CC BY
96
http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2226-7425-2018-20-2-93-97
УДК 544.723.212+615.322
ПОИСК ЭФФЕКТИВНЫХ СОРБЕНТОВ ПУТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ УДЕЛЬНОЙ АДСОРБЦИИ
Хлытина А.А., Матюшин А.А.
ФГАОУ ВО Первый московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова (Сеченовский университет), г. Москва, Российская Федерация
Аннотация. В статье представлены результаты экспериментального изучения сорбционных свойств ряда лекарственных препаратов и пищевых продуктов в отношении кислот и солей тяжёлых металлов, способных вызывать отравления у человека. Сорбционные свойства оценивались методом низкотемпературной адсорбции газообразного азота. Авторами продемонстрировано, что наиболее эффективным сорбентом из группы изученных лекарственных препаратов в отношении разных химических веществ является уголь активированный, что обуславливается его большой полной удельной поверхностью. Среди исследованных пищевых продуктов удовлетворительные результаты показали морская капуста и пшеничные отруби. Полученные результаты могут быть полезны, в частности, при разработке новых лекарственных средств для оценки влияния приема пищи на их адсорбцию из желудочно-кишечного тракта.
Ключевые слова: химическая адсорбция, физическая адсорбция, адсорбент, удельная поверхность, лекарственные средства.
Процессы как физической, так и химической адсорбции широко распространены в природе и в течении длительного времени широко используется в медицине, преимущественно для лечения отравлений. По данным Всемирной Организации Здравоохранения, острые и хронические отравления, вызывающие интоксикацию организма, представляют серьезную угрозу для здоровья людей во всем мире. Острые отравления являются одной из основных причин, приводящих к существенному ущербу для здоровья в Российской Федерации. Это обуславливает актуальность разработки новых адсорбционных препаратов, поскольку в настоящее время отсутствуют универсальные сорбенты, способные с равной эффективностью адсорбировать различные химические вещества, а также биологические объекты (бактерии и вирусы) при приёме внутрь в пределах желудочно-кишечного тракта человека.
Зачастую, в экстренных случаях при отсутствии необходимых лекарственных препаратов их заменителями могут стать природные объекты и некоторые пищевые продукты. Необходимые знания об их сорбци-онных возможностях оперативно и относительно эффективно устранить некоторые факторы, приведший к возникновению отравления, или снизить степень их воздействия. Необходимо отметить, что в данном случае можно говорить только об отравлениях, возникших в результате попадания токсиканта в организм человека через желудочно-кишечный тракт.
Вышеизложенное определило цель настоящего исследования - выявить среди ряда исследованных природных пищевых продуктов и лекарственных средств наиболее эффективный адсорбент.
Материалы и методы. Помимо таких природных сорбентов, как лигнин, хитин, целлюлоза, пектин, активированный уголь, используемых при производстве лекарственных препаратов, к природным сорбентам относится и клетчатка, которая является основным компонентом многих пищевых продуктов растительного происхождения. Клетчатка выводит из организма токсические вещества, шлаки, непереваренные и гниющие в кишечнике остатки пищи, патогенные микроорганизмы и т.д. Большое количество клетчатки содержится в таких пищевых продуктах, как картофель; отруби злаковых культур; продукты переработки злаковых культур (слайсы), зеленые культуры; морские водоросли и др.
Исходя из этого, в качестве объектов для определения и последующего сравнения адсорбционной активности были выбраны: лекарственные препараты - Белый уголь, таблетки (ООО «ОМНИФАРМАКИЕВ», Украина); Полисорб МП, порошок для приготовления суспензии для приема внутрь (ЗАО «Полисорб», Россия); Полифепан, порошок для приёма внутрь (ЗАО «Сайнтек», Россия); Уголь активированный МС, таблетки (ОАО «Сорбент», Россия); Гастал, таблетки для рассасывания (Тева Оперейшнс Поланд, Польша);
МКЦ Анкир-Б (ЗАО «Эвалар», Россия), а также пищевые продукты - Суши Нори, морские водоросли для приготовления суши и роллов (Китай); Отруби пшеничные диетические «Дивинка» (ООО «ТД «Ди-винка», Россия); Слайсы пшеничные (ООО «Квантсер-вер», Россия); Укроп сушеный (ООО «Айдиго», Россия); Петрушка сушеная (ООО «Айдиго, Россия); Крахмал картофельный (ООО «Аллегро-специи», Россия).
Природа сорбента оказывает влияние на величину его удельной адсорбции. Самыми значимыми показателями с точки зрения эффективности применения адсорбента являются его пористость и полная удельная поверхность [1, 2, 3].
Для определения удельной адсорбции из растворов в качестве объектов исследования были использованы следующие химические вещества: уксусная кислота пищевая (ГОСТ Р 55982-2014); борная кислота (ГОСТ 18704-78); алюминий азотнокислый (ГОСТ 3757-75).
Экспериментальная часть состояла из нескольких этапов:
1) определение полной удельной поверхности выбранных лекарственных препаратов и пищевых продуктов для получения информации об их потенциальных возможностях как адсорбентов;
2) определение удельной адсорбции уксусной кислоты, борной кислоты и азотнокислого алюминия из их водных растворов различных концентраций на исследуемых лекарственных препаратах и пищевых продуктах;
3) определение исходных и равновесных (после проведения процесса адсорбции) концентраций определяемых компонентов с использованием аналитических методов.
Измерение полной удельной поверхности Sуд (м2/г) (ПУП) гранулированных, порошковых и других твердых материалов осуществлялось на лабораторной установке FlowSorb II 2300 (Мюштегй^, США) методом низкотемпературной адсорбции газообразного азота. Эксперименты по определению удельной адсорбции лекарственных препаратов и пищевых продуктов из водных растворов уксусной, борной кислот и азотнокислого алюминия проводились аналогично методике, представленной в работе [4]. Концентрацию алюминия в растворе определяли по методике ГОСТ 10398-76 «Комплексонометрический метод определения содержания основного вещества», концентрацию
борной кислоты определяли по методике потенцио-метрического титрования с использованием комплек-сообразователя [5]. Для определения в растворе концентрации уксусной кислоты использовалась стандартная методика кислотно-основного титрования с использованием фенолфталеина в качестве индикатора.
Исследуемые образцы лекарственных препаратов и пищевых продуктов предварительно истирали в фарфоровой ступке до однородного состояния. Растворы для определения удельной адсорбции готовили следующим образом. В коническую колбу вместимостью 250 мл при помощи мерного цилиндра помещали 100 мл водного раствора уксусной кислоты (0,14 моль/л), борной кислоты (0,19 моль/л) или раствора нитрата алюминия (0,011 моль/л). Во вторую коническую колбу также помещали 100 мл исходного раствора, затем приливали 100 мл воды дистиллированной и перемешивали содержимое колбы. Затем 100 мл полученного разбавленного раствора переносили в третью коническую колбу и т.д., до получения 5 последовательных разведений (Растворы 1-5). В каждую колбу с растворами помещали по 1,0 г измельчённого исследуемого образца, колбы закрывали резиновыми пробками и перемешивали содержимое колб на устройстве для перемешивания колб в течение 1 часа.
По истечении указанного времени суспензии отфильтровывали через фильтр «белая лента» в чистые сухие колбы вместимостью 250 мл. Первые порции фильтратов (20-30 мл) отбрасывали из-за возможного сорбционного эффекта фильтровальной бумаги.
В полученных фильтратах определяли равновесные концентрации уксусной кислоты, борной кислоты, алюминия.
Результаты по основным параметрам аналитического определения заносили в таблицы 2-4. Рассчитывали количества веществ Правн для каждого эксперимента. Исходя из полученных величин правн и писх находили величину х - количество адсорбированного на образце вещества. Путём деления величины х на массу навески т исследованных образцов находили удельную адсорбцию а образца для каждого конкретного случая.
Результаты исследования и их обсуждение. В
таблице 1 представлены результаты (среднее из двух параллельных определений) измерения полной удельной поверхности исследованных образцов лекарственных препаратов и продуктов питания.
—---
Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий ВАК
Таблица 1
Результаты определения полной удельной поверхности
№ п/п Наименование объекта Полная удельная поверхность Sуд, м2/г
Лекарственные препараты
1 Уголь активированный 478,8
2 Полисорб МП 331,1
3 Гастал 21,3
4 Белый уголь 15,3
5 Полифепан 1,1
6 Микрокристаллическая целлюлоза 0
Пищевые п родукты
1 Отруби пшеничные 85,8
2 Морская капуста сушеная 10,8
3 Петрушка сушеная 5,2
4 Слайсы пшеничные 2,5
5 Укроп сушеный 2,3
6 Крахмал картофельный 0
Установлено, что в группе лекарственных препаратов наибольшей полной удельной поверхностью обладает активированный уголь, в группе пищевых продуктов - отруби пшеничные. Полностью отсутствует развитая поверхность у микрокристаллической целлюлозы и картофельного крахмала.
Необходимо отметить, что на основании полученных значений полных поверхностей исследованных образцов не может быть сделано однозначное заключение о том, что адсорбционная способность исследованных образцов будет изменяться прямо пропорционально значениям их полных удельных поверхностей.
