционной способности. Одним из методов активации функций пектинового сорбента является его комплексообразование с низкомолекулярными биологически активными веществами, как правило, увеличивающими устойчивость образующегося металлокомплексного соединения. Актуальностью этой проблемы обусловлен выбор системы пектин-фармакофор-катионы меди (II).

Цель

Получить и исследовать высокоэффективный экологически чистый сорбент на основе модифицированного салициловой кислотой яблочного пектина по отношению к ионам меди (II).

Задачи

1. Изучить научную литературу по теме исследования.

2. Разработать способ получения сорбента на основе яблочного пектина.

3.Оптимизировать условия сорбции ионов меди фармакофорсодержащим сорбентом.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Магнитная мешалка

• Термостат

• Аналитические весы

• Титратор

• рH-метр «Анион-4100»

• Лабораторная посуда (колбы, пипетки)

• Химические реактивы (CuSO₄·5H₂O, салициловая кислота)

Описание

В экспериментах использовали яблочный пектин товарной марки Unipectine XPP 240 с молекулярной массой 26000 Da и степенью этерифицирования 66%.
Общая методика получения фармакофорсодержащего сорбента:

1. 1 г полисахарида (5,68 осново-ммоль) растворили в 20 мл воды с pH 7–7,1. 0,84 г (5,68 ммоль) салициловой кислоты суспендировали в 20 мл воды и довели pH до 7–7,1.
2. К раствору полисахарида при интенсивном перемешивании прикапывали раствор салициловой кислоты при температуре +25 °С. Реакцию проводили в течение 4 часов. По окончании реакции продукт выделили осаждением этиловым спиртом, переосадили в спирте, осадок отделили и промыли три раза спиртом, затем диэтиловым эфиром и высушили под вакуумом.

3. Изучение процесса сорбции ионов меди (II) провели в статических условиях из водных растворов сульфата меди (II) при перемешивании и термостатировании (298 К).

4. Для получения кинетических кривых сорбции в серию пробирок поместили навески сорбента (m) по 0,1 г, залили их 2 мл водного раствора сульфата меди (II) с концентрацией 1∙10^-1 моль∙л^-1 и выдерживали от 15 до 60 минут. Начальная концентрация (С₀) ионов меди составляла 1·10^-2 моль/л.

5. Через каждые 15 минут раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нём текущую концентрацию ионов меди (С_τ) методом йодометрического титрования. Сорбционную ёмкость (А_τ) сорбентов в каждый момент времени рассчитывали по формуле А_τ=(С₀-С_τ)∙V/m. В условиях установившегося равновесия в системе определяли равновесную концентрацию ионов металла в растворе (С_р) и рассчитывали равновесную сорбционную ёмкость (А_р): А_р = (С₀-С_р)∙V/m. Степень извлечения α определяли по формуле α = (С₀-С_р)∙100%/С₀.

6. При исследовании влияния рН среды необходимую величину рН в области значений 1–12 создавали с помощью 0,1 М H₂SO₄ и 0,1 М NaOH и контролировали по рН-метру «Анион-4100».

Для каждого опыта использовали свежеприготовленные растворы. Влияние температуры на сорбцию ионов Cu²⁺  исследовали в интервале от 273 К до 333 К при перемешивании и термостатировании в течение 60 минут при заданной температуре. По окончании опытов раствор отделяли от сорбента фильтрованием и определяли в нём текущую концентрацию ионов металла. Относительная погрешность экспериментов рассчитывалась на основании данных равновесных и кинетических опытов, в которых каждая точка представляла собой среднее значение из трёх параллельных опытов. Погрешность эксперимента не превышала 5–7%.

Результаты

1. Важными характеристиками полимерных сорбентов являются время достижения сорбционного равновесия и величина сорбционной ёмкости. Кинетические исследования показали, что сорбционное равновесие при извлечении катионов меди (II) из водного раствора её соли с использованием фармакофорсодержащего пектинового (ФП) сорбента устанавливается уже в течение 10 минут, тогда как для нативного пектина оно существенно больше и составляет 60 минут. Быстрое время установления равновесия может быть обусловлено изменением макромолекулярной структуры комплекса пектин-фармакофор, приводящей к увеличению доступности активных центров биосорбентов, а также повышением их гидрофильности за счёт модифицирования полисахарида фармакофорами, имеющими полярные функциональные группы. При этом величина сорбционной ёмкости сорбента пектин-салициловая кислота равна 0.0036 ммоль/г, что соответствует степени извлечения 95,7%. Полученные результаты свидетельствуют о сохранении хороших равновесно-кинетических свойств модифицированного биосорбента.

Зависимость степени извлечения (α) ионов меди (II) яблочным пектином от времени

2. рН раствора оказывает существенное влияние на величину сорбционной ёмкости полисахаридных сорбентов. Так как энергия координационной связи лиганд-Н⁺ больше энергии связи лиганд-катион металла, то изменение кислотности раствора влияет на процесс связывания ионов металла функциональными группами сорбента. Сорбция катионов меди (II) при изменении рН водной фазы имеет экстремальный характер с максимумом в области рН 6,0. Максимальное извлечение катионов металла сорбентом наблюдается при рН раствора, близкой к нейтральной. В области низких рН отсутствие сорбции ионов меди (II) связано с конкуренцией за сорбционные центры сорбента между ионами металла и водорода. При снижении кислотности среды возрастает количество свободных сорбционных центров на сорбенте, что приводит к существенному росту величины сорбционной ёмкости. В области максимума сорбционно-активные группы сорбента находятся в диссоциированном состоянии (СОО^-). В сильно щелочной области рН происходит образование гидроксида металла.

3. Исследование влияния температуры на распределение ионов меди (II) в системах нативный/фармакофорсодержащий пектин с CuSO_4*5Н₂О выполнено в интервале температур от 0 °С до +60 °C. Максимальная сорбционная ёмкость для пектина достигается при температуре +20 °С, далее при увеличении температуры сорбционная способность снижается. В случае комплекса П-СК(пектин-салициловая кислота) степень извлечения ионов металла (II) снижается с увеличением температуры.

Выводы

Применение нового модифицированного пектинового сорбента позволяет:

1. - увеличить сорбционную ёмкость;
2. - сократить время сорбции;
3. - регулировать сорбционные свойства полисахаридного материала.

Перспективы использования результатов работы
Можно использовать в лечебно-профилактических целях модифицированный сорбент с сохранением высокой сорбционной способности.

Сотрудничество с вузом при создании работы

ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», кафедра технической химии и материаловедения инженерного факультета

Награды/достижения
Научная конференция «Ломоносовские чтения» – диплом I степени.

Мнение автора
«Конференция «Старт в медицину» даёт возможность школьникам из разных городов России попробовать себя в роли научных исследователей, создавая свой проект и защищая его»