научная статья по теме ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОЙ АКТИВАЦИИ НА СОРБЦИЮ ФЕНИЛАЛАНИНА НА КЛИНОПТИЛОЛИТОВОМ ТУФЕ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОЙ АКТИВАЦИИ НА СОРБЦИЮ ФЕНИЛАЛАНИНА НА КЛИНОПТИЛОЛИТОВОМ ТУФЕ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЕ ХИМИИ, 2011, том 85, № 12, с. 2365-2369

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 541.183:577.112.382.2:549.67

ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОЙ АКТИВАЦИИ НА СОРБЦИЮ ФЕНИЛАЛАНИНА

НА КЛИНОПТИЛОЛИТОВОМ ТУФЕ

© 2011 г. Д. Л. Котова, До Тхи Лонг, Т. А. Крысанова, В. Ф. Селеменев

Воронежский государственный университет E-mail: kris_SL_TN@mail.ru Поступила в редакцию 10.01.2011 г.

Исследовано влияние кислотной активации на сорбционную способность клиноптилолитового туфа по отношению к фенилаланину. Установлено, что обработка клиноптилолитового туфа 4.0 М соляной кислотой приводит к значительному увеличению сорбции ароматической аминокислоты. Выявлены различные типы взаимодействий в системе кислотноактивированный клиноптилолито-вый туф—вода—ароматическая аминокислота. Показано влияние рН раствора на сорбционный параметр.

Ключевые слова: кислотная активация, клиноптилолитовый туф, сорбция, фенилаланин.

В настоящее время особо актуален поиск новых сорбентов для создания и разработки процессов выделения, разделения и концентрирования биологически активных веществ, в частности аминокислот. В литературе имеются сведения о возможности применения синтетических цеолитов для разделения аминокислот [1—3], основанной на ситовом эффекте, различной гидрофобно-сти аминокислот и рН их раствора. Однако отсутствуют данные о закреплении аминокислот на природных цеолитовых туфах, для которых широко изучены равновесие и кинетика сорбции минеральных ионов [4—6].

Повысить сорбционную способность природных цеолитовых туфов возможно путем химической активации [7]. Известно [8—11], что обработка клиноптилолитового туфа кислотой приводит к его декатионированию и деалюминированию. В процессе кислотной активации происходит замена катионов на оставшихся алюминатных фрагментах каркаса на ион водорода. В результате получается обогащенный кремнием сорбент, отличающийся от исходного меньшей ионообменной емкостью, ионной формой ионообменных центров, большим размером эффективных пор, меньшей гидрофильностью, что играет важную роль при закреплении гидрофобных органических веществ [1—3], в том числе фенилаланина [12—14]. В данной работе представлены результаты изучения влияния кислотной активации на сорбционную способность цеолитового туфа к ароматической аминокислоте — фенилаланину.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследуемый цеолитовый туф Люльинского месторождения (Приполярный Урал, Югра) по данным рентгенофазового анализа представляет собой многофазовую смесь, основной фазой которой является клиноптилолит 68% [15]. Отношение Si/Al = 3.9 позволяет отнести его к высококремнистым и достаточно устойчивым к действию температур и кислот. Обменная емкость клиноп-

тилолитового туфа, определенная по ионам NH+, составляет 1.90 ммоль/г.

В работе использовали ароматическую аминокислоту фенилаланин (Phe) производства фирмы "Reanal" (Венгрия), классификации "ч.д.а.".

Кислотную активацию клиноптилолитового туфа проводили обработкой растворами 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 и 5.0 М соляной кислоты при 295 ± 2 К. Предварительно определив влажность, 1.0 г (±0.0002 г) воздушно-сухого цеолитового туфа (фракция 0.02—0.06 мм) приводили в контакт с 100.0 мл раствора соляной кислоты и выдерживали при непрерывном перемешивании в течение 4 ч при заданной температуре. Согласно кинетическим экспериментальным данным, для всех концентраций соляной кислоты равновесие в системе достигается в течение 4 ч. Сорбент отделяли от раствора фильтрованием и отмывали дистиллированной водой до отсутствия в фильтрате хлорид ионов. В фильтрате определяли количество вытесненных ионов Na+, K+ (методом пламенной фотометрии с Sr = 0.07), Ca2+, Mg2+, Al3+ и Fe3+ (методом комплексонометрии c ошибкой <0.2%).

