СОРБЦИОННОЕ КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ РИБОФЛАВИНА (ВИТАМИНА В 2) НА СОРБЕНТАХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ (АКТИВНЫЙ УГОЛЬ, ОПОКИ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ И МОДИФИЦИРОВАННЫЙ СОРБЕНТ СВ-1-К, ПОЛУЧЕННЫЙ НА ОСНОВЕ ОПОК АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ)
Рубрики: ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ
Авторы:
1.
Астраханский государственный университет
Астрахань, Астраханская область, Россия
Астрахань, Астраханская область, Россия
2.
ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет»
3.
ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет»
4.
ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет»
Тип:
Статья
Страницы:
с 121
по 126
Статус:
Опубликован
Получено:
25.09.2014
Одобрено:
25.09.2014
Опубликовано:
25.09.2014
Классификаторы:
УДК 544.723.21
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
Сорбент, сорбция, адсорбционно-структурные, физико-химические характеристики сорбента, удельная поверхность, витамин, рибофлавин
Аннотация (русский):
Получен новый модифицированный сорбент (СВ-1-К) на основе опок Астраханской области, представляющих собой уникальный поглотитель, способный удалять кислые газы, тяжелые металлы, различные органические и неорганические соединения из воздуха и воды, не нанося вред здоровью человека. Исследованы основные физико-химические и адсорбционно-структурные характеристики полученного сорбента: пористость сорбента по ацетону, суммарный объем пор по воде, содержание влаги, рН водной суспензии, насыпная плотность, истираемость, а также удельная поверхность путем исследования адсорбции изопропанола из растворов различной концентрации. Изучена адсорбция рибофлавина (витамина В 2) на активном угле, опоках Астраханской области и модифицированном сорбенте СВ-1-К. Проведено сравнительное изучение сорбции компонента на рассматриваемых сорбентах. Изучены изотермы статической сорбции рибофлавина из водных растворов, рассчитаны изменение энтальпии (DН), изобарно-изотермического потенциала (DG) и энтропии (DS) сорбции. Рассмотрена кинетика сорбции рибофлавина из водных растворов.
Получен новый модифицированный сорбент (СВ-1-К) на основе опок Астраханской области, представляющих собой уникальный поглотитель, способный удалять кислые газы, тяжелые металлы, различные органические и неорганические соединения из воздуха и воды, не нанося вред здоровью человека. Исследованы основные физико-химические и адсорбционно-структурные характеристики полученного сорбента: пористость сорбента по ацетону, суммарный объем пор по воде, содержание влаги, рН водной суспензии, насыпная плотность, истираемость, а также удельная поверхность путем исследования адсорбции изопропанола из растворов различной концентрации. Изучена адсорбция рибофлавина (витамина В 2) на активном угле, опоках Астраханской области и модифицированном сорбенте СВ-1-К. Проведено сравнительное изучение сорбции компонента на рассматриваемых сорбентах. Изучены изотермы статической сорбции рибофлавина из водных растворов, рассчитаны изменение энтальпии (DН), изобарно-изотермического потенциала (DG) и энтропии (DS) сорбции. Рассмотрена кинетика сорбции рибофлавина из водных растворов.
Ключевые слова:
Сорбент, сорбция, адсорбционно-структурные, физико-химические характеристики сорбента, удельная поверхность, витамин, рибофлавин
Сорбент, сорбция, адсорбционно-структурные, физико-химические характеристики сорбента, удельная поверхность, витамин, рибофлавин
Введение Витамин В2, или рибофлавин (рис. 1), впервые описан в 1879 году как желтый пигмент коровьего молока [1]. Синонимы: овофлавин, лактофлавин, гепатофлавин, вердофлавин и урофлавин. Большинство из этих названий указывают на источник, из которого данный витамин был исходно выделен, т.