Del Ⅱ: Cistanche: Meget effektiv adsorption af phenylethanoidglycosider på mesoporøst kulstof
Mar 04, 2022
Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com
Helin Xu, Wenjing Pei, Xueqin Li og Jinli Zhang
Sammenligning af de tre mesoporøse kulstof-adsorptionsydelser
Fordi de tre adsorbenter hovedsageligt er sammensat af kulstof, blev adsorptionsinteraktionen mellem PhG'er og de mesoporøse kulstoffer anset for at være den samme. Derfor blev det anset for, at forskellen i adsorptionsydelse var afledt af forskellen i den fysiske struktur af mesoporøse carboner. Tabel 2 viser adsorptionsydelsen af de tre typer mesoporøse carboner. Det kan ses fra tabel 2, at de tre slags mesoporøse carbonatomer alle kan adsorbere PhG'er, og CMK-3 havde en bedre adsorptionsydelse end CMK-8 og DMC. Dette indikerer, at porestørrelsen af mesoporøse carboner var større end PhGs-molekyler, og porestørrelsen var ikke den vigtigste faktor, der påvirkede adsorptionskapaciteten for de tre mesoporøse carboner. Adsorptionskapaciteten og desorptionshastighederne for CMK-3 var op til henholdsvis 189,37 mg/g og 94,96 procent. Adsorptionskapaciteten for CMK-3 var højere end for CMK-8. Fordi porevolumenet og det specifikke overfladeareal af CMK-3 var større end DMC og CMK-8, indikerede det, at porevolumenet og det specifikke overfladeareal var hovedfaktoren, der påvirkede adsorptionsydelsen.
Optimering af adsorptionsforhold
Optimeringen af adsorptionseksperimentet for CMK-3 er blevet udført ved hjælp af en blanding af både akteosid og echinacosid. Temperatur, pH og koncentration var de vigtigste faktorer, der påvirkede CMK-3-adsorptionsydelse. Således blev virkningerne af disse tre påvirkningsfaktorer på CMK-3 adsorptionsydelse undersøgt.
Effekt af prøvekoncentration på adsorptionsydelse af CMK-3
Effekten af prøvekoncentration på adsorptionsydelsen af CMK{{0}} blev vist i figur 5. Når koncentrationen stiger, øges adsorptionskapaciteten. Adsorptionskapaciteten øges ikke længere med stigningen i prøvekoncentrationen, når prøvekoncentrationen blev nået ved 0,41 mg/g. Ved den lave startkoncentration af prøven var de adsorberende aktive steder tilstrækkelige til adsorptionen af en relativt lille mængde PhGs-molekyler. I modsætning hertil var den faste mængde af aktive steder på adsorbenterne ved en høj initial koncentration af prøven ikke i stand til at adsorption øge mængden af PhGs-molekyler. Adsorptionskapaciteten af CMK-3 for PhGs-molekyler har således en tendens til at være afbalanceret.
Effekt af pH på adsorptionsydelse af CMK-3
Figur 6 viste effekten af pH på adsorptionsydelsen af CMK-3. Det kan ses af figur 6, at den optimale pH-værdi var 6 for adsorptionen af PhG'er af CMK-3. Årsagerne er som følger: PhG'er havde et stort antal phenoliske hydroxylgrupper og tilhørte de svage sure molekyler, de forskellige pH-værdier påvirkede ioniseringen og stabiliteten af PhGs-molekylerne. Ioniseringen af phenoliske hydroxylgrupper ville blive hæmmet ved en lav pH-værdi, mens stabiliteten af phenoliske hydroxylgrupper på PhG'er ville falde ved en høj pH-værdi. Den hæmmede ionisering af phenoliske hydroxylgrupper på PhG'er resulterede i et fald i de elektrostatiske interaktioner mellem PhG'er og CMK-3, hvilket reducerede adsorptionsydelsen af CMK-3 for PhG'er. Således var den optimale pH 6 for CMK- 3-adsorption.
Effekt af temperatur på adsorptionsydelse af CMK-3
Temperaturen var en vigtig parameter i adsorptionsprocessen. Temperatur påvirker ikke kun diffusionen af PhGs-molekyler ved den ydre grænselagsgrænseflade, men også inde i adsorbentporerne. Figur 7 viste effekten af temperatur på adsorptionskapaciteten af CMK-3. Adsorptionskapaciteten af CMK-3 stiger med temperaturen øget fra 30 til 60◦C. Det er blevet rapporteret, at hovedårsagen var, at det aktive sted stiger med stigende temperatur på grund af processens endoterme natur, og intra-partikeldiffusionen af adsorbenterne steg med stigningen i adsorptionstemperaturen (Peng et al., 2015) . Derudover steg mobiliteten af PhGs-molekylerne, og deres diffusionsmodstand faldt med stigende temperatur. Adsorptionskapaciteten falder med stigende temperatur, når temperaturen var 60–80◦C. Det indikerede, at adsorptionstemperaturen havde en optimal værdi, og PhGs-molekyler kan være ustabile ved høje temperaturer. Derfor blev den optimale adsorptionstemperatur valgt til 60◦C.
De optimale adsorptionsbetingelser for CMK {{0}} var som følger: prøvekoncentrationen var 0,41 mg/g, opløsningens pH var 6, og adsorptionstemperaturen var 60◦C. Under optimale forhold var adsorptionskapaciteten af PhG'er i råekstrakt på CMK -3 358,09 ± 4,13 mg/g, hvilket var mere end tre gange adsorptionskapaciteten af PhG'er på makroporøse harpikser (HPD300, 94,93 mg/g) (Liu et al., 2013). I mellemtiden var desorptionshastigheden for CMK-3 94,67 procent højere end for makroporøs harpiks.
cistanche tillæg
Adsorptionsisotermer
Adsorptionsisotermerne blev vist i figur 8A. Med stigningen i ligevægtskoncentrationen steg adsorptionskapaciteten for PhG'er og nåede mætningsstatus. For yderligere at forstå phG'ers adsorptionsydelse på CMK- 3 blev adsorptionsisotermerne af CMK-3 undersøgt ved hjælp af Langmuir- og Freundlich-modeller. Parametrene for adsorption blev opnået fra forskellige modeller giver nogle nyttige oplysninger om adsorptionsmekanismerne. Figur 8B, C afbildede CMK-3-adsorptionsisotermerne modelleret af Langmuir og Freundlich-modellen.
Langmuir-modellen var baseret på antagelserne om, at adsorption finder sted på specifikke homogene steder i adsorbenten, ingen signifikant interaktion forekommer mellem adsorberede arter, og adsorbenten blev mættet efter et lag af:
adsorberende molekyler dannes på den adsorberende overflade. Den lineariserede Langmuir isoterm ligning kan skrives som følger:
CE/QE=1 KLqm plus CE/QM (2)
Freundlich-modellen blev almindeligvis brugt til at beskrive adsorptionsegenskaberne for flerlagede og heterogene overflader (Wu et al., 2017). Dens lineariserede form er givet som følger:lnqe=lnKF plus 1n/lnce (3)
hvor QM (mg/g) er den teoretiske maksimale monolagsadsorptionskapacitet, KL (mL/mg) er Langmuir-konstanten relateret til adsorptionsenergien, hvilket afspejler affiniteten mellem adsorbatet og adsorbenten (Wu et al., 2017; He et al. , 2019), KF [(mg/g)•(mL/mg)1/n] og n er Freundlich-konstanterne. KF er en indikator for den relative adsorptionskapacitet, n er relateret til størrelsen af adsorptionsdrivkraften og heterogeniteten af bindingsstederne, og 1/n indikerer adsorptionens favorabilitet.
