CTAB和雞蛋殼膜對(duì)碳酸鈣晶型影響

白 燕, 陳 東, 李 丹, 蔡訓(xùn)志, 孫宏元

(瓊州學(xué)院 食品學(xué)院 海南 三亞 572022)

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CTAB和雞蛋殼膜對(duì)碳酸鈣晶型影響

白 燕, 陳 東, 李 丹, 蔡訓(xùn)志, 孫宏元

(瓊州學(xué)院 食品學(xué)院 海南 三亞 572022)

以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB), 雞蛋殼膜為模板, 考察CTAB濃度, 反應(yīng)溫度和雞蛋殼膜朝向?qū)μ妓徕}晶型的影響. 發(fā)現(xiàn)生成的碳酸鈣是方解石和文石的混合物, 增大CTAB的濃度有利于文石的形成; 溫度較高時(shí), 還生成球霰石; 改變膜的朝向也會(huì)對(duì)碳酸鈣晶型有影響.

碳酸鈣; 十六烷基三甲基溴化銨; 雞蛋殼膜

0 引言

碳酸鈣因?yàn)樵谧匀唤缰写罅看嬖诤推鋸V泛的工業(yè)應(yīng)用而備受關(guān)注[1-2].所謂生物礦化是生物體制造無(wú)機(jī)物質(zhì)的過(guò)程. 在自然界中, 碳酸鈣廣泛存在于海貝, 珊瑚, 顆石藻等生物中, 也是人們仿生礦化的重要研究對(duì)象, 希望由此得到具有特殊性質(zhì)的材料[3].

表面活性劑是既有親水基團(tuán)又有疏水基團(tuán)的兩性分子, 這種結(jié)構(gòu)決定了其在溶液以及固體溶液界面表現(xiàn)出特殊行為. 低濃度的表面活性劑吸附在各種界面上, 從而降低過(guò)程的自由能. 高濃度時(shí), 各種界面上表面活性劑都達(dá)到飽和吸附, 表面活性劑會(huì)自組裝形成超分子聚集體. 表面活性劑在很多仿生礦化過(guò)程中起到了模板的作用[4]. 十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為一種表面活性劑, 很容易形成多種聚集體, 常作為模板來(lái)仿生合成碳酸鈣. Yu等[5]研究了CTAB對(duì)碳酸鈣形貌和晶型的影響, 發(fā)現(xiàn)在25℃時(shí), CTAB的存在對(duì)二者影響不大, 為菱面體形的方解石; 但在80℃時(shí), CTAB存在時(shí), 生成的碳酸鈣為胡須狀的文石. 李書霞等[6]發(fā)現(xiàn)CTAB濃度的增大對(duì)碳酸鈣的形貌和尺寸都沒(méi)有影響. 楊效登等[7]在O-羥基異丙基殼聚糖與CTAB的混合溶液中制備了碳酸鈣, 探討了碳酸鈣在此混合溶液中可能的形成機(jī)理.

雞蛋殼膜在雞蛋殼的形成過(guò)程中起到了重要的作用, 因而在仿生礦化研究中也受到了人們的關(guān)注. 雞蛋殼膜可以控制反應(yīng)物的擴(kuò)散速度, 從而影響所得碳酸鈣的形貌[8], 例如形成花型碳酸鈣[9]. Rodríguez-Navarro等[10]報(bào)道蛋殼的生成源于盤狀無(wú)定形碳酸鈣的積聚. 這種結(jié)構(gòu)促進(jìn)了有方解石短程有序結(jié)構(gòu)的無(wú)定形碳酸鈣的成核和穩(wěn)定, 從而決定了天然蛋殼的方解石組分.

本文以雞蛋殼膜和CTAB為模板, 考察雞蛋殼膜與CTAB的協(xié)同作用對(duì)碳酸鈣晶型的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

無(wú)水氯化鈣(西隴化工股份有限公司),CTAB(Sigma分裝), 無(wú)水乙醇(西隴化工股份有限公司)均為分析純?cè)噭? 無(wú)水碳酸鈉(天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司)為優(yōu)級(jí)純?cè)噭? 所用雞蛋殼膜為市售雞蛋人工剝離得到.

試管中裝入一定濃度CTAB/CaCl2(1.47×10-2mol·dm-3)溶液, 用雞蛋殼膜覆蓋試管口且內(nèi)膜朝向CaCl2溶液(與蛋清相連的為內(nèi)膜, 與蛋殼相連的為外膜). 將試管倒立于裝有Na2CO3溶液(5.90×10-2mol·dm-3)的大燒杯中, 恒溫反應(yīng)32小時(shí). 去離子水, 無(wú)水乙醇各洗滌三次, 然后真空干燥三小時(shí). 改變雞蛋殼膜的朝向, 重復(fù)上述操作.

樣品在傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR, IRAffinity-1)上測(cè)試, 固體KBr壓片(掃描范圍4000-400cm-1, 掃描次數(shù)10次, 分辨率4 cm-1). 碳酸鈣樣品晶型通過(guò)X射線粉末衍射(XRD)儀來(lái)測(cè)定, 以Cu Kα(λ=0.15418nm)為輻射源.

2 結(jié)果與討論

2.1 CTAB濃度的影響

圖1 碳酸鈣的紅外光譜圖(外膜朝向Na2CO3, 34℃)cCTAB/(10-5 mol·dm-3)： a, 0 b, 1.93 c, 3.86 d, 5.79 e, 7.72 f, 9.65

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[11], 方解石型碳酸鈣晶體的FTIR譜特征峰為876 cm-1和712 cm-1; 球霰石型碳酸鈣晶體的特征峰為876 cm-1和745 cm-1; 文石型碳酸鈣晶體的特征峰為855 cm-1和712 cm-1. 從CTAB的濃度對(duì)碳酸鈣紅外光譜的影響(圖 1)可以看到, 在873.7 cm-1、713.7 cm-1和852.5 cm-1處均有吸收峰, 說(shuō)明所得碳酸鈣是方解石和文石的混合物. 沒(méi)有CTAB時(shí)(圖 1a), 873.7 cm-1處的吸收峰較大, 可知主要是方解石; 加入一定量的CTAB后(圖 1c-f), 852.5 cm-1處的吸收峰較高, 則文石的比例較大. 在其它溫度和膜朝向的時(shí)候, 改變CTAB的濃度, 也會(huì)對(duì)碳酸鈣的晶型產(chǎn)生類似的結(jié)果(圖 2左). 當(dāng)溫度較高且外膜朝向CaCl2時(shí), 一部分CTAB溶液中形成的晶體還在744 cm-1出現(xiàn)吸收峰(圖 2右-圖 4), 說(shuō)明形成的是文石, 方解石, 球霰石三者的混合物. X射線粉末衍射(XRD)的結(jié)果也證明了在圖示條件下, 文石, 方解石, 球霰石都存在(圖 5).

圖2 碳酸鈣的紅外光譜圖(外膜朝向Na2CO3, 左39℃, 右44℃)cCTAB/(10-5 mol·dm-3)： a, 0 b, 1.93 c, 3.86 d, 5.79 e, 7.72 f, 9.65

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[5-6], 在實(shí)驗(yàn)溫度較低時(shí), CTAB的存在對(duì)碳酸鈣的晶型和形貌的影響不大. 而本文實(shí)驗(yàn)證明, CTAB在雞蛋殼膜存在時(shí)有利于文石及球霰石的生成, 說(shuō)明雞蛋殼膜起到了調(diào)控碳酸鈣晶型的作用. 而CTAB的主要作用是其在碳酸鈣表面的吸附有利于文石及球霰石的生成. 這與文獻(xiàn)[7]報(bào)道的CTAB形成膠束, 碳酸鈣在膠束中成核, 然后再結(jié)晶的過(guò)程不同. 本文實(shí)驗(yàn)中用到的CTAB的濃度均小于CTAB的臨界膠束濃度(7.6×10-4mol·dm-3)[12], 此時(shí)并沒(méi)有形成超分子聚集體.