е. молоко, яйца, печень, растения и моча. Впоследствии он много раз описывался в разные годы как желтый водорастворимый фактор молока, солода, яиц, печени, свиного сердца. Строение рибофлавина установили и подтвердили синтезом в 1935 году одновременно группы П. Каррера и Р. Куна. Представляет собой D-рибитильное производное гетероциклической системы изоаллоксазина; такие производные носят общее название - флавины; из природных источников выделено уже более 20 биологически активных веществ этого типа. Рис. 1. Витамин В2 (рибофлавин) R=H Рибофлавин является одним из наиболее широко распространенных витаминов. Рибофлавин содержится во всех клетках животных и растений, но лишь немногие продукты являются богатыми источниками данного витамина. Наибольшая концентрация рибофлавина обнаруживается в дрожжах и печени, но наиболее распространенными диетическими источниками рибофлавина являются молоко и молочные продукты, мясо, яйца, овощи и зелень. Зерна злаков, хотя и содержат не слишком большое количество рибофлавина, являются важными источниками данного витамина для тех, у кого злаковые составляют основной компонент пищевого рациона. Витаминизированная мука и мучные изделия позволяют получать достаточное количество витамина В2. Рибофлавин из животных продуктов усваивается лучше, чем из растительных источников. В коровьем, овечьем и козьем молоке не менее 90 % рибофлавина находится в свободной форме, в большинстве других источников он обнаруживается связанным с белками. Рибофлавин хорошо растворим в воде (желтокристаллическая окраска). Разрушается при облучении ультрафиолетовыми лучами. Водные растворы обладают желто-зеленой флюоресцирующей окраской, что может использоваться для количественного определения витамина в тех или иных продуктах. Молекула рибофлавина обладает окислительно-восстановительными свойствами; присоединяя два атома водорода, восстанавливается в бесцветное лейкосоединение. Участие в обмене веществ: рибофлавин, всасываясь в кишке, подвергается фосфорилированию и образует два кофермента: флавинмононуклеотид (ФМН) (рис. 2) и флавинаденилдинуклеотид (ФАД) (рис. 3). Рис. 2. Флавинмононуклеотид (ФНМ (FMN)) Рис. 3. Флавинадениндинуклеотид (ФАД) (FAD) Работают эти коферменты в составе флавиновых ферментов - дегидрогеназ, редуктаз. Цитохроморедуктазы и сукцинилдегидрогеназа участвуют в процессе тканевого дыхания, являясь переносчиками ионов водорода. Все вышеперечисленное позволяет сделать вывод о том, что исследования в данной области достаточно актуальны и интересны. Объект и методы исследования Реагенты и аппаратура Раствор рибофлавина (витамина В2) (С=1·10-3 М), ацетатно-аммонийные буферные растворы (pH 1-10), сорбенты (уголь активированный аптекарский), опоки Астраханской области, сорбент СВ-1-К), фотоэлектроколориметр ПЭ-5300в, оборудование лабораторное, химическая посуда. Способ получения сорбента СВ-1-К К 100 г тонкоизмельченных опок Астраханской области с размерами частиц около 0,01 мм в поперечнике прибавляютм 100 см3 карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ). Полученный раствор тщательно перемешивают и дают отстояться, сливают оставшуюся жидкость и заливают 500 см3 дистиллированной воды, постоянно перемешивая. Повторяют процедуру, затем оставляют сорбент на 1 час. Полученный сорбент высушивают в тонком слое при температуре 50-60 °С, постоянно перемешивая [2]. Основные физико-химические и адсорбционно-структурные свойства сорбента представлены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Основные физико-химические характеристики сорбента СВ-1-К Сорбент Диаметр частиц, мм Пористость по ацетону, % Vсум пор по воде · 103, м-3/кг Содержание влаги, % рН водной суспензии СВ-1-К 0,001-20 40 0,97 2,0 6,0 Таблица 2 Основные адсорбционно-структурные характеристики сорбента СВ-1-К Сорбент Диаметр частиц, мм Насыпная плотность, г/см3 Удел. поверхность, м2/г СВ-1-К 0,001-20 0,54 880 Из табл. 1 и 2 видно, что модифицированный сорбент обладает высокими адсорбционными характеристиками, что дает возможность считать, что рассматриваемый сорбент можно использовать для сорбции веществ различных классов. Высокие значения насыпной плотности частиц позволяют сделать вывод о том, что частицы сорбента - достаточно прочные образования, сохраняющие свою форму и размеры при перемешивании, небольших механических воздействиях и при истирании. Построение градуировочного графика В серию из 10 пробирок емкостью 10 см3 вносили 0; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8; 1 см3 раствора рибофлавина (витамина В2) с концентрацией 1·10-3 М, к раствору прибавляли буферный раствор с рН = 3 до 10 см3. Полученные растворы перемешивали и измеряли оптические плотности растворов при 430 нм в кювете толщиной 1,0 см относительно воды. По результатам измерений строили градуировочный график (рис. 4) [3-5]. Рис. 4. Зависимость оптической плотности от концентрации рибофлавина (витамина В2) Результаты и их обсуждение Изучение адсорбции рибофлавина (витамина В2) на активном угле, опоках Астраханской области и сорбенте СВ-1-К В серию из 10 пробирок емкостью 10 см3 вносили 0; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8; 1 см3 раствора рибофлавина (витамина В2) с концентрацией 1·10-3 М, к раствору прибавляли буферный раствор с рН = 3 до 10 см3. В полученный раствор вносили по 0,2 г активного угля (1,0 г опок или сорбента СВ-1-К), встряхивали 3 мин, отстаивали, центрифугировали при 1500 об./мин. Полученные растворы декантировали и измеряли оптические плотности растворов при 430 нм в кювете толщиной 1,0 см относительно воды. Опыты проводили при 277, 298, 313 К. Строили графические зависимости оптической плотности от концентрации рибофлавина. Результаты исследований приведены на рис. 5-7. Рис. 5. Зависимость оптической плотности от концентрации рибофлавина (витамина В2) после сорбции (активный уголь): -▲- 277 К; - ■ - 298 К; - ● - 313 К Рис. 6. Зависимость оптической плотности от концентрации рибофлавина (витамина В2) после сорбции (опоки): -▲- 277 К; - ■ - 298 К; - ● - 313 К Рис. 7. Зависимость оптической плотности от концентрации рибофлавина (витамина В2) после сорбции (сорбент СВ-1-К): -▲- 277 К; - ■ - 298 К; - ● - 313 К По градуировочному графику, используя результаты опытов, определяли равновесные концентрации исследуемого вещества. Строили изотермы сорбции в координатах «сорбция (Г) - равновесная концентрация [c]». Сорбцию (Г) рассчитывали по уравнению (1): Г = (Сисх - [С]·V) / 1000·m, (1) где Сисх - исходная концентрация сорбата, моль/дм3; V - объем исследуемого раствора, см3; [С] - остаточная (равновесная) концентрация сорбата, моль/дм3; m - масса сорбента, г. На рис. 8-10 приведены изотермы сорбции рибофлавина (витамина В2) на сорбентах различных типов. Рис. 8. Влияние температуры на адсорбцию рибофлавина (витамина В2) (активный уголь): -▲- 277 К; - ■ - 298 К; - ● - 313 К Рис. 9. Влияние температуры на адсорбцию рибофлавина (витамина В2) (опоки): -▲- 277 К; - ■ - 298 К; - ● - 313 К Рис. 10. Влияние температуры на адсорбцию рибофлавина (витамина В2) (сорбент СВ-1-К): -▲- 277 К; - ■ - 298 К; - ● - 313 К Изотермы сорбции были перерассчитаны в изотермы уравнения Ленгмюра в прямолинейной форме, а с их использованием были рассчитаны константы сорбции (К) и величины предельной сорбции (Г∞) при 277, 298 и 313 К. По величинам констант сорбции были рассчитаны изменения энтальпии (DН) и изобарно-изотермического потенциала (DG), а с их использованием были рассчитаны значения изменения энтропии (DS) (2-4): ΔH = (RTiTk ln Ki/Kk)/Ti - Tk , (2) ΔGi = -RTi lnKi , (3) ΔSi = (ΔH - ΔGi) / Ti . (4) Результаты опытов и расчетов приведены в табл. 3. Таблица 3 Основные характеристики сорбции рибофлавина (витамина В2) на сорбентах различных типов (n=6, Р=0,95, tp=2,57) Определяемая характеристика Температура, К Активный уголь Опоки Астраханской области Сорбент СВ-1-К Константы сорбции · 10-3 277 0,10±0,01 0,11±0,01 0,11±0,01 298 0,11±0,01 0,12±0,01 0,12±0,01 313 0,13±0,01 0,14±0,01 0,14±0,01 ΔG, кДж/моль 277 24,64±0,2 25,14±2,0 25,17±2,0 298 26,85±2,0 27,20±2,0 27,11±2,0 313 29,21±2,0 28,74±3,0 29,62±3,0 ΔH, кДж/моль 3,10±0,3 2,60±0,2 2,50±0,2 ΔS, Дж·моль/К 277 77,77±7,0 81,00±8,0 81,41±8,0 298 79,69±0,8 82,30±8,0 82,18±8,0 313 84,25±0,8 87,30±8,0 87,10±8,0 Емкость сорбента (Г∞), мг/г 277 4,00±0,4 4,20±0,4 4,4±0,4 298 4,79±0,5 5,00±0,5 5,00±0,5 313 5,88±0,6 6,67±0,7 7,20±0,7 Анализ полученных результатов позволяет сделать заключение о том, что сорбция рибофлавина на сорбентах идет достаточно активно. Отрицательные значения энтальпии и изобарно-изотермического потенциала свидетельствуют о самопроизвольном характере процесса сорбции. Полученные результаты позволяют считать, что происходит образование прочных адсорбционных комплексов, при этом емкость сорбентов по отношению к препарату достаточно высока. Изучение кинетики сорбции рибофлавина (витамина В2) на активном угле, опоках Астраханской области и сорбенте СВ-1-К В колбу с раствором с определенной концентрацией компонента (20 см3 исследуемого раствора с концентрацией 10-3 М) вносили 50 см3 буферного раствора с рН=3 и доводили до 500 см3 дистиллированной водой. В полученный раствор вносили сорбент, одновременно включали секундомер, быстро перемешивали смесь. Полученные растворы исследовали при температурах 298, 277 и 313 К. Через определенные промежутки времени отбирали пробы мутного раствора, отфильтровывали через стеклянный фильтр или центрифугировали их. Отбор проб проводили через определенные промежутки времени до 3 мин. Полученные растворы центрифугировали, а затем снимали оптические плотности при длине волны 430 нм, в кювете толщиной 1,0 см относительно воды. По величинам оптической плотности были построены изотермы кинетики сорбции в координатах «оптическая плотность (А) - время (τ)» (рис. 11-13). Рис. 11. Изотермы кинетики сорбции рибофлавина (витамина В2) (активный уголь): -▲- 277 К; - ■ - 298 К; - ● - 313 К Рис. 12. Изотермы кинетики сорбции рибофлавина (витамина В2) (опоки): -▲- 277 К; - ■ - 298 К; - ● - 313 К Рис. 13. Изотермы кинетики сорбции рибофлавина (витамина В2) (сорбент СВ-1-К): -▲- 277 К; - ■ - 298 К; - ● - 313 К По величинам оптической плотности были построены изотермы кинетики сорбции в координатах «оптическая плотность (А) - время (τ)». По результатам исследований были рассчитаны константы кинетики сорбции, S# и Еакт раствора рибофлавина на различных сорбентах при температурах 277, 298 и 313 К: , (5) где А0 - исходная оптическая плотность; Аi - оптическая плотность в момент времени τ; τ - время, с. По графикам Аррениуса в координатах «ln K - 1/T» рассчитаны величины энергии активации кинетики сорбции (Еакт), а также с использованием уравнения Эйринга изменение энтропии образования сорбционных комплексов (S#): ln PZ0 = 10,36 + ln T + ΔS# / R. (6) В уравнении (6) PZ0 - предэкспоненциальный фактор в уравнении Аррениуса, ∆S# - изменение энтропии активации формирования активированного комплекса, R - газовая постоянная, Т - температура. Результаты расчетов констант кинетики сорбции, Еакт и ∆S# рибофлавина на различных сорбентах приведены.в.табл..4. Таблица 4 Термодинамические характеристики кинетики сорбции рибофлавина (витамина В2) на различных сорбентах (n=6, Р=0,95, tp=2,57) Определяемая характеристика Температура, К Активный уголь Опоки Астраханской области Сорбент СВ-1-К Константы скоростей К×10-2 с-1 при температурах, К 277 4,10±0,4 11,50±1,0 40,24±4,0 298 4,70±0,4 12,60±1,0 45,73±4,5 313 5,20±0,5 13,60±1,1 49,82±5,0 Еакт, кДж/моль В пределах от 277 до 313 К 3,49±0,3 2,40±0,2 2,90±0,3 DS#, Дж/моль×К 277 1,90±0,2 1,93±0,2 1,93±0,2 298 1,92±0,2 1,94±0,2 1,94±0,2 313 2,00±0,2 2,15±0,2 1,99±0,2 Выводы Практически для всех изученных сорбционных процессов характерен достаточно крутой начальный участок изотерм кинетики сорбции. Как видно из результатов опытов, сорбция протекает достаточно быстро, и заканчивается в течение минуты, что позволяет сделать вывод о том, что сорбат практически полностью сорбируется на сорбентах. Получен- ные в ходе исследований результаты позволяют подтвердить предположение о возможности сорбционного концентрирования компонента на сорбентах различных классов. Это даст возможность для создания новых энтеросорбентов с определенными свойствами, благодаря варьированию компонентов поглощаемых.из.растворов.
1. Машковский, М.Д. Лекарственные средства: в 2 т. / М.Д. Машковский. - М.: Новая Волна, 2002. - Т. 1. - 540 с.
2. Шачнева, Е.Ю. Физико-химия адсорбции флокулянтов и синтетических поверхностно-активных веществ на сорбенте СВ-1-А: дис. … канд. хим. наук: 02.00.04., Махачкала, 2011. - 139 с.
3. Адсорбция кадмия из водных растворов на модифицированных сорбентах / Е.Ю. Шачнев, Н.М. Алыков, Д.Е. Арчибасова // Техника и технология пищевых продуктов. - 2012. - № 4. - С.171-176.
4. Извлечение кадмия из водных растворов нефтяных месторождений модифицированными сорбентами / Е.Ю. Шачнев, Н.М. Алыков, Д.Е. Арчибасова // Геология, география и глобальная энергия. - 2012. - № 3. - С.114-123.
5. Адсорбция меди и цинка из водных растворов активными углями / Е.Ю. Шачнева, А.С. Зухайраева, Э.М. Магомедова // Наука Красноярья. - Красноярск. - № 1. - 2013. - С.199-214.
