Длина алкильной цепи кватернизованного SBA

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5170 (2023) Цитировать эту статью

373 Доступа

Подробности о метриках

Санта-Барбара Аморфный-15 (SBA) представляет собой стабильный мезопористый кремнеземный материал. Кватернизованный SBA-15 с алкильными цепями (QSBA) проявляет электростатическое притяжение к анионным молекулам через N+-фрагмент аммониевой группы, тогда как длина его алкильной цепи определяет его гидрофобные взаимодействия. В данной работе QSBA с различной длиной алкильной цепи были синтезированы с использованием триметильной, диметилоктильной и диметиоктадецильной групп (C1QSBA, C8QSBA и C18QSBA соответственно). Карбамазепин (CBZ) – широко назначаемое фармацевтическое соединение, но его трудно удалить с помощью обычных водных процедур. Адсорбционные характеристики CBZ QSBA были исследованы для определения механизма его адсорбции путем изменения длины алкильной цепи и условий растворения (pH и ионной силы). Более длинная алкильная цепь приводила к более медленной адсорбции (до 120 мин), в то время как количество адсорбированного CBZ было выше для более длинных алкильных цепей на единицу массы QSBA в равновесии. Максимальные адсорбционные емкости C1QSBA, C8QSBA и C18QSBA составили 3,14, 6,56 и 24,5 мг/г соответственно, полученные с использованием модели Ленгмюра. Для исследованных исходных концентраций CBZ (2–100 мг/л) адсорбционная емкость увеличивалась с увеличением длины алкильной цепи. Поскольку CBZ плохо диссоциирует (pKa = 13,9), несмотря на изменение pH наблюдалась стабильная гидрофобная адсорбция (0,41–0,92, 1,70–2,24 и 7,56–9,10 мг/г для C1QSBA, C8QSBA и C18QSBA соответственно); исключением был pH 2. Увеличение ионной силы от 0,1 до 100 мМ увеличивало адсорбционную способность C18QSBA с 9,27 ± 0,42 до 14,94 ± 0,17 мг/г, поскольку гидрофобные взаимодействия увеличивались, а электростатическое притяжение N + уменьшалось. Таким образом, ионная сила была более сильным контролирующим фактором, определяющим гидрофобную адсорбцию CBZ, чем pH раствора. Благодаря изменению гидрофобности, зависящей от длины алкильной цепи, удалось усилить адсорбцию CBZ и детально изучить механизм адсорбции. Таким образом, это исследование способствует разработке адсорбентов, подходящих для фармацевтических препаратов, с контролем молекулярной структуры QSBA и условий растворения.

Постоянно растущее производство, потребление и выбросы в окружающую среду фармацевтических препаратов и средств личной гигиены (PPCP) стали глобальной проблемой1,2. Карбамазепин (CBZ) является одним из четырех наиболее широко назначаемых фармацевтических препаратов для лечения эпилепсии и психозов3,4. Широкое использование и длительный срок службы/низкая способность к разложению CBZ привели к его обнаружению в сточных водах, поверхностных, грунтовых и питьевых водах4,5. CBZ не может быть обработан должным образом с помощью обычных водных процедур. Поэтому проводятся исследования по удалению CBZ из водной фазы с использованием передовых методов, таких как фильтрация6,7,8, биологические процессы9, современные методы окисления5,8,9,10,11,12, коагуляция/флокуляция/седиментация13,14, и адсорбция3,14,15,16,17,18,19,20. Среди различных изучаемых методов адсорбция особенно привлекательна, поскольку она проста по конструкции, проста в исполнении, экономична и не содержит побочных продуктов15,16.

Поскольку материалы на основе углерода (МУП) имеют высокую удельную поверхность и гидрофобные характеристики, их исследуют для использования в различных областях21,22,23. Они также широко изучались на предмет использования в качестве адсорбентов с высокой сорбционной способностью органических соединений24,25,26,27,28. Чжу и др.29 сообщили, что коэффициент распределения октанол/вода относительно диссоциации при pH 7 пропорционален адсорбционной эффективности используемого пористого адсорбента или CBM. Они предположили, что гидрофобные или π–π-взаимодействия являются основными механизмами адсорбции PPCP. Таким образом, гидрофобные взаимодействия между рассматриваемым ПППФ и используемым адсорбентом оказывают определяющее влияние на процесс адсорбции. pKa органической молекулы определяет конкретный pH, при котором происходит протонирование или депротонирование. Следовательно, PPCP депротонируют и образуют отрицательные ионы при pH < pKa, что ингибирует гидрофобные взаимодействия между используемым CBM и PPCP30,31. Кроме того, ионная сила водной фазы также влияет на гидрофильные и гидрофобные взаимодействия32. Таким образом, эффективность адсорбции CBZ, который является типичным стойким PPCP и с трудом подвергается биологическому и физико-химическому разложению33,34, можно контролировать на основе гидрофобности используемого адсорбента и условий окружающей среды, таких как pH и ионная сила.

0.967), which were acceptable for model fitting. This was probably because the experiments were not performed using high CBZ concentrations. The Langmuir model assumes monolayer adsorption, while the Freundlich model assumes multilayer adsorption32. However, both the Freundlich and Langmuir models showed linear adsorption characteristics within a certain early concentration range. Detailed characterization of the adsorption models, such as considering single and multiple layers, is not possible owing to the limited solubility of CBZ. Thus, the standard Langmuir model is a suitable one because QSBA would have a larger surface available for adsorption compared with that of CBZ. The adsorption characteristics of a number of PPCPs with limited solubility have been described previously using the Langmuir model, including CBZ50,51,52, ibuprofen29, levofloxacin53, sulfamethoxazole54,55,56, tylosin55, and 17β-estradiol56./p> 4.15 (pKa = 4.15)35. Consequently, the pH controls both the hydrophobic and hydrophilic interactions and determines the adsorption efficiency of DCF by QSBA. Figure 4 shows the effect of the initial pH on CBZ removal by QSBA. Despite the variations in the initial pH, stable adsorption capacities were observed (0.41–0.92, 1.70–2.24, and 7.56–9.10 mg/g for C1QSBA, C8QSBA, and C18QSBA, respectively); the exception was when the pH was 2 and C18QSBA was used. Thus, the pH had a limited effect on the interactions between CBZ and QSBA. However, C18QSBA showed an improved adsorption capacity of 12.06 ± 0.07 mg/g at pH 2. The pH of the CBZ solution was adjusted using HCl and NaOH. Thus, it was expected that an extremely low pH would improve the hydrophobic interactions at high concentrations of H+ and Cl-. The H+ and Cl− concentrations at pH 2 were 10 mM. It is known that when ions and proteins are present in high concentrations, they compete to interact with the water molecules, and unreacted proteins are precipitated by the hydrophobic interactions57. Similarly, Bautista-Toledo et al.58 explained that the enhancement in the adsorption of sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS) on activated carbon with increasing ionic strength was owing to the decreased solvation of SDBS because of the high ionic strength, which increased the hydrophobic-interaction-based adsorption. Likewise, the high concentrations of H+ and Cl− may have enhanced the hydrophobic interactions between C18QSBA and CBZ in the present study. Similarly, the Na+ and OH− ions probably also aided the enhancement in the hydrophobic interactions when present in a high concentration at pH 10. However, the concentrations of Na+ and OH− were 0.1 mM at pH 10 and only 1/100th of those of H+ and Cl− at pH 2. The effect of the ion strength on the hydrophobic interactions between CBZ and QSBA was verified using NaCl, as described in the next section./p>

Блог