Dio II.: Cistanche :Visoko učinkovita adsorpcija feniletanoidnih glikozida na mezoporoznom ugljiku
Mar 04, 2022
Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-pošta:audrey.hu@wecistanche.com
Helin Xu, Wenjing Pei, Xueqin Li i Jinli Zhang
Usporedba izvedbe adsorpcije tri mezoporous Carbons
Budući da se tri adsorbenta uglavnom sastoje od ugljika, adsorpcijska interakcija između PHG-ova i mezoporoznih ugljika smatrana je istom. Stoga se smatralo da je razlika u izvedbi adsorpcije izvedena iz razlike u fizičkoj strukturi mezoporoznih ugljika. Tablica 2 prikazuje adsorpcijsku izvedbu triju vrsta mezoporoznih ugljika. Iz tablice 2 može se vidjeti da sve tri vrste mezoporoznih ugljika mogu adsorbirati PhG-ove, a CMK-3 je imao bolje adsorpcijske performanse od CMK-8 i DMC. To ukazuje na to da je veličina pora mezoporoznih ugljika bila veća od molekula PHG-a, a veličina pora nije bila glavni čimbenik koji je utjecao na adsorpcijski kapacitet za tri mezoporozna ugljika. Kapacitet adsorpcije i stope desorpcije CMK-3 iznosili su do 189,37 mg/g, odnosno 94,96%. Adsorpcijski kapacitet CMK-3 bio je veći od kapaciteta CMK-8. Budući da su volumen pora i specifična površina CMK-3 bili veći od DMC-a i CMK-8, to je naznačilo da je volumen pora i specifična površina glavni čimbenik koji utječe na performanse adsorpcije.
Optimizacija adsorpcijskih uvjeta
Optimizacija adsorpcijskog eksperimenta za CMK-3 provedena je pomoću mješavine i akteozida i ehinakozida. Temperatura, pH i koncentracija bili su glavni utjecajni čimbenici izvedbe ADSORPCIJE CMK-3. Stoga su istraženi učinci ova triju čimbenika koji utječu na performanse adsorpcije CMK-3.
Učinak koncentracije uzorka na adsorpcijsku izvedbu CMK-3
Učinak koncentracije uzorka na adsorpcijsku izvedbu CMK-3 prikazan je na slici 5. Kako se koncentracija povećava, povećava se kapacitet adsorpcije. Kapacitet adsorpcije više se ne povećava s povećanjem koncentracije uzorka kada je koncentracija uzorka dosegnuta na 0,41 mg/g. Pri niskoj početnoj koncentraciji uzorka, adsorbene aktivne stranice bile su dovoljne za adsorpciju relativno male količine phG molekula. Nasuprot tome, pri visokoj početnoj koncentraciji uzorka, fiksna količina aktivnih web lokacija na adsorbentima nije mogla adsorpciju povećavajući količinu molekula PHG-a. Dakle, adsorpcijski kapacitet CMK-3 za phgs molekule ima tendenciju uravnoteženja.
Učinak pH vrijednosti na Adsorpcijske performanse CMK-3
Na slici 6. prikazan je učinak pH vrijednosti na adsorpcijsku izvedbu CMK-3. Na slici 6 može se vidjeti da je optimalna pH vrijednost bila 6 za adsorpciju PHG-ova cmk-3. Razlozi su sljedeći: PhG-ovi su imali veliki broj fenolnih hidroksilnih skupina i pripadali su slabim kiselim molekulama, različite pH vrijednosti utjecale su na ionizaciju i stabilnost molekula PHG-ova. Ionizacija fenolnih hidroksilnih skupina bila bi inhibirana pri niskoj pH vrijednosti, dok bi se stabilnost fenolnih hidroksilnih skupina na PhG-ovima smanjila na visokoj pH vrijednosti. Inhibirana ionizacija fenolnih hidroksilnih skupina na PhG-ovima rezultirala je smanjenjem elektrostatičkih interakcija između PHG-a i CMK-3, smanjujući adsorpcijsku izvedbu CMK-3 za PhG. Dakle, optimalni pH bio je 6 za CMK-3 adsorpciju.
