Del Ⅱ: Cistanche: Svært effektiv adsorpsjon av fenyletanoidglykosider på mesoporøst karbon
Mar 04, 2022
Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-post:audrey.hu@wecistanche.com
Helin Xu, Wenjing Pei, Xueqin Li og Jinli Zhang
Sammenligning av adsorpsjonsytelsen for tre mesoporøse karboner
Fordi de tre adsorbentene hovedsakelig består av karbon, ble adsorpsjonsinteraksjonen mellom PhGs og de mesoporøse karbonene ansett for å være den samme. Derfor ble det ansett at forskjellen i adsorpsjonsytelse ble avledet fra forskjellen i den fysiske strukturen til mesoporøse karboner. Tabell 2 viser adsorpsjonsytelsen til de tre typene mesoporøse karboner. Det kan sees fra tabell 2 at de tre typene mesoporøse karboner alle kan adsorbere PhG, og CMK-3 hadde en bedre adsorpsjonsytelse enn CMK-8 og DMC. Dette indikerer at porestørrelsen til mesoporøse karboner var større enn PhGs-molekyler, og porestørrelsen var ikke hovedfaktoren som påvirket adsorpsjonskapasiteten for de tre mesoporøse karbonene. Adsorpsjonskapasiteten og desorpsjonshastighetene til CMK-3 var opp til henholdsvis 189,37 mg/g og 94,96 prosent. Adsorpsjonskapasiteten til CMK-3 var høyere enn for CMK-8. Fordi porevolumet og det spesifikke overflatearealet til CMK-3 var større enn DMC og CMK-8, indikerte det at porevolumet og det spesifikke overflatearealet var hovedfaktoren som påvirket adsorpsjonsytelsen.
Optimalisering av adsorpsjonsforhold
Optimaliseringen av adsorpsjonseksperimentet for CMK-3 er utført med en blanding av både akteosid og echinakosid. Temperatur, pH og konsentrasjon var de viktigste faktorene som påvirket CMK-3-adsorpsjonsytelsen. Derfor ble effekten av disse tre påvirkningsfaktorene på CMK-3-adsorpsjonsytelse undersøkt.
Effekten av prøvekonsentrasjon på adsorpsjonsytelsen til CMK-3
Effekten av prøvekonsentrasjon på adsorpsjonsytelsen til CMK{{0}} ble vist i figur 5. Når konsentrasjonen øker, øker adsorpsjonskapasiteten. Adsorpsjonskapasiteten øker ikke lenger med økningen av prøvekonsentrasjonen når prøvekonsentrasjonen ble nådd ved 0,41 mg/g. Ved den lave begynnelseskonsentrasjonen av prøven var de adsorberende aktive stedene tilstrekkelige for adsorpsjon av en relativt liten mengde PhGs-molekyler. I motsetning til dette, ved en høy initiell konsentrasjon av prøven, var den faste mengden aktive steder på adsorbentene ikke i stand til å adsorbere og øke mengden PhGs-molekyler. Dermed har adsorpsjonskapasiteten til CMK-3 for PhGs-molekyler en tendens til å være balansert.
Effekt av pH på adsorpsjonsytelsen til CMK-3
Figur 6 viste effekten av pH på adsorpsjonsytelsen til CMK-3. Det kan sees fra figur 6 at den optimale pH-verdien var 6 for adsorpsjon av PhG av CMK-3. Årsakene er som følger: PhGs hadde et stort antall fenoliske hydroksylgrupper og tilhørte de svake sure molekylene, de forskjellige pH-verdiene påvirket ioniseringen og stabiliteten til PhGs-molekylene. Ioniseringen av fenoliske hydroksylgrupper vil bli hemmet ved en lav pH-verdi, mens stabiliteten til fenoliske hydroksylgrupper på PhGs vil avta ved høy pH-verdi. Den inhiberte ioniseringen av fenoliske hydroksylgrupper på PhGs resulterte i en reduksjon i de elektrostatiske interaksjonene mellom PhGs og CMK-3, noe som reduserte adsorpsjonsytelsen til CMK-3 for PhGs. Dermed var den optimale pH 6 for CMK- 3-adsorpsjon.