Сорбционное равновесие в системе клинопти-лолитовый туф (фракция 0.02—0.06 мм)—водный раствор ароматической аминокислоты изучали

2366

КОТОВА и др.

cPhe, ммоль/л

Рис. 1. Изотерма сорбции цвиттер-ионов фенилала-нина Phe± на исходном (1) и кислотноактивирован-ном 4 М HCl (2) клиноптилолитовом туфе.

при температуре 295 ± 2 К в статических условиях методом переменных концентраций [16]. Навеску сорбента 0.10 г (с точностью ±0.0002 г) в воздушно-сухом состоянии приводили в контакт с 200.0 мл раствора аминокислоты известной концентрации и выдерживали при заданной температуре и постоянном перемешивании в течение 24 ч. Сорбцию осуществляли из водных растворов с рН 5.80 в интервале концентраций 1.0 х 10-3— 25.0 х 10-3 моль/л, в котором фенилаланин присутствовал преимущественно в виде цвиттер-ионов. Равновесные фазы отделяли и анализировали содержание ароматической аминокислоты в растворе спектрофотометрически на СФ-46 при аналитической длине волны ^Phe = 257 нм (ошибка 3%). Значение рН исходного и равновесного растворов измеряли потенциометрически на приборе рН 340 (с точностью ±0.05). Растворы с различным значением рН получали добавлением HCl или NaOH.

Рентгенофазовый анализ клиноптилолитового туфа осуществляли на дифрактометре ДРОН 4-07 в автоматическом режиме с шаговым перемещением 0.1° со временем экспозиции в каждой точ-

ке 1 с на Со^а-излучении. ИК-спектры регистрировали на спектрометре "Vertex 70" в интервале частот 400—4000 см-1. Ошибка метода составила 3%. Интерпретацию спектров осуществляли, используя данные литературы [17, 18]. Элементный анализ цеолитового туфа проводили на энергодисперсионной приставке INCA Energy-250 к сканирующему электронному микроскопу JSM-6380LV (ошибка 0.1%).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Сорбция цвиттер-ионов ароматической аминокислоты на исходном клиноптилолотовом туфе незначительна и мало изменяется с ростом ее концентрации во внешнем растворе (рис. 1). Отсутствие обменных катионов в фильтрате позволяет предположить, что закрепление фенилала-нина на сорбенте осуществляется на поверхности и в больших каналах за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий.

При обработке клиноптилолитового туфа раствором HCl происходят деалюминирование с образованием новых силанольных групп и обмен катионов (K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Fe3+) на ион водорода [8—11, 19]. При этом получается водородная форма оставшихся алюминатных фрагментов каркаса. Удаление алюминия из каркаса сорбента при обработке 4.0 М HCl приводит к увеличению отношения Si/Al в образце от 3.9 до 10.5. Изменение показателя Si/Al в образце проявляется в смещении полос поглощения, характерных для колебаний цепочек чередующихся тетраэдров SiO4 и AlO4 в высокочастотную область [20]: 1041 ^ 1072 см-1. На образование силанольных групп в результате деалюминирования указывает появление дополнительных пиков при 931 см-1 и 928 см-1 соответственно для образцов, обработанных 4.0 и 5.0 М кислотой, характеризующих колебания связи Si—O, принадлежащей группам Si-ОН, связанным между собой водородными связями [8]. Интенсивные полосы поглощения при 3754 и 3440 см-1 отвечают колебаниям связи О-Н соответственно в изолированных и водородно-свя-занных силанольных группах Si-OH [21].

