Сорбция и концентрирование анионных азокрасителей на наномагнетите, модифицированном катионными полиэлектролитами

Ксения Олеговна  Казимирова; Сергей Николаевич  Штыков

doi:10.17308/sorpchrom.2023.23/11859

Ксения Олеговна Казимирова Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов
Сергей Николаевич Штыков Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов

DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11859

Ключевые слова: пищевые азокрасители, магнитная твердофазная экстракция, наномагнетит, модификация поверхно-сти, полиэтиленимин, хитозан, изотермы и кинетика сорбции, концентрирование.

Аннотация

Методом химического соосаждения синтезированы магнитные наночастицы магнетита (МНЧ), поверхность которых модифицирована биосовместимыми катионными полиэлектролитами полиэтиленимином (ПЭИ) и хитозаном (ХТЗ). МНЧ охарактеризованы методами просвечивающей микроскопии и измерениями дзета-потенциала. Исходные МНЧ имеют форму близкую к сферической и средний размер (10±3) нм. Иммобилизация полиэлектролита на поверхности МНЧ приводит к появлению агрегатов с взаимосвязанной пористой сеткой (оболочкой) вокруг отдельных частиц, со средними размерами (12 ±2) и (15±2) нм для Fe₃O₄@ПЭИ и Fe₃O₄@ХТЗ, соответственно. Детально исследовано влияние различных экспериментальных параметров, таких как pH, время экстракции, количество сорбента и начальная концентрация красителя на адсорбцию и десорбцию пищевых азокрасителей Аллюра красного АС (Е129) и Бриллиантового черного BN (Е151). Показано, что в оптимальных условиях степень извлечения указанных красителей из водных растворов составляет 96-100%, коэффициент концентрирования 2.7×10³ и сорбционная емкость 56 и 94 мг/г на Fe₃O₄@ПЭИ и 46 и 69 мг/г на Fe₃O₄@ХТЗ для Е129 и Е151, соответственно. Сравнение изотерм сорбции и кинетики процесса показало, что модель Ленгмюра и псевдо-первый порядок предпочтительны для описания сорбции красителей. В кислой и нейтральной области ответственными за сорбцию являются электростатические взаимодействия, а в щелочной значительную роль играют также водородная связь и гидрофобные взаимодействия. Предложенные сорбенты могут быть использованы как для сорбции и концентрирования красителей в химическом анализе, так и очистки от них сточных вод. Предпочтительным для использования является наномагнетит, модифицированный полиэтиленимином, который позволяет сорбировать и концентрировать красители в широком интервале рН 6-9.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Ксения Олеговна Казимирова, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов

аспирант, Институт химии СГУ, Саратов, Россия

Сергей Николаевич Штыков, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов

профессор кафедры аналитической химии и химической экологии СГУ, доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Институт химии СГУ, Саратов, Россия

Литература

Smirnov E.V. Food colorings. St. Petersburg: Professiya Publ. House, 2009. 352 p. (In Russ.)

Bolotov V.M., Nechaev A.P., Sarafanova L.A. Pishchevye krasiteli: klassifikaciya, svojstva, analiz, primenenie. SPb.: GIORD, 2008. 240 p. (In Russ.)

Abramsson-Zetterberg L., Ilbdck N.G. The synthetic food coloring agent Allura Red AC (E129) is not genotoxic in a flow cytometry-based micronucleus assay in vivo. Food Chem. Toxicol. 2013; 59: 86-89. https://dx.doi.org/10.1016/j.fct.2013.05.047

European Food Safety Authority. Refined exposure assessment for Allura Red AC (E 129). EFSA J. 2015; 13(2): 4007. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2015.4007

European Food Safety Authority. Refined exposure assessment for Brilliant Black BN (E 151). EFSA J. 2015; 13(1): 3960. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2015.3960

Fernández C., Larrechi M.S., Callao M.P. An analytical overview of processes for removing organic dyes from wastewater effluents. TrAC. Trends Anal. Chem. 2010; 29(10): 1202-1211. https://doi.org/10.1016/j.trac.2010.07.011

Andrade-Eiroa A., Canle M., Leroy-Cancellieri V., Cerdà V. Solid-phase extraction of organic compounds: A critical review (Part I). Trends Anal. Chem. 2016; 80: 641-654. https://doi.org/10.1016/j.trac.2015.08.014

Fontanals N., Marcé R.M., Borrull F. Materials for Solid-Phase Extraction of Organic Compounds. Separations. 2019; 6(4): Article 56. https://doi.org/10.3390/separations6040056

Tikhomirova T.I., Ramazanova G.R., Apyari V.V. Adsorption preconcentration of synthetic anionic food dyes. J. Anal. Chem. 2017; 72(9): 917–934. https://doi.org/10.1134/S1061934817090118

Khal'zova S.A., Zyablov A.N., Duvanova O.V., Selemenev V.F., Kozlov A.T. Sorbciya sinteticheskih krasitelej polimerami s molekulyarnymi otpechatkami. Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy. 2017; 17(1): 156-160. (In Russ.)