Effekt av temperatur på adsorpsjonsytelsen til CMK-3
Temperaturen var en viktig parameter i adsorpsjonsprosessen. Temperatur påvirker ikke bare diffusjonen av PhGs-molekyler ved det ytre grenselaggrensesnittet, men også inne i adsorbentporene. Figur 7 viste effekten av temperatur på adsorpsjonskapasiteten til CMK-3. Adsorpsjonskapasiteten til CMK-3 øker med økt temperatur fra 30 til 60◦C. Det har blitt rapportert at hovedårsaken var at det aktive stedet øker med økende temperatur på grunn av prosessens endoterme natur, og intra-partikkeldiffusjonen av adsorbentene økte med økningen av adsorpsjonstemperaturen (Peng et al., 2015) . I tillegg økte mobiliteten til PhGs-molekylene og deres diffusjonsmotstand avtok med økende temperatur. Adsorpsjonskapasiteten avtar med økende temperatur når temperaturen var 60–80◦C. Det indikerte at adsorpsjonstemperaturen hadde en optimal verdi og PhGs-molekyler kan være ustabile ved høye temperaturer. Derfor ble den optimale adsorpsjonstemperaturen valgt til 60◦C.
De optimale adsorpsjonsbetingelsene for CMK{{0}} var som følger: prøvekonsentrasjonen var 0,41 mg/g, løsningens pH var 6, og adsorpsjonstemperaturen var 60◦C. Under optimale forhold var adsorpsjonskapasiteten til PhG i råekstrakt på CMK -3 358,09 ± 4,13 mg/g, som var mer enn tre ganger adsorpsjonskapasiteten til PhG på makroporøse harpikser (HPD300, 94,93 mg/g) (Liu et al., 2013). I mellomtiden var desorpsjonshastigheten til CMK-3 94,67 prosent høyere enn for makroporøs harpiks.
cistanche supplement
Adsorpsjonsisotermer
Adsorpsjonsisotermene ble vist i figur 8A. Med økningen i likevektskonsentrasjonen økte adsorpsjonskapasiteten for PhG og nådde metningsstatus. For ytterligere å forstå adsorpsjonsytelsen til PhG på CMK- 3, ble adsorpsjonsisotermene til CMK-3 undersøkt ved bruk av Langmuir- og Freundlich-modeller. Parametrene for adsorpsjon ble hentet fra forskjellige modeller gir noe nyttig informasjon om adsorpsjonsmekanismene. Figurene 8B, C avbildet CMK-3-adsorpsjonsisotermene modellert av Langmuir- og Freundlich-modellen.
Langmuir-modellen var basert på antakelsene om at adsorpsjon finner sted på spesifikke homogene steder i adsorbenten, ingen signifikant interaksjon forekommer mellom adsorberte arter, og adsorbenten ble mettet etter ett lag med:
adsorberende molekyler dannes på adsorbentoverflaten. Den lineariserte Langmuir isotermligningen kan skrives som følger:
CE/QE=1 KLqm pluss CE/QM (2)
Freundlich-modellen ble ofte brukt for å beskrive adsorpsjonsegenskapene til flerlags og heterogene overflater (Wu et al., 2017). Dens lineariserte form er gitt som følger:lnqe=lnKF pluss 1n/lnce (3)
der QM (mg/g) er den teoretiske maksimale monolagsadsorpsjonskapasiteten, KL (mL/mg) er Langmuir-konstanten relatert til adsorpsjonsenergien som reflekterer affiniteten mellom adsorbatet og adsorbenten (Wu et al., 2017; He et al. , 2019), KF [(mg/g)•(mL/mg)1/n ] og n er Freundlich-konstantene. KF er en indikator på den relative adsorpsjonskapasiteten, n er relatert til størrelsen på adsorpsjonsdrivkraften og heterogeniteten til bindingsstedene, og 1/n indikerer adsorpsjonens favorabilitet.