Количество катионов, вытесненных из 1.0 г сорбента (Q¡, ммоль/г)

СНС1, моль/л Qca QMg QNa Qk QFe Qai Si/Al

0.5 0.23 0.14 0.01 0.01 0.06 0.51 5.2

1.0 0.26 0.20 0.02 0.01 0.10 0.75 7.0

2.0 0.30 0.44 0.03 0.03 0.18 0.87 8.4

3.0 0.33 0.62 0.06 0.04 0.23 0.95 9.4

4.0 0.36 0.69 0.10 0.07 0.30 1.01 10.5

5.0 0.37 0.70 0.10 0.08 0.32 1.01 10.5

ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОЙ АКТИВАЦИИ НА СОРБЦИЮ ФЕНИЛАЛАНИНА

2367

Согласно данным элементного анализа (таблица), кислотная обработка не полностью удаляет обменные катионы из матрицы сорбента. В отличие от исходного цеолитового туфа, оставшиеся катионы в сорбенте находятся в трудно доступных местах. Можно полагать, что ионообменная способность кислотно активированного клиноптилолитового туфа будет обусловлена присутствием ионов водорода. Его количество, определенное по сумме вытесненных катионов 4 М HCl, составляет 1.27 ммоль/г сорбента (таблица).

Максимальная сорбционная способность достигается при обработке сорбента 4.0 М кислотой (рис. 2). Известно [8—11], что такое изменение сорбционного параметра для кислотно активированного клиноптилолитового туфа обусловлено не только увеличением пор и каналов, доступных для молекул гидрофобной аминокислоты, но и возрастанием его гидрофобно-сти с ростом отношения Si/Al в структуре сорбента. Частичная аморфизация структуры при обработке клиноптилолитового туфа 5.0 М HCl отражается в снижении его сорбционной способности по отношению к ароматической аминокислоте, что, вероятно, связано с образованием кремнекислородной фазы, блокирующей поры и каналы [22].

Межфазное распределение аминокислоты в сорбционном процессе на клиноптилолитовом туфе, обработанном 4.0 М HCl, приведено на рис. 1. S-образный вид изотермы указывает на различные типы взаимодействия в исследуемой систе-

Q, ммоль/г

0 2 4 6

СНС1, моль/л

Рис. 2. Зависимость сорбционной способности клиноптилолитового туфа по отношению к РИе± (с ± =

РИе

= 10.0 ммоль/л) от концентрации соляной кислоты.

ме, что характерно при сорбции из растворов, в которых осуществляются сильные межмолекулярные взаимодействия [1].

В результате кислотной обработки удаление каркасного алюминия приводит к уменьшению количества отрицательно заряженных центров, выступающих в качестве активных при сорбции по ионообменному механизму. Результаты ИК-спек-троскопии указывают, что сорбция цвиттер-ионов фенилаланина по механизму ионного обмена возможна как с вытеснением Н3О+

(а)

(б)

I

—Si— i

0 и+

I I H+ I

—Si-0—Al— 0-Si—

I I I

0

1

—Si—

NH,-CH-CH

C00-

I

так и с переходом протона к СОО- группе Phe±

I NH3

-Si-

I

0 N H -CH

/ \ i I 3 I 4c00-H+

J/ \ -» — Si-n—Al—П-Si—C°° H

—Si-0H +

I

-00C

^ch-CH2-<^

^ — — Si-0---Nh3-ch-ch2 C00- H+

Phe

Электростатическое взаимодействие в системе отражается на ИК-спектрах в смещении частот валентных колебаний групп 81—О—А1 (1072 ^

^ 1055 см-1) и МН +(3480 ^ 3465 см-1) в область низких значений. Протонизация карбонильной группы приводит к появлению интенсивных по-

лос поглощения при 1411 и 1310 см-1, отвечающих связям С—О и О-Н связям, принадлежащим группам -СООН [17, 23]. Максимум при 1760 см-1 характеризует колебания

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком