CZ303826B6

CZ303826B6 - Zpusob prípravy magnetického kompozitního materiálu, magnetický kompozitní materiál pripravený tímto zpusobem, a pouzití tohoto materiálu

Info

Publication number: CZ303826B6
Application number: CZ20110741A
Authority: CZ
Inventors: Safarík@Ivo; Safaríková@Mirka
Original assignee: Centrum výzkumu globální zmeny AV CR, v.v.i., Ústav nanobiologie a strukturní biologie
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-15
Also published as: CZ2011741A3

Abstract

Magnetické kompozitní materiály se pripravují modifikací existujícího nemagnetického materiálu. Zpusob prípravy magnetického kompozitního materiálu podle resení spocívá v tom, ze se pripraví smes práskové soli zeleza s inertním materiálem a v trecím nebo mlecím zarízení se rozetre po dobu od 1 do 120 minut, poté se pridá nemagnetický materiál a smes je roztírána po dobu od 1 do 120 minut, následne se pridá práskový alkalický hydroxid a smes je roztírána po dobu od 1 do 120 minut. Pritom dochází ke vzniku mikrocástic a nanocástic magnetických oxidu zeleza, které modifikují puvodní nemagnetický materiál, a vzniká tak magnetický kompozitní materiál. Predmetem resení je dále pouzití magnetického kompozitního materiálu jako magnetického adsorbentu pro separaci nebo odstranení cílových biologicky aktivních látek, xenobiotik ci bunek, a/nebo jako magnetického nosice pro navázání cílových biologicky aktivních látek, afinitních ligandu nebo bunek.

Description

(54) Název vynálezu:

Způsob přípravy magnetického kompozitního materiálu, magnetický kompozitní materiál připravený tímto způsobem, a použití tohoto materiálu (57) Anotace:

Magnetické kompozilní materiály se připravují modifikací existujícího nemagn etické ho materiálu. Způsob přípravy magnetického kompozitního materiálu podle řešení spočívá v tom, že se připraví směs práškové soli železa s inertním materiálem a v třecím nebo mlecím zařízení se rozetře po dobu od 1 do 120 minut, poté se přidá nemagnetický materiál a směs je roztírána po dobu od 1 do 120 minut, následně se přidá práškový alkalický hydroxid a směs je roztírána po dobu od 1 do 120 minut. Přitom dochází ke vzniku mikročástic a nanočástic magnetických oxidů železa, které modifikují původní nemagnetický materiál, a vzniká tak magnetický kompozitní materiál. Předmětem řešení je dále použití magnetického kompozitního materiálu jako magnetického adsorbentupro separaci nebo odstranění cílových biologicky aktivních látek, xenobiotik či buněk, a/nebo jako magnetického nosiče pro navázání cílových biologicky aktivních látek, afinitních ligandů nebo buněk.

Způsob přípravy magnetického kompozitního materiálu, magnetický kompozitní materiál připravený tímto způsobem, a použití tohoto materiálu

Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti chemického inženýrství a týká se způsobu přípravy magnetických kompozitních materiálů modifikací již existujícího nemagnetického materiálu, a použití takto připraveného materiálu.

Dosavadní stav techniky

Magnetické kompozitní materiály (tj. kompozitní materiály vykazující odezvu k vnějšímu magnetickému poli) jsou obvykle připravovány vhodnou kombinací nemagnetických (diamagnetických) nebo velmi slabě magnetických (paramagnetických) materiálů s materiály vykazujícími silnou odezvu k vnějšímu magnetickému poli, např. s feromagnetickými, ferimagnetickými nebo superparamagnetickými materiály (zejména s různě velkými částicemi oxidů železa jako jsou magnetit a maghemit nebo různých druhů feritů apod.). Tato magnetická složka kompozitů může být dispergována v polymemí, biopolymemí, nebo anorganické matrici. Alternativně mohou být magnetické částice adsorbovány na povrch diamagnetických modifikovaných materiálů. Ve velké většině případů je magnetická modifikace nemagnetických materiálů integrální součástí přípravy tohoto typu magnetických kompozitních materiálů (Safarik, I., Safarikova, M.: Magnetically responsive nanocomposite materials for bioapplications. Solid State Phenomena 151 (2009) 88 až 94).