Parametrene til isotermmodellene ble oppsummert i tabell 3. Langmuir-modellen var bedre enn Freundlich-modellen for å beskrive adsorpsjonsdataene til PhG på CMK-3, som indikerte at adsorpsjonen av fenyletanoidglykosidene på CMK{{ 2}} var en enkel monolags adsorpsjonsprosess (Wang F. et al., 2017). I tillegg forbedret tilstedeværelsen av oksygenholdige funksjonelle grupper på overflaten av CMK-3 adsorpsjonen av PhG. Den maksimale adsorpsjonsmengden (QM) kan nå 380,70 mg/g som var lik den eksperimentelle verdien. I tillegg ble 1/n-verdien av PhG beregnet til 0,22, som var<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="">
Adsorpsjonskinetikk
CMK-3-adsorpsjonskapasitet ble undersøkt som en funksjon av tid for å bestemme adsorpsjonslikevektstiden i figur 9A. Undersøkelsen viser at likevektsadsorpsjonshastigheten gradvis avtar og jevner seg gradvis ut etter hvert som adsorpsjonskapasiteten nærmer seg likevekt. Det ble funnet at adsorpsjonslikevekten ble nådd etter 14 timer. Den raske innledende adsorpsjonshastigheten kan skyldes den høye konsentrasjonsgradienten mellom PhGs og CMK-3 i løsningen, og overflaten av CMK-3 hadde stor tilgjengelighet av aktive nettsteder.
Adsorpsjonskinetikk ble evaluert ved bruk av pseudo-førsteordens, pseudo-andreordens og intra-partikkeldiffusjonsmodellene. De plottede grafene av pseudo-første-ordens, pseudo-andre-ordens modeller og intra-partikkeldiffusjonsmodeller for adsorpsjon av PhGs på CMK-3 ble vist i henholdsvis figurene 9B–D.
Den lineære formen til kinetikkmodellene uttrykkes som følger: Pseudo-førsteordens (Li et al., 2017a):
log (qe − qt )=logqe − K1/2.303 t (4)
Pseudo-andre orden (Tang et al., 2018):
t/qt=1/K2q2e pluss t/qt (5)
hvor K1 (1/min) og K2 (g/mg·min−1 ) er hastighetskonstantene til henholdsvis pseudo-førsteordens hastighetsligning og pseudo-andreordens hastighetsligning. qe (mg/g) er den teoretiske adsorpsjonskapasiteten ved likevekt.
Intra-partikkeldiffusjonsmodell:
qt=Kpt1/2pluss C (6)
hvor Kp er intra-partikkeldiffusjonskonstanten (mg/g min) og C er refleksjonen av grenselagseffekten (mg/g).
De beregnede verdiene av qe, hastighetskonstanter og korrelasjonskoeffisient er vist i tabell 4. Pseudo-andreordensmodellen ga en R2-verdi på 0.998, mens R2-verdien til pseudo-førsteordensmodellen var 0.84. Det innebærer at pseudo-andre-ordens modellen viser et bedre lineært forhold enn pseudo-første-ordens modellen. Figur 9C viser at de lineære plottene av t/qe vs. t viser god samsvar med de eksperimentelle dataene fra pseudo-andreordensmodellen. Den beregnede qe av pseudo-andre-ordens var ganske lik eksperimentelle data (tabell 4). Disse resultatene indikerte at pseudo-andreordens var en mer passende kinetikkmodell enn pseudo-førsteordens.
Imidlertid kan ikke evalueringsresultatene av pseudo-andre-ordens modellen bestemme den potensielle adsorpsjonsmekanismen. Det ble generelt akseptert at adsorpsjonskinetikk ble kontrollert av diffusjonsmekanismen, som består av ekstern diffusjon, grenselagsdiffusjon og intra-partikkeldiffusjon (Wong et al., 2019). Intra-partikkeldiffusjonsmodellen ble brukt for å bestemme om intra-partikkeldiffusjon var det hastighetsbegrensende trinnet.
Intra-partikkeldiffusjonen ble sagt å være det hastighetsbegrensende trinnet når qt vs. t1/2 var lineær. Intra-partikkeldiffusjonen var det eneste hastighetskontrollerende trinnet når kurven passerer gjennom origo. Det kan sees fra figur 9D, at intra-partikkeldiffusjon ble styrt av to forskjellige stadier. Den første fasen av kurven representerer overflateadsorpsjon. Det andre trinnet indikerer intra-partikkeldiffusjon i CMK-3-porene. Siden intra-partikkeldiffusjonsplottet ikke passerte gjennom origo, indikerte modellen at adsorpsjonsmekanismen var mer enn én mekanisme og intra-partikkeldiffusjon var ikke det eneste hastighetsbegrensende trinnet. Dermed kan det konkluderes med at mekanismen for PhG-adsorpsjon på CMK-3 var kompleks at både den eksterne overflateadsorpsjonen og intra-partikkeldiffusjonen skjedde samtidig.
cistanche
Gjentatt eksperiment
Gjenbrukbarhet var en viktig faktor for å vurdere bruken og verdien av adsorbenter i praktiske applikasjoner. Derfor ble den sykliske adsorpsjonsytelsen til CMK-3 for råekstraktet testet. Figur 10 viste resultatene av syklisk adsorpsjon av CMK-3 for et råekstrakt av Cistanche tubulosa. Det kan observeres fra figur 10 at adsorpsjonskapasiteten til CMK-3 endret seg fra 358,09 ± 4,13 mg/g til 320,78 ± 5,62 mg/g etter tre sykluser med adsorpsjon, noe som indikerte at CMK- 3 hadde god repeterbarhet, og CMK-3 kan brukes gjentatte ganger for å adsorbere fenyletanoidglykosider.
KONKLUSJONER
Adsorpsjonsegenskapene til PhG på de tre typene mesoporøse karboner ble undersøkt og det mesoporøse karbonet før og etter adsorpsjon ble karakterisert. Resultatene viste at CMK{{0}} hadde det største spesifikke overflatearealet og porevolumet blant de tre adsorbentene (CMK- 3, DMC og CMK-8), og det kan adsorbere PhGs-molekyler mer effektive enn DMC og CMK-8 fra ekstraktene av Cistanche tubulosa. Fordi de oksygenholdige funksjonelle gruppene på overflaten av CMK-3 kan gi et stort antall aktive adsorpsjonssteder for PhGs-molekylene. I tillegg ble det dannet hydrogenbindinger mellom hydroksylgrupper av PhG og de oksygenholdige funksjonelle gruppene til CMK- 3. Adsorpsjonskapasiteten til råekstrakt for PhGs var 358,09 ± 4,13 mg/g ved optimale forhold på 0,41 mg/L, pH=6 og 60◦C, og den tilsvarende desorpsjonshastigheten til CMK-3 var 95,02 prosent . Adsorpsjonsdataene viste at adsorpsjon av PhG fulgte tett Langmuir-modellen og pseudo-andre-ordens modeller, intra-partikkeldiffusjonsmodellen antydet at de hastighetsbegrensende adsorpsjonstrinnene var intra-partikkeldiffusjonsmodellen. CMK-3 kan brukes som en potensiell adsorbent for svært effektivt å adsorbere PhG fra Cistanche tubulosa.
cistanche kosttilskudd
ERKLÆRING AV DATA TILGJENGELIGHET
Alle datasett generert for denne studien er inkludert i artikkelen/tilleggsmaterialet.
FORFATTERBIDRAG
HX utførte alle eksperimentene, gjorde datainnsamling, dataanalyse og skrev manuskriptet. WP hjalp til med å analysere FT-IR-dataene og gjorde datainnsamling. XL hjalp til med å forklare noen av de eksperimentelle resultatene og revidere manuskriptet. JZ bidro til den vitenskapelige tolkningen av resultater og reviderte manuskriptet.
FINANSIERING
Vi takker takknemlig for støtten fra National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (Grant No. 21706166), Program for Young Innovative Talents of Shihezi University (CXRC201802), Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (Grant No) . IRT_15R46), og Yangtze-elvens forskningsprosjekt ved Shihezi University (stipend nr. CJXZ201601)