Parametrene for isotermmodellerne blev opsummeret i tabel 3. Langmuir-modellen var bedre end Freundlich-modellen til at beskrive adsorptionsdata for PhG'er på CMK-3, hvilket indikerede, at adsorptionen af phenylethanoidglycosiderne på CMK{{ 2}} var en simpel monolagsadsorptionsproces (Wang F. et al., 2017). Derudover øgede tilstedeværelsen af oxygenholdige funktionelle grupper på overfladen af CMK-3 adsorptionen af PhG'er. Den maksimale adsorptionsmængde (QM) kan nå 380,70 mg/g, hvilket svarede til den eksperimentelle værdi. Derudover blev 1/n-værdien af PhG'er beregnet til at være 0,22, hvilket 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="">
Adsorptionskinetik
CMK-3-adsorptionskapaciteter blev undersøgt som en funktion af tiden for at bestemme adsorptionsligevægtstiden i figur 9A. Undersøgelsen viser, at ligevægtsadsorptionshastigheden gradvist aftager og gradvist udjævnes, efterhånden som adsorptionskapaciteten nærmer sig ligevægt. Det blev fundet, at adsorptionsligevægten blev nået efter 14 timer. Den hurtige indledende adsorptionshastighed kan skyldes den høje koncentrationsgradient mellem PhG'erne og CMK-3 i opløsningen, og overfladen af CMK-3 havde stor tilgængelighed af aktive steder.
Adsorptionskinetikken blev evalueret ved anvendelse af pseudo-førsteordens-, pseudo-andenordens- og intrapartikeldiffusionsmodellerne. De plottede grafer af pseudo-førsteordens-, pseudo-andenordensmodeller og intrapartikeldiffusionsmodel for adsorption af PhG'er på CMK-3 blev vist i henholdsvis figur 9B-D.
Den lineære form af kinetikmodellerne er udtrykt som følger: Pseudo-førsteordens (Li et al., 2017a):
log (qe − qt )=logqe − K1/2.303 t (4)
Pseudo-anden orden (Tang et al., 2018):
t/qt=1/K2q2e plus t/qt (5)
hvor K1 (1/min) og K2 (g/mg·min−1 ) er hastighedskonstanterne for henholdsvis pseudo-førsteordens hastighedsligningen og pseudo-andenordens hastighedsligningen. qe (mg/g) er den teoretiske adsorptionskapacitet ved ligevægt.
Intra-partikel diffusionsmodel:
qt=Kpt1/2plus C (6)
hvor Kp er intra-partikeldifffusionskonstanten (mg/g min), og C er refleksionen af grænselagseffekten (mg/g).
De beregnede værdier af qe, hastighedskonstanter og korrelationskoefficient er vist i tabel 4. Pseudo-andenordens modellen gav en R2-værdi på 0.998, mens R2-værdien af pseudo-førsteordensmodellen var 0.84. Det indebærer, at pseudo-andenordens modellen udviser et bedre lineært forhold end pseudo-førsteordensmodellen. Figur 9C viser, at de lineære plots af t/qe vs. t viser god overensstemmelse med de eksperimentelle data fra pseudo-andenordens modellen. Den beregnede qe af pseudo-andenordens var ret lig med eksperimentelle data (tabel 4). Disse resultater indikerede, at pseudo-andenordens var en mere egnet kinetikmodel end pseudo-førsteordens.
Evalueringsresultaterne af pseudo-andenordens-modellen kan imidlertid ikke bestemme den potentielle adsorptionsmekanisme. Det var generelt accepteret, at adsorptionskinetikken blev styret af diffusionsmekanismen, som består af ekstern diffusion, grænselagsdiffusion og intra-partikeldiffusion (Wong et al., 2019). Intra-partikeldiffusionsmodellen blev brugt til at bestemme, om intra-partikeldiffusion var det hastighedsbegrænsende trin.