Utjecaj temperature na adsorpcijsku izvedbu CMK-3
Temperatura je bila važan parametar u procesu adsorpcije. Temperatura ne samo da utječe na difuziju PhG molekula na sučelju vanjskog graničnog sloja, već i unutar adsorbentnih pora. Na slici 7. prikazan je učinak temperature na adsorpcijski kapacitet CMK-3. Adsorpcijski kapacitet CMK-3 povećava se s temperaturom povećanom s 30 na 60◦C. Objavljeno je da je glavni razlog bio taj što se aktivna stranica povećava s povećanjem temperature zbog endotermne prirode procesa, a difuzija adsorbensa unutar čestica povećala se s povećanjem temperature adsorpcije (Peng et al., 2015). Osim toga, povećala se pokretljivost molekula PhG-a, a njihova otpornost na difuziju smanjila se s povećanjem temperature. Kapacitet adsorpcije smanjuje se s povećanjem temperature kada je temperatura bila 60–80◦C. To je ukazivalo na to da je temperatura adsorpcije imala optimalnu vrijednost, a molekule PHG-a mogu biti nestabilnost na visokim temperaturama. Stoga je odabrana optimalna temperatura adsorpcije na 60◦C.
Optimalni adsorpcijski uvjeti CMK-3 bili su sljedeći: koncentracija uzorka bila je 0,41 mg/g, pH otopina 6, a temperatura adsorpcije 60◦C. U optimalnim uvjetima adsorpcijski kapacitet PHG-ova u sirovom ekstraktu na CMK-3 iznosio je 358,09 ± 4,13 mg/g, što je više od tri puta više od adsorpcijskog kapaciteta PHG-ova na makroporoznim smolama (HPD300, 94,93 mg/g) (Liu et al., 2013). U međuvremenu, stopa desorpcije CMK-3 bila je 94,67% viša od stope makroporozne smole.
cistanche dodatak
Adsorpcijski izotermi
Adsorpcijski izotermi prikazani su na slici 8A. S povećanjem koncentracije ravnoteže, adsorpcijski kapacitet za PhG povećao se i dosegao status zasićenja. Kako bi se dodatno razumjele adsorpcijske performanse PHG-ova na CMK-3, adsorpcijski izotermi CMK-3 istraženi su pomoću Langmuir i Freundlich modela. Parametri adsorpcije dobiveni su iz različitih modela pružaju neke korisne informacije o adsorpcijskim mehanizmima. Slike 8B, C prikazivale su izoterme adsorpcije CMK-3 po uzoru na Langmuir i Freundlich model.
Langmuirov model temeljio se na pretpostavkama da se adsorpcija odvija na određenim homogenim mjestima unutar adsorbenta, ne dolazi do značajne interakcije među adsorbiranim vrstama, a adsorbent je zasićen nakon jednog sloja:
adsorbentne molekule formiraju se na adsorbensnoj površini. Linearizirana Langmuirova izotermna jednadžba može se napisati na sljedeći način:
CE/QE = 1 KLqm + CE/QM (2)
Model Freundlich obično se koristio za opisivanje adsorpcijskih karakteristika višeslojnih i heterogenih površina (Wu et al., 2017). Njegov linearizirani oblik daje se na sljedeći način:lnqe = lnKF+ 1n/lnce (3)
ako je QM (mg/g) teoretski maksimalni kapacitet adsorpcije monolajera, KL (mL/mg) je Langmuirova konstanta povezana s adsorpcijskom energijom koja odražava afinitet između adsorbata i adsorbenenta (Wu et al., 2017.; On i sur., 2019), KF [(mg/g)•(mL/mg)1/n ] i n su Freundlichove konstante. KF je pokazatelj relativnog kapaciteta adsorpcije, n je povezan s veličinom pokretačke sile adsorpcije i heterogenošću obvezujućih web mjesta, a 1/n ukazuje na naklonost adsorpcije.