Обобщённые данные по рассчитанной удельной адсорбции из растворов алюминия, борной и уксусной кислот на исследованных лекарственных препаратах и пищевых продуктах представлены в таблицах 2-4.
Значения удельных адсорбц
Образцы в таблицах 2-4 расположены в порядке уменьшения значений их полных удельных поверхностей. Для облегчения анализа полученных результатов использовался столбец «Балл», смысл значений в котором заключается в следующем: в каждом столбце, соответствующем определенному раствору («раствор 1», «раствор 2» и т.д.) наибольшему значению удельной адсорбции соответствует число «1», для следующего за ним значения - число «2» и т.д. до минимального значения удельной адсорбции. При одинаковых значениях удельных адсорбций устанавливается равное число для растворов. Затем для каждого объекта для всех пяти растворов складывали числа и получали значение «балла». Наименьшее суммарное значение балла означает наибольшую адсорбционную способностью объекта, и наоборот.
Таблица 2
й (а) алюминия из растворов
№ п/п Наименование образца Балл Раствор 1 Раствор 2 Раствор 3 Раствор 4 Раствор 5
Лекарственные препараты
1 Уголь активированный 5 0,35 0,2 0,125 0,078 0,039
2 Полисорб МП 10 0,2 0,05 0,085 0,048 0,029
3 Гастал 19 0,05 0,02 0,015 0,008 0
4 Белый уголь 19 0,05 0 0,015 0,008 0,009
5 Полифепан 14 0 0,035 0,035 0,028 0,009
6 МКЦ 23 0 0 0 0 0
Пищевые продукты
1 Отруби пшеничные 11 0,15 0,07 0,045 0,048 0,029
2 Морская капуста 5 0,2 0,12 0,085 0,058 0,039
3 Петрушка сушеная 16 0,01 0,05 0,055 0,019 0,008
4 Слайсы пшеничные 20 0,05 0,03 0 0,018 0,019
5 Укроп сушеный 23 0 0 0,015 0,008 0,009
6 Крахмал 27 0 0 0 0 0
Таблица 3
Значения удельных адсорбций (а) борной кислоты из растворов
№ п/п Наименование образца Балл Раствор 1 Раствор 2 Раствор 3 Раствор 4 Раствор 5
Лекарственные препараты
1 Уголь активированный 10 3,3 2,5 1,95 0,58 0,32
2 Полисорб МП 16 3,3 1,5 1,05 0,78 0
3 Гастал 12 5,0 2,0 1,85 0,48 0,25
4 Белый уголь 23 0,5 0,4 0,05 0 0
5 Полифепан 24 0,5 0,3 0,05 0 0
6 МКЦ 11 4,3 1,8 1,65 0,68 0,65
Пищевые продукты
1 Отруби пшеничные 13 2,2 0,3 0,35 0,28 0,40
2 Морская капуста 9 1,5 1,0 0,85 0,18 0,49
3 Петрушка сушеная 11 1,2 1,0 0,75 0,48 0,29
4 Слайсы пшеничные 17 0,8 0,1 0,35 0,38 0,32
5 Укроп сушеный 17 0,6 0,6 0,45 0,28 0,29
6 Крахмал 26 0 0 0 0 0
Таблица 4 Значения удельных адсорбций (а) уксусной кислоты из растворов
№ п/п Наименование образца Балл Раствор 1 Раствор 2 Раствор 3 Раствор 4 Раствор 5
Лекарственные препараты
1 Уголь активированный 9 3,8 2,3 1,6 1,6 0,84
2 Полисорб МП 20 0 0,1 0,1 0,05 0,035
3 Гастал 9 13,9 7 3,5 1,7 0
4 Белый уголь 15 0 0,5 0,5 0,45 0,39
5 Полифепан 20 0,2 0,1 0,1 0,05 0
6 МКЦ 21 0 0 0 0 0
Пищевые продукты
1 Отруби пшеничные 13 0 0 0 0 0
2 Морская капуста 6 0,4 0,4 0,3 0,25 0,18
3 Петрушка сушеная 11 0,3 0,1 0 0 0
4 Слайсы пшеничные 13 0 0 0 0 0
5 Укроп сушеный 9 0,6 0,1 0 0 0
6 Крахмал 13 0 0 0 0 0
Наибольшими значениями полной удельной поверхности в группе лекарственных препаратов обладают «Уголь активированный» (478,8 м2/г), являющийся молекулярным углеродом, и «Полисорб МП» (331,1 м2/г), представляющий собой коллоидный диоксