4級化SBAのアルキル鎖長

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5170 (2023) この記事を引用

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Santa Barbara Amorphous-15 (SBA) は、安定したメソポーラスシリカ材料です。アルキル鎖を持つ 4 級化 SBA-15 (QSBA) は、アンモニウム基の N+ 部分を介してアニオン分子に対して静電引力を示しますが、そのアルキル鎖の長さによって疎水性相互作用が決まります。この研究では、トリメチル、ジメチルオクチル、ジメトオクタデシル基 (それぞれ C1QSBA、C8QSBA、C18QSBA) を使用して、異なるアルキル鎖長を持つ QSBA を合成しました。カルバマゼピン (CBZ) は広く処方されている医薬品化合物ですが、従来の水処理では除去するのが困難です。 QSBA の CBZ 吸着特性を調べ、アルキル鎖長と溶液条件 (pH とイオン強度) を変化させることにより、その吸着メカニズムを決定しました。アルキル鎖が長いと吸着が遅くなります（最大 120 分）が、平衡時の QSBA の単位質量当たりの CBZ の吸着量はアルキル鎖が長いほど多くなります。 C1QSBA、C8QSBA、およびC18QSBAの最大吸着容量は、ラングミュアモデルを使用して得られたように、それぞれ3.14、6.56、および24.5 mg/gでした。テストした初期 CBZ 濃度 (2 ～ 100 mg/L) では、アルキル鎖の長さが増加するにつれて吸着容量が増加しました。 CBZ は容易には解離しないため (pKa = 13.9)、pH の変化にもかかわらず安定した疎水性吸着が観察されました (C1QSBA、C8QSBA、および C18QSBA についてそれぞれ 0.41 ～ 0.92、1.70 ～ 2.24、および 7.56 ～ 9.10 mg/g)。例外は pH 2 でした。イオン強度を 0.1 mM から 100 mM に増加させると、C18QSBA の吸着容量が 9.27 ± 0.42 から 14.94 ± 0.17 mg/g に増加しました。これは、N+ の静電引力が減少する一方、疎水性相互作用が増加したためです。したがって、イオン強度は、溶液の pH よりも CBZ の疎水性吸着を決定する強力な制御因子でした。アルキル鎖の長さに依存する疎水性の変化に基づいて、CBZ の吸着を強化し、吸着メカニズムを詳細に調べることができました。したがって、この研究は、QSBA の分子構造と溶液条件を制御することにより、医薬品に適した吸着剤の開発に役立ちます。

医薬品およびパーソナルケア製品 (PPCP) の生産、消費、環境への放出が増え続けることは、世界的な懸念となっています 1,2。カルバマゼピン (CBZ) は、てんかんおよび精神病の治療に最も広く処方されている 4 つの医薬品のうちの 1 つです3,4。 CBZ は広範に使用され、耐久性が高く、分解性が低いため、下水、地表水、地下水、飲料水からも検出されています 4,5。 CBZ は従来の水処理では適切に処理できません。したがって、ろ過6、7、8、生物学的プロセス9、高度な酸化方法5、8、9、10、11、12、凝集/凝集/沈降13、14、および吸着3、14、15、16、17、18、19、20。研究されているさまざまな方法の中で、吸着は設計がシンプルで、実行が簡単で、コスト効率が高く、副生成物が発生しないため、特に魅力的です 15,16。

炭素系材料（CBM）は高い比表面積と疎水性を備えているため、さまざまな分野での使用が検討されています21、22、23。また、有機化合物に対する高い吸着容量を備えた吸着剤としての使用についても広く研究されています24、25、26、27、28。 Zhu et al.29 は、pH 7 での解離に関するオクタノール/水分配係数が、使用される多孔質吸着剤または CBM の吸着性能に比例すると報告しました。彼らは、疎水性相互作用またはπ-π相互作用がPPCP吸着の主要なメカニズムであることを示唆しました。したがって、問題の PPCP と使用される吸着剤の間の疎水性相互作用は、吸着プロセスに決定的な影響を及ぼします。有機分子の pKa は、プロトン化または脱プロトン化が起こる特定の pH を決定します。したがって、PPCP は pH < pKa で脱プロトン化して陰イオンを形成し、使用される CBM と PPCP 間の疎水性相互作用を阻害します 30,31。さらに、水相のイオン強度も親水性と疎水性の相互作用に影響します32。したがって、代表的な永続性 PPCP であり、生物学的および物理化学的分解を受けにくい CBZ の吸着効率は、使用する吸着剤の疎水性や pH やイオン強度などの環境条件に基づいて制御できます。

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>

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