波數(shù)/cm-1圖3 碳酸鈣的紅外光譜圖(外膜朝向CaCl2, 34℃)cCTAB/(10-5 mol·dm-3)： a, 0 b, 1.93 c, 3.86 d, 5.79 e, 7.72 f, 9.65

圖4 碳酸鈣的紅外光譜圖(外膜朝向CaCl2, 左39℃, 右44℃)cCTAB/(10-5 mol·dm-3)： a, 0 b, 1.93 c, 3.86 d, 5.79 e, 7.72 f, 9.65

圖5 碳酸鈣的XRD圖(外膜朝向CaCl2, 44℃, cCTAB=5.79×10-5mol·dm-3)a, 文石 c, 方解石 v, 球霰石

2.2 溫度的影響

由不同溫度下所得碳酸鈣的紅外光譜圖(圖 6左)可見(jiàn), 所得產(chǎn)物仍然是方解石和文石的混合物. 但升高溫度后, 852.5 cm-1處的特征峰顯著增大, 說(shuō)明升溫有利于文石的生成. 在CTAB的濃度較大時(shí)(圖 6右), 升高溫度還會(huì)在742.6 cm-1處出現(xiàn)吸收峰, 說(shuō)明同時(shí)還有球霰石, 所得碳酸鈣是方解石, 文石和球霰石的混合物.

a, 34℃ b, 44℃ c, 39℃圖6 不同溫度下所得碳酸鈣的紅外光譜圖外膜朝向Na2CO3, cCTAB=1.93×10-5 mol·dm-3(左),cCTAB=9.65×10-5 mol·dm-3(右)

2.3 雞蛋殼膜朝向的影響

在沒(méi)有CTAB(圖 1a和圖3a), 外膜朝向Na2CO3時(shí)(圖 1a), 生成的主要是方解石, 外膜朝向CaCl2(圖 3a), 生成的主要是文石; 加入CTAB后(圖 1b-f和圖 3b-f), 改變膜的朝向, 文石所占的比例更多. 外膜朝向Na2CO3時(shí), 在44 ℃時(shí)才有球霰石出現(xiàn); 而外膜朝向CaCl2時(shí), 在34℃下就有球霰石的生成, 說(shuō)明膜的朝向?qū)μ妓徕}的晶型也有影響.

3 結(jié)論

無(wú)CTAB, 且外膜朝向Na2CO3時(shí), 生成的碳酸鈣是方解石和文石的混合物, 且主要是方解石; 加入CTAB后主要是文石. 升高溫度, 也有利于文石的生成, 并且在CTAB濃度較大時(shí), 出現(xiàn)了球霰石型碳酸鈣. 改變膜的朝向, 外膜由朝向Na2CO3變成朝向CaCl2, 同樣有利于文石的生成, 也會(huì)出現(xiàn)文石, 方解石, 球霰石三種晶型的混合物.

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Effect of CTAB and Eggshell Membrane on the Crystallization of Calcium Carbonate

BAI Yan, CHEN Dong, LI Dan, CAI XU-zhi, SUN Hong-yuan

(College of Food Science and Technology, Qiongzhou University, Sanya Hainan，572022,China)

The effect of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and eggshell membrane on the crystallization of calcium carbonate was studied by FTIR and XRD measurement. Investigated was the influence of the concentration of CTAB, temperature and the surface of the eggshell membrane which faces the Na2CO3solution. The calcium carbonate is a mixture of aragonite and calcite. It was found that aragonite is the key component of calcium carbonate in the presence of CTAB. The main composition is aragonite when the inner surface of the eggshell membrane faces the sodium carbonate, whereas it is calcite when the outer surface of the eggshell membrane faces the sodium carbonate. At a high temperature, it is a mixture of aragonite, calcite and vaterite.

Calcium Carbonate; cetyltrimethylammonium bromide; eggshell membrane

2015-09-11

瓊州學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(QYXB201004)

白燕(1982- ), 女, 山東淄博人, 瓊州學(xué)院食品學(xué)院講師,博士,研究方向?yàn)槟z體與界面化學(xué).

TQ127.1+3

A

1008-6722(2015) 05-0041-05

10.13307/j.issn.1008-6722．2015．05．10