Часть Ⅱ: Cistanche: высокоэффективная адсорбция фенилэтаноидных гликозидов на мезопористом углероде
Mar 04, 2022
Контактное лицо: Одри Ху Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Электронная почта:audrey.hu@wecistanche.com
Хелин Сюй, Вэньцзин Пей, Сюэцинь Ли и Цзиньли Чжан
Сравнение характеристик адсорбции трех мезопористых углей
Поскольку три адсорбента в основном состоят из углерода, считалось, что адсорбционное взаимодействие между ФГ и мезопористым углеродом одинаково. Поэтому считалось, что разница в адсорбционных характеристиках связана с разницей в физической структуре мезопористого углерода. В таблице 2 показаны адсорбционные характеристики трех видов мезопористого углерода. Из таблицы 2 видно, что все три вида мезопористых углей могут адсорбировать PhG, и CMK-3 обладает лучшими адсорбционными характеристиками, чем CMK-8 и DMC. Это указывает на то, что размер пор мезопористых углей больше, чем у молекул ФГ, и размер пор не является основным фактором, влияющим на адсорбционную способность трех мезопористых углей. Адсорбционная емкость и скорость десорбции CMK-3 составляли до 189,37 мг/г и 94,96% соответственно. Адсорбционная способность CMK-3 была выше, чем у CMK-8. Поскольку объем пор и удельная поверхность CMK-3 были больше, чем у DMC и CMK-8, это указывало на то, что объем пор и удельная поверхность были основным фактором, влияющим на характеристики адсорбции.
Оптимизация условий адсорбции
Оптимизация эксперимента по адсорбции CMK-3 была проведена с использованием смеси как актеозида, так и эхинакозида. Температура, pH и концентрация были основными факторами, влияющими на эффективность адсорбции CMK-3. Таким образом, было исследовано влияние этих трех влияющих факторов на характеристики адсорбции CMK-3.
Влияние концентрации образца на адсорбционные характеристики CMK-3
Влияние концентрации образца на характеристики адсорбции CMK{{0}} показано на рисунке 5. По мере увеличения концентрации емкость адсорбции увеличивается. Адсорбционная способность больше не увеличивается с увеличением концентрации образца, когда концентрация образца была достигнута на уровне 0,41 мг/г. При низкой исходной концентрации образца активных центров адсорбента было достаточно для адсорбции относительно небольшого количества молекул ФГ. Напротив, при высокой начальной концентрации образца фиксированное количество активных центров на адсорбентах не способно к адсорбции, увеличивая количество молекул ФГ. Таким образом, адсорбционная способность ЦМК-3 по отношению к молекулам ФГ имеет тенденцию к уравновешиванию.
Влияние pH на адсорбционные характеристики CMK-3
На рис. 6 показано влияние pH на адсорбционные характеристики CMK-3. Из рисунка 6 видно, что оптимальное значение pH равно 6 для адсорбции PhG с помощью CMK-3. Причины следующие: ФГ имели большое количество фенольных гидроксильных групп и относились к слабокислым молекулам, разные значения рН влияли на ионизацию и устойчивость молекул ФГ. Ионизация фенольных гидроксильных групп будет подавляться при низком значении рН, тогда как стабильность фенольных гидроксильных групп на ФГ будет снижаться при высоком значении рН. Ингибированная ионизация фенольных гидроксильных групп на PhG приводила к уменьшению электростатических взаимодействий между PhG и CMK-3, снижая адсорбционную эффективность CMK-3 для PhG. Таким образом, оптимальным значением pH для адсорбции CMK- 3 было значение 6.
Влияние температуры на адсорбционные характеристики CMK-3
Температура была важным параметром в процессе адсорбции. Температура влияет на диффузию молекул ФГ не только на границе внешнего пограничного слоя, но и внутри пор адсорбента. На рис. 7 показано влияние температуры на адсорбционную способность CMK-3. Адсорбционная способность ЦМК-3 увеличивается с повышением температуры от 30 до 60°С. Сообщалось, что основная причина заключалась в том, что активный центр увеличивается с повышением температуры из-за эндотермического характера процесса, а внутричастичная диффузия адсорбентов увеличивается с повышением температуры адсорбции (Peng et al., 2015) . Кроме того, с повышением температуры подвижность молекул ФГ увеличивалась, а их диффузионное сопротивление уменьшалось. Адсорбционная емкость снижается с повышением температуры, когда температура составляет 60–80°С. Это указывало на то, что температура адсорбции имеет оптимальное значение и молекулы ФГ могут быть неустойчивыми при высоких температурах. Поэтому оптимальная температура адсорбции была выбрана равной 60°С.
Оптимальные условия адсорбции ЦМК{{0}} были следующими: концентрация образца 0,41 мг/г, рН раствора 6, температура адсорбции 60°С. В оптимальных условиях адсорбционная емкость ФГ в сыром экстракте на ЦМК-3 составила 358,09 ± 4,13 мг/г, что более чем в три раза превышает адсорбционную емкость ФГ на макропористых смолах (ГПД300, 94,93 мг/г). (Лю и др., 2013). При этом скорость десорбции CMK-3 была на 94,67% выше, чем у макропористой смолы.
добавка цистанхе
Изотермы адсорбции
Изотермы адсорбции показаны на фигуре 8А. С увеличением равновесной концентрации адсорбционная способность ФГ увеличивалась и достигала состояния насыщения. Чтобы лучше понять эффективность адсорбции PhG на CMK- 3, изотермы адсорбции CMK-3 были исследованы с использованием моделей Ленгмюра и Фрейндлиха. Параметры адсорбции, полученные из различных моделей, дают некоторую полезную информацию о механизмах адсорбции. На рисунках 8B, C представлены изотермы адсорбции CMK-3, смоделированные моделями Ленгмюра и Фрейндлиха.
Модель Ленгмюра была основана на предположениях, что адсорбция происходит на определенных однородных участках внутри адсорбента, между адсорбированными частицами не происходит существенного взаимодействия, и адсорбент насыщается после одного слоя:
молекулы адсорбента образуются на поверхности адсорбента. Линеаризованное уравнение изотермы Ленгмюра можно записать следующим образом:
CE/QE=1 KLqm плюс CE/QM (2)
Модель Фрейндлиха обычно использовалась для описания адсорбционных характеристик многослойных и гетерогенных поверхностей (Wu et al., 2017). Его линеаризованная форма задается следующим образом:lnqe=lnKF плюс 1n/lnce (3)
где QM (мг/г) — теоретическая максимальная адсорбционная способность монослоя, KL (мл/мг) — константа Ленгмюра, связанная с энергией адсорбции, отражающая сродство между адсорбатом и адсорбентом (Wu et al., 2017; He et al. , 2019), KF [(мг/г)•(мл/мг)1/n ] и n — константы Фрейндлиха. KF является показателем относительной адсорбционной способности, n относится к величине движущей силы адсорбции и гетерогенности сайтов связывания, а 1/n указывает на благоприятность адсорбции.
Параметры изотерм моделей приведены в табл. 3. Модель Ленгмюра лучше, чем модель Фрейндлиха, описывает данные по адсорбции ФГ на ЦМК-3, что указывает на то, что адсорбция фенилэтаноидных гликозидов на ЦМК{{ 2}} представлял собой простой процесс монослойной адсорбции (Wang F. et al., 2017). Кроме того, наличие кислородсодержащих функциональных групп на поверхности ЦМК-3 усиливало адсорбцию ФГ. Максимальное количество адсорбции (QM) может достигать 380,70 мг/г, что соответствует экспериментальному значению. Кроме того, было рассчитано, что значение 1/n PhG составляет 0,22, что соответствует<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="">
Кинетика адсорбции
Адсорбционная способность CMK-3 была исследована как функция времени для определения времени равновесия адсорбции на рисунке 9A. Исследование показывает, что равновесная скорость адсорбции постепенно снижается и постепенно выравнивается по мере приближения адсорбционной способности к равновесию. Установлено, что адсорбционное равновесие достигается через 14 часов. Быстрая начальная скорость адсорбции может быть связана с высоким градиентом концентрации между PhG и CMK-3 в растворе, а поверхность CMK-3 имеет большое количество активных центров.
Кинетику адсорбции оценивали с применением моделей псевдопервого, псевдовторого порядка и внутричастичной диффузии. Построенные графики моделей псевдопервого порядка, псевдовторого порядка и модели внутричастичной диффузии для адсорбции PhG на CMK-3 были показаны на рисунках 9B-D соответственно.
Линейная форма кинетических моделей выражается следующим образом: Псевдопервый порядок (Li et al., 2017a):
log (qe − qt )=logqe − K1/2,303 t (4)
Псевдовторой порядок (Tang et al., 2018):
t/qt=1/K2q2e плюс t/qt (5)
где K1 (1/мин) и K2 (г/мг·мин-1) – константы скорости уравнения скорости псевдопервого порядка и уравнения скорости псевдовторого порядка соответственно. qe (мг/г) — теоретическая адсорбционная способность в равновесии.
Модель внутричастичной диффузии:
qt=кт1/2плюс С (6)
где Kp — константа внутричастичной диффузии (мг/г·мин), а C — отражение эффекта пограничного слоя (мг/г).
Рассчитанные значения qe, констант скорости и коэффициента корреляции показаны в таблице 4. Модель псевдовторого порядка дала значение R2 0,998, тогда как значение R2 модели псевдопервого порядка было 0.84. Это означает, что модель псевдовторого порядка демонстрирует лучшую линейную зависимость, чем модель псевдопервого порядка. На рис. 9C показано, что линейные графики зависимости t/qe от t хорошо согласуются с экспериментальными данными модели псевдовторого порядка. Расчетное значение qe псевдовторого порядка оказалось достаточно близким к экспериментальным данным (табл. 4). Эти результаты показали, что псевдовторой порядок является более подходящей кинетической моделью, чем псевдопервый порядок.
Однако результаты оценки модели псевдовторого порядка не могут определить потенциальный механизм адсорбции. Принято считать, что кинетика адсорбции контролируется диффузионным механизмом, который состоит из внешней диффузии, диффузии в пограничном слое и внутричастичной диффузии (Wong et al., 2019). Модель диффузии внутри частиц использовалась для определения того, является ли диффузия внутри частиц стадией, ограничивающей скорость.
Диффузия внутри частиц считалась стадией, ограничивающей скорость, когда зависимость qt от t1/2 была линейной. Внутричастичная диффузия была единственным этапом, контролирующим скорость, когда кривая проходит через начало координат. Из рисунка 9D видно, что внутричастичная диффузия определялась двумя разными стадиями. Первый этап кривой представляет собой поверхностную адсорбцию. Вторая стадия свидетельствует о внутричастичной диффузии в порах CMK-3. Поскольку график внутричастичной диффузии не проходил через начало координат, модель указывала на то, что механизм адсорбции представляет собой более одного механизма, а внутричастичная диффузия не была единственной стадией, ограничивающей скорость. Таким образом, можно заключить, что механизм адсорбции ФГ на ЦМК-3 был сложным, поскольку одновременно происходили как внешнеповерхностная адсорбция, так и внутричастичная диффузия.
цистанхе
Повторяющийся эксперимент
Возможность повторного использования была важным фактором при рассмотрении использования и ценности адсорбентов в практических применениях. Таким образом, были протестированы характеристики циклической адсорбции CMK-3 для неочищенного экстракта. На рис. 10 показаны результаты циклической адсорбции CMK-3 для неочищенного экстракта Cistanche tubulosa. Из рисунка 10 видно, что адсорбционная способность CMK-3 изменилась с 358,09 ± 4,13 мг/г до 320,78 ± 5,62 мг/г после трех циклов адсорбции, что указывает на хорошие показатели CMK- 3. повторяемость, а CMK-3 можно многократно использовать для адсорбции фенилэтаноидных гликозидов.
ВЫВОДЫ
Были исследованы адсорбционные свойства ПГ на трех видах мезопористых углей и охарактеризован мезопористый углерод до и после адсорбции. Результаты показали, что CMK{{0}} имеет наибольшую удельную площадь поверхности и объем пор среди трех адсорбентов (CMK- 3, DMC и CMK-8) и может адсорбировать Молекулы ФГ более эффективны, чем ДМК и ЦМК-8 из экстрактов цистанхе трубчатой. Поскольку кислородсодержащие функциональные группы на поверхности CMK-3 могут обеспечивать большое количество активных центров адсорбции для молекул ФГ. Кроме того, водородные связи образуются между гидроксильными группами ФГ и кислородсодержащими функциональными группами ЦМК- 3. Адсорбционная емкость сырого экстракта по ФГ составила 358,09 ± 4,13 мг/г при оптимальных условиях 0,41 мг/л, рН=6 и 60°С, соответствующая скорость десорбции ЦМК-3 составила 95,02. процент . Данные по адсорбции показали, что адсорбция PhG точно соответствует модели Ленгмюра и моделям псевдовторого порядка, модель диффузии внутри частиц предполагает, что этапы адсорбции, ограничивающие скорость, представляют собой модель диффузии внутри частиц. CMK-3 можно использовать в качестве потенциального адсорбента для высокоэффективной адсорбции PhG из Cistanche tubulosa.
цистанхе добавки
ЗАЯВЛЕНИЕ О НАЛИЧИИ ДАННЫХ
Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью/дополнительный материал.
АВТОРСКИЙ ВКЛАД
HX провел все эксперименты, провел сбор данных, анализ данных и написал рукопись. WP помогла проанализировать данные FT-IR и провела сбор данных. XL помог объяснить некоторые экспериментальные результаты и отредактировать рукопись. JZ внес свой вклад в научную интерпретацию результатов и отредактировал рукопись.
ФИНАНСИРОВАНИЕ
Мы благодарим за поддержку Национальный фонд естественных наук для молодых ученых Китая (грант № 21706166), Программу молодых инновационных талантов Университета Шихэцзы (CXRC201802), Программу ученых Чанцзяна и группы инновационных исследований в университете (грант № , IRT_15R46) и исследовательский проект ученых по реке Янцзы Университета Шихэцзы (грант № CJXZ201601).