Intra-partikeldiffusionen siges at være det hastighedsbegrænsende trin, når qt vs. t1/2 var lineær. Intra-partikeldiffusionen var det eneste hastighedskontrollerende trin, når kurven passerer gennem origo. Det kan ses fra figur 9D, at intra-partikeldiffusion blev styret af to forskellige stadier. Den første fase af kurven repræsenterer overfladeadsorption. Det andet trin indikerer intra-partikeldiffusion i CMK-3-porerne. Da intra-partikeldiffusionsplottet ikke passerede gennem oprindelsen, indikerede modellen, at adsorptionsmekanismen var mere end én mekanisme, og intra-partikeldiffusion var ikke det eneste hastighedsbegrænsende trin. Det kan således konkluderes, at mekanismen for PhG-adsorption på CMK-3 var kompleks, at både den ydre overfladeadsorption og intra-partikeldiffusion fandt sted samtidigt.
cistanche
Gentagende eksperiment
Genanvendelighed var en vigtig faktor for at overveje brugen og værdien af adsorbenter i praktiske anvendelser. Derfor blev den cykliske adsorptionsydelse af CMK-3 for råekstraktet testet. Figur 10 viste resultaterne af cyklisk adsorption af CMK-3 for et råekstrakt af Cistanche tubulosa. Det kan ses fra figur 10, at adsorptionskapaciteten af CMK-3 ændrede sig fra 358,09 ± 4,13 mg/g til 320,78 ± 5,62 mg/g efter tre adsorptionscyklusser, hvilket indikerede, at CMK- 3 havde god repeterbarhed, og CMK-3 kan gentagne gange bruges til at adsorbere phenylethanoidglycosider.
KONKLUSIONER
PhG'ernes adsorptionsegenskaber på de tre typer mesoporøse carbonatomer blev undersøgt, og det mesoporøse carbon før og efter adsorption blev karakteriseret. Resultaterne viste, at CMK{{0}} havde det største specifikke overfladeareal og porevolumen blandt de tre adsorbenter (CMK- 3, DMC og CMK-8), og det kan adsorbere PhGs-molekyler mere effektive end DMC og CMK-8 fra ekstrakterne af Cistanche tubulosa. Fordi de oxygenholdige funktionelle grupper på overfladen af CMK-3 kan give et stort antal aktive adsorptionssteder for PhGs-molekylerne. Derudover blev der dannet hydrogenbindinger mellem hydroxylgrupper af PhG'er og de oxygenholdige funktionelle grupper af CMK - 3. Adsorptionskapaciteten af råekstrakt for PhG'er var 358,09 ± 4,13 mg/g ved de optimale betingelser på 0,41 mg/L, pH=6 og 60◦C, og den tilsvarende desorptionshastighed for CMK-3 var 95,02 procent. Adsorptionsdataene udviste, at adsorption af PhG'er fulgte Langmuir-modellen og pseudo-andenordens modeller tæt, intra-partikeldiffusionsmodellen foreslog, at de hastighedsbegrænsende adsorptionstrin var intra-partikeldiffusionsmodellen. CMK-3 kan bruges som en potentiel adsorbent til meget effektivt at adsorbere PhG'er fra Cistanche tubulosa.
cistanche kosttilskud
ERKLÆRING AF DATA TILGÆNGELIGHED
Alle datasæt genereret til denne undersøgelse er inkluderet i artiklen/det supplerende materiale.
FORFATTERS BIDRAG
HX udførte alle eksperimenterne, lavede dataindsamling, dataanalyse og skrev manuskriptet. WP hjalp med at analysere FT-IR-dataene og foretog dataindsamling. XL hjalp med at forklare nogle af de eksperimentelle resultater og revidere manuskriptet. JZ bidrog til den videnskabelige fortolkning af resultater og reviderede manuskriptet.
FINANSIERING
Vi anerkender taknemmeligt støtten fra National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (Grant No. 21706166), Programmet for Young Innovative Talents of Shihezi University (CXRC201802), Programmet for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (Grant No) . IRT_15R46) og Yangtze-floden forskningsprojekt fra Shihezi University (tilskud nr. CJXZ201601)