Parametri izotermnih modela sažeti su u tablici 3. Langmuirov model bio je bolji od Freundlichovog modela za opisivanje adsorpcijskih podataka PHG-ova na CMK-3, što je ukazivalo na to da je adsorpcija feniletanoidnih glikozida na CMK-3 jednostavan monolayerski adsorpcijski proces (Wang F. et al., 2017). Osim toga, prisutnost funkcionalnih skupina koje sadrže kisik na površini CMK-3 povećala je adsorpciju PhG-a. Maksimalna količina adsorpcije (QM) može doseći 380,70 mg/g što je bilo slično eksperimentalnoj vrijednosti. Osim toga, vrijednost phG-ova od 1/n izračunata je na 0,22, što je bilo<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="">
Adsorpcijska kinetika
Kapaciteti adsorpcije CMK-3 istraženi su kao funkcija vremena za određivanje vremena za određivanje vremena amortizacije adsorpcije na slici 9A. Ispitni postupak pokazuje da se stopa uravnoteženja adsorpcije postupno smanjuje i postupno izravnava kako se kapacitet adsorpcije približava ravnoteži. Utvrđeno je da je adsorpcijska ravnoteža postignuta nakon 14 sati. Brza početna stopa adsorpcije mogla bi biti posljedica nagiba visoke koncentracije između PhG-a i CMK-3 u otopini, a površina CMK-3 imala je veliku dostupnost aktivnih mjesta.
Adsorpcijska kinetika procijenjena je primjenom pseudo-modela prvog reda, pseudo-drugog reda i difuzije unutar čestica. Iscrtani grafikoni pseudo-modela prvog reda, pseudo-drugog reda i difuzijskog modela unutar čestica za adsorpcijske PHG-ove na CMK-3 prikazani su na slikama 9B-D.
Linearni oblik kinetičkih modela izražava se na sljedeći način: Pseudo-prvi red (Li et al., 2017a):
log (qe − qt ) = logqe − K1/2.303 t (4)
Pseudo-drugi red (Tang et al., 2018):
t/qt = 1/K2q2e + t/qt (5)
gdje su K1 (1/min) i K2 (g/mg·min−1 ) konstante brzine jednadžbe pseudo-prvog reda i jednadžbe brzine pseudo-drugog reda. qe (mg/g) je teoretski adsorpcijski kapacitet u ravnoteži.
Model difuzije unutar čestica:
qt = Kpt1/2+C (6)
gdje je Kp konstanta difuzije unutar čestica (mg/g min), a C reflektiranje effekta graničnog sloja (mg/g).
Izračunate vrijednosti qe, konstante stope i koeficijent korelacije prikazane su u tablici 4. Model pseudo-drugog reda dao je R2 vrijednost od 0,998, dok je R2 vrijednost pseudo-modela prvog reda iznosila 0,84. To podrazumijeva da model pseudo-drugog reda pokazuje bolji linearni odnos od pseudo-modela prvog reda. Slika 9C pokazuje da linearne parcele t/qe u odnosu na t pokazuju dobru suglasnost s eksperimentalnim podacima iz modela pseudo-drugog reda. Izračunati qe pseudo-drugog reda bio je prilično sličan eksperimentalnim podacima (tablica 4.). Ovi rezultati pokazali su da je pseudo-drugi red prikladniji kinetički model od pseudo-prvog reda.
Međutim, rezultati evaluacije modela pseudo-drugog reda ne mogu odrediti potencijalni adsorpcijski mehanizam. Općenito je prihvaćeno da je adsorpcijska kinetika kontrolirana difuzijskim mehanizmom, koji se sastoji od vanjske difuzije, difuzije graničnog sloja i difuzije unutar čestica (Wong et al., 2019). Model difuzije unutar čestica korišten je kako bi se utvrdilo je li difuzija unutar čestica korak koji ograničava brzinu.
Za difuziju unutar čestica rečeno je da je korak ograničavanja brzine kada je qt vs. t1/2 bio linearan. Difuzija unutar čestica bila je jedini korak kontrole brzine kada krivulja prolazi kroz podrijetlo. Iz slike 9D može se vidjeti da je difuzija unutar čestica bila vođena s dvije različite faze. Prva faza krivulje predstavlja površinsku adsorpciju. Druga faza ukazuje na difuziju unutar čestica u porama CMK-3. Budući da difuzijska ploha unutar čestica nije prošla kroz podrijetlo, model je naznačio da je adsorpcijski mehanizam više od jednog mehanizma, a difuzija unutar čestica nije jedini korak koji ograničava brzinu. Stoga se može zaključiti da je mehanizam PhG adsorpcije na CMK-3 bio složen da su se istovremeno dogodile i adsorpcija vanjske površine i difuzija unutar čestica.
cistanche
Ponavljajući eksperiment
Ponovna upotreba bila je važan čimbenik za razmatranje upotrebe i vrijednosti adsorbenta u praktičnim primjenama. Stoga je testirana ciklička adsorpcijska izvedba CMK-3 za sirovi ekstrakt. Na slici 10 prikazani su rezultati cikličke adsorpcije CMK-3 za sirovi ekstrakt Cistanche tubulosa. Iz slike 10. može se primijetiti da se adsorpcijski kapacitet CMK-3 promijenio s 358,09 ± 4,13 mg/g na 320,78 ± 5,62 mg/g nakon tri ciklusa adsorpcije, što je ukazivalo na to da CMK-3 ima dobru ponovljivost, a CMK-3 se može više puta koristiti za adsorbiranje feniletanoidnih glikozida.
ZAKLJUČCI
Istraživana su adsorpcijska svojstva PHG-ova na tri vrste mezoporoznih ugljika i karakteriziran je mezoporozni ugljik prije i nakon adsorpcije. Rezultati su pokazali da CMK-3 ima najveću specifičnu površinu i volumen pora među tri adsorbenta (CMK- 3, DMC i CMK-8), a može adsorbirati phgs molekule učinkovitije od DMC i CMK-8 iz ekstrakata Cistanche tubulosa. Budući da funkcionalne skupine koje sadrže kisik na površini CMK-3 mogu pružiti veliki broj aktivnih adsorpcijskih mjesta za phgs molekule. Osim toga, nastale su vodikove veze između hidroksilnih skupina PHG-a i funkcionalnih skupina CMK-3 koje sadrže kisik. Kapacitet adsorpcije sirovog ekstrakta za PhG iznosio je 358,09 ± 4,13 mg/g pri optimalnim uvjetima od 0,41 mg/L, pH = 6 i 60◦C, a odgovarajuća stopa desorpcije CMK-3 bila je 95,02%. Podaci o adsorpciji pokazali su da je adsorpcija PhG-ova pomno slijedila Langmuirov model i pseudo-drugorazredne modele, model difuzije unutar čestica sugerirao je da su koraci adsorpcije koji ograničavaju stopu model difuzije unutar čestica. CMK-3 se može koristiti kao potencijalni adsorbent za visoko učinkovito adsorbiranje PHG-ova iz Cistanche tubulosa.
cistanche dodaci
IZJAVA O DOSTUPNOSTI PODATAKA
Svi skupovi podataka generirani za ovu studiju uključeni su u članak / dopunski materijal.
DOPRINOSI AUTORA
HX je proveo sve eksperimente, napravio prikupljanje podataka, analizu podataka i napisao rukopis. WP je pomogao analizirati FT-IR podatke i napravio prikupljanje podataka. XL je pomogao objasniti neke eksperimentalne rezultate i revidirati rukopis. JZ je pridonio znanstvenoj interpretaciji rezultata i revidirao rukopis.
FINANCIRANJE
Zahvalno odajemo priznanje potpori Nacionalne zaklade za prirodne znanosti za mlade znanstvenike Kine (Grant No. 21706166), Programa za mlade inovativne talente Sveučilišta Shihezi (CXRC201802), Programa za znanstvenike changjianga i inovativnog istraživačkog tima na Sveučilištu (Grant Br. IRT_15R46) i znanstveni istraživački projekt rijeke Yangtze Sveučilišta Shihezi (Grant Br. CJXZ201601)