Pro vybrané aplikace je však často potřeba magneticky modifikovat již existující nemagnetické nebo velmi slabě magnetické materiály nebiologického i biologického původu; pro tento proces je možno použít označení postmagnetizace. Pro postmagnetizaci nemagnetických materiálů jsou nejčastěji využívány různé typy magnetických kapalin. Za vhodně zvolených reakčních podmínek dochází k precipitaci nanočástic magnetických oxidů železa ajejich agregátů na povrchu a v pórech modifikovaného materiálu. Magnetickou kapalinou modifikované materiály vykazují magnetické vlastnosti a jsou dlouhodobě stabilní (Safarik, I., Lunackova, P. MosiniewiczSzablewska, E., Weyda, F., Safarikova, M.: Adsorption of water-soluble organic dyes on ferrofluid-modified sawdust. Holzforschung 61 (2007) 247 až 253; Mosiniewicz-Szablewska, E., Safarikova, M., Safarik, I.: Magnetic studies of ferrofluid-modified spruce sawdust. J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 6490 až 6496). Základní nevýhodou tohoto postupu (zejména z hlediska možného využití ve větším měřítku) je cena magnetické kapaliny a obtížnost její přípravy v běžné biochemické nebo analogické laboratoři. Rovněž stabilita vodných magnetických kapalin je časově omezená.

Cílem vynálezu je proto vytvoření nového způsobu přípravy magnetických kompozitních materiálů, který by odstraňoval výše uvedené nedostatky, byl by jednoduchý, levný a vhodný pro masové průmyslové využití.

Podstata vynálezu

Tohoto cíle je dosaženo vytvořením způsobu přípravy magnetického kompozitního materiálu modifikací nemagnetického materiálu, podle tohoto vynálezu. Podstata tohoto způsobu spočívá v tom, že se připraví prášková směs soli železa s inertním materiálem a v třecím nebo mlecím zařízení se roztírá po dobu od 1 do 120 minut, poté se přidá nemagnetický materiál ve formě prášku nebo jemných částic a směs se roztírá po dobu od 1 do 120 minut, následně se přidá práškový alkalický hydroxid a směs se roztírá po dobu od 3 do 120 minut. V průběhu meehanochemické

-1 CZ 303826 B6 reakce dochází ke tvorbě magnetických oxidů železa, které se zachycují na nemagnetických materiálech a tím je přeměňují na materiály vykazující odezvu k vnějšímu magnetickému poli.

Ve výhodném provedení způsobu přípravy se směs v každé roztírací fázi přípravy roztírá po 5 dobu od 5 do 30 minut.

Ve výhodném provedení se jako sůl železa použije železnatá sůl, např. chlorid železnatý, síran železnatý nebo jiná sůl dvojmocného železa. Železnatá sůl je obvykle snadno dostupná a relativně levná.

io

V jiném výhodném provedení se jako sůl železa použije směs železnaté a železité soli v molárním poměru 1:2.

Je výhodné, že jako inertní materiál se použije NaCl, což je levný a snadno dostupný materiál. V 15 dalším kroku se do roztírané směsi přidá např. hydroxid draselný nebo hydroxid sodný jako alkalický hydroxid.

Je výhodné, že jako nemagnetický materiál se použije libovolný práškový materiál, např. rostlinný materiál, (bio)polymemí částice, anorganický materiál, mikrobiální biomasa nebo aktivní uhlí ve formě prášku nebo jemných částic. Na práškový materiál se snadno zachycují oxidy železa v důsledku mechanochemické reakce.

Pro lepší stabilizaci se takto připravený magnetický kompozitní materiál opakovaně promyje vodou a vysuší.

Předmětem vynálezu je dále i samotný magnetický kompozitní materiál připravený výše popsaným způsobem.

Předmětem vynálezu je i použití magnetického kompozitního materiálu jako magnetického 30 adsorbentu pro separaci nebo odstranění cílových biologicky aktivních látek, xenobiotik či buněk a/nebo jako magnetického nosiče pro navázání cílových biologicky aktivních látek, afinitních ligandu nebo buněk. K tomuto použití je magnetický kompozitní materiál podle vynálezu zvláště výhodný z důvodu snadné přípravy a magnetických vlastností umožňujících jeho snadnou magnetickou separaci.

Výhoda řešení podle vynálezu spočívá především v tom, že umožňuje jednoduchou, levnou a snadnou přípravu magnetického kompozitního materiálu vhodného pro masové průmyslové nasazení v široké škále aplikací, např. v biotechnologii, environmentální technologii a v dalších oborech.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude blíže objasněn pomocí přiložených výkresů, na nichž znázorňují obr. 1 dřevěné 45 piliny v kádince před provedením magnetizace a obr. 2 dřevěné piliny v kádince po provedené magnetizaci.

Příklady provedení vynálezu 50

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení vynálezu na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experi-2CZ 303826 B6 mentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde speciálně popsána.

Příklad 1

Do třecí misky bylo naváženo 1,35 g FeCl₃ . 6H₂O (0,005 mol), 0,50 g FeCl₂.4H₂O (0,0025 mol) a 4 g NaCl. Směs byla pomocí tloučku důkladně roztírána po dobu 10 minut. Poté byl ke směsi přidán 1 g smrkových pilin (velikost částic byla menší než 0,5 mm) a po důkladném promíchání byla směs dále důkladně tloučkem roztírána po dobu 10 minut. Následně byl ke směsi důkladně vmíchán práškový hydroxid draselný (1,22 g) a směs byla dále důkladně tloučkem roztírána po dobu 10 min. V této fázi došlo k výraznému zhnědnutí směsi, vytvoření částic magnetických oxidů železa a jejich navázání na modifikovaný nemagnetický materiál. V průběhu roztírání je občas možno seškrabat modifikovaný materiál ze stěn třecí misky. Poté byly dřevěné piliny modifikované částicemi magnetických oxidů železa opakovaně promyty vodou a případně vysušeny. Modifikované piliny vykazovaly magnetické vlastnosti.

Příklad 2

Za analogických podmínek jako v příkladu 1 byla provedena modifikace jiných nemagnetických materiálů, např. amylosy, bramborového a kukuřičného škrobu, buněk krmného droždí (Kluyveromyces fragilis), odpadu po přípravě kávy, pylu borovice, amberlitu, jílu, aktivního uhlí nebo oxidu hlinitého.

Příklad 3

Za analogických podmínek jako v příkladu 1 s tím rozdílem, že byla použita pouze železnatá sůl (síran železnatý nebo chlorid železnatý) byla provedena modifikace dřevěných pilin.

Příklad 4

Do nádoby kulového mlýna bylo naváženo 13,5 g FeCl₃.6H₂O (0,05 mol), 5,0 g FeCl₂.4 H₂O (0,025 mol) a 40 g NaCl. Směs byla v kulovém mlýnu homogenizována po dobu 20 minut. Poté bylo ke směsi přidáno 10 g smrkových pilin (velikost částic byla menší než 0,5 mm) a po důkladném promíchání byla směs dále důkladně homogenizována po dobu 10 minut. Následně byl ke směsi důkladně vmíchán práškový hydroxid draselný (12,2 g) a směs byla dále důkladně homogenizována po dobu 20 min. V průběhu homogenizace je občas možno seškrabat modifikovaný materiál ze stěn nádoby. Poté byly dřevěné piliny modifikované částicemi magnetických oxidů železa opakovaně promyty vodou. Modifikované piliny vykazovaly magnetické vlastnosti.

Příklad 5

Za analogických podmínek jako v příkladu 4 byla provedena modifikace jiných nemagnetických materiálů, např. bramborového škrobu, jílu, nebo oxidu hlinitého.

Příklad 6

Magneticky modifikované buňky krmného droždí připravené dle příkladů 1 a 2 byly využity jako magneticky responsibilní biosorbent pro odstraňování vybraných organických xenobiotik, např.

-3CZ 303826 B6 organických barviv. Maximální adsorpční kapacity pro akridinovou oranž, Bismarckovu hněď, kongo červeň, krystalovou violeť a safranin O se pohybovaly v rozmezí mezi 40 a 140 mg barviva na gram vysušeného magnetického kompozitního materiálu.

Příklad 7

Magneticky modifikované dřevěné piliny připravené dle příkladu 1 byly využity jako nosič pro imobilizaci enzymů. Magnetické piliny byly smíchány s roztokem příslušného enzymu (např. io trypsin nebo lipasa), a směs byla inkubována při 4 °C přes noc. Po sedimentaci byl odstraněn roztok enzymu a k nosiči byl přidán roztok glutaraldehydu aby došlo k zesítění adsorbovaných proteinů. Po zesítění byl materiál důkladně promyt vhodným pufrem a imobilizovaný enzym byl využit pro příslušnou enzymovou reakci.

Průmyslová využitelnost

Magnetické kompozitní materiály připravené způsobem podle vynálezu je možno využít v široké škále průmyslových aplikací, např. v biotechnologiích (např. pro isolaci vybraných biologicky aktivních látek při fermentačních procesech nebo pro imobilizaci cílových molekul (např. enzymy nebo afínitní ligandy), příp. celých buněk) a environmentálních technologiích (např. při odstraňování organických xenobiotik, iontů těžkých kovů nebo radionuklidů), kdy magnetické vlastnosti vyvinutých kompozitů umožní jejich selektivní separaci ze systému za využití vhodného magnetického separátoru.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Způsob přípravy magnetického kompozitního materiálu modifikací nemagnetického materiálu, vyznačující se tím, že se připraví prášková směs soli železa s inertním materiálem a v třecím nebo mlecím zařízení se roztírá po dobu od 1 do 120 minut, poté se přidá

35 nemagnetický materiál ve formě prášku nebo jemných částic a směs se roztírá po dobu od 1 do 120 minut, následně se přidá práškový alkalický hydroxid a směs se roztírá po dobu od 1 do 120 minut.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že směs se v každé roztírací fázi

40 přípravy roztírá po dobu od 5 do 30 minut.

3. Způsob podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že jako sůl železa se použije železnatá sůl.

45

4. Způsob podle nároků laž3, vyznačující se tím, že jako sůl železa se použije směs železnaté a železité soli.

5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že železnatá a železitá sůl jsou ve směsi obsaženy v molámím poměru 1:2.

6. Způsob podle alespoň jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že jako inertní materiál se použije NaCl.

-4CZ 303826 B6

7. Způsob podle alespoň jednoho z nároků lažó, vyznačující se tím, že jako alkalický hydroxid se použije hydroxid draselný a/nebo hydroxid sodný.

8. Způsob podle alespoň jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že jako

5 nemagnetický materiál se použije libovolný práškový materiál.

9. Způsob podle alespoň jednoho z nároků laž8, vyznačující se tím, že takto připravený magnetický kompozitní materiál se opakovaně promyje vodou.

io 10. Použití magnetického kompozitního materiálu připraveného způsobem podle alespoň jednoho z nároků 1 až 9 jako magnetického adsorbentu pro separaci nebo odstranění cílových biologicky aktivních látek, xenobiotik či buněk a/nebo jako magnetického nosiče pro navázání cílových biologicky aktivních látek, afinitních ligandů nebo buněk.

1 výkres

-5CZ 303826 B6