Egunova O.R., Konstantinova T.A., SHtykov S.N. Magnitnye nanochasticy magnetita v razdelenii i koncentrirovanii. Izv. Sarat. Univ. Nov. Ser. Ser. Khim. Biol. Ecol. 2014; 14(4): 27-34. (In Russ.) https://doi.org/10.18500/1816-9775-2014-14-4-27-35

Tolmacheva V.V., Apyari V.V., Kochuk E.V., Dmitrienko S.G. Magnetic adsorbents based on iron oxide nanoparticles for the extraction and preconcentration of the organic compounds. J. Anal. Chem. 2016; 71(4): 321-338. https://doi.org/10.1134/S1061934816040079

Nguyen M.D., Tran H.-V., Xu S., Lee T.R. Fe3O4 Nanoparticles: Structures, Synthesis, Magnetic Properties, Surface Functionalization, and Emerging Applications. Appl. Sci. 2021; 11: Article 11301. https://doi.org/10.3390/app112311301

Khabibullin V.R., Chetyrkina M.R., Obydennyy S.I., Maksimov S.V., Stepanov G.V., Shtykov S.N. Study on doxorubicin loading on differently functionalized iron oxide nanoparticles: implications for controlled drug-delivery application. Int. J. Mol. Sci. 2023; 24: Article 4480. https://doi.org/10.3390/ijms24054480

Asfaram A., Ghaedi M., Abidi H., Javadian H., Zoladl M., Sadeghfar F. Synthesis of Fe3O4@CuS@Ni2P-CNTs magnetic nanocomposite for sonochemical-assisted sorption and pre-concentration of trace Allura Red from aqueous samples prior to HPLC-UV detection: CCD-RSM design. Ultrason. Sonochem. 2018; 44: 240-250. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.02.011

Bakheet A.A.A., Zhu X.S. Poly(ionic liquid) immobilized magnetic nanoparticles as sorbent coupled with fluorescence spectrophotometry for separation/analysis of Allura red. J Mol. Liq. 2017; 242: 900-906. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.07.097

Chen H., Deng X., Ding G., Qiao Y. The synthesis, adsorption mechanism and application of polyethyleneimine functionalized magnetic nanoparticles for the analysis of synthetic colorants in candies and beverages. Food Chem. 2019; 293: 340-347. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.04.111

Li Q., Gao Q., Liu W., Zhu X. Choline Proline Ionic Liquid-Functionalized Fe3O4@SiO2 Nanoparticle Magnetic Solid Phase Extraction Coupled with High-Performance Liquid Chromatography for Analysis of Allura Red in Lipstick Sample. J. Cosmet. Sci. 2021; 72: 347-361. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35262478

Oymak T., Dural E. Determination of sunset yellow, allura red, and fast green using a novel magnetic nanoadsorbent modified with Elaeagnus angustifolia based on magnetic solid-phase extraction by HPLC. Braz. J. Pharm. Sci. 2023; 58: Article e20884. https://doi.org/10.1590/s2175-97902022e20884

Wang X., Chen N., Han Q., Yang Z., Wu J., Xue C., Hong J., Zhou X., Jiang H. Selective separation and determination of the synthetic colorants in beverages by magnetic solid-phase dispersion extraction based on a Fe3O4/reduced graphene oxide nanocomposite followed by high-performance liquid chromatography with diode array detectio: Sample Preparation. J. Separ. Sci. 2015; 38: 2167-2173. https://doi.org/10.1002/jssc.201500014

Xi D., Deng X., Li H., Yao P. Preparation and characterization of Fe3O4@nSiO2@mSiO2–NH2 core–shell microspheres for extracting Allura Red from aqueous solution. NANO: Brief Rep. Rev. 2015; 10: Article 1550122. https://doi.org/10.1142/S1793292015501222

Yu Y., Fan Z. Magnetic solid-phase extraction coupled with HPLC for the determination of Allura Red in food and beverage samples. Food Addit. Contam. A. 2016; 33: 1527-1534. http://doi.org/10.1080/19440049.2016.1231937

Bevziuk K., Chebotarev A., Snigur D., Bazel Ya., Fizer M., Sidey V. Spectrophotometric and theoretical studies of the protonation of Allura Red AC and Ponceau 4R. J. Mol. Struct. 2017; 1144: 216-224. http://dx.doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.05.001

Egunova O., Reshetnikova I., Kazimirova K., Shtykov S. Magnetic Solid-Phase Extraction and Fluorimetric Determination of Some Fluoroquinolones. J. Anal. Chem. 2020; 75(1): 24-33. https://doi.org/10.1134/S1061934820010062

Koper G.J.M., van Duijvenbode R.C., Stam D.P.W., Steuerle U., Borkovec M. Synthesis and Protonation Behavior of Comblike Poly(ethyleneimine). Macromolecules. 2003; 36(7): 2500-2507. https://doi.org/10.1021/ma020819s

Crini G., Badot P-M. Application of chitosan, a natural aminopolysaccharide, for dye removal from aqueous solutions by adsorption processes using batch studies: A review of recent literature. Progr. Polym. Sci. 2008; 33: 399-447. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2007.11.001

Egunova O.E., Shtykov S.N. Koncentrirovanie nekotoryh antibiotikov ftorhinolonovogo ryada metodom magnitnoj tverdofaznoj ekstrakcii na nanochasticah magnetita. Sorbcionnye i hromatogr. processy. Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy. 2018; 18(6): 825-835. (In Russ.) https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2018.18/610

Azizian S. Kinetic models of sorption: a theoretical analysis. J. Colloid Interface Sci. 2004; 276: 47-52. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.03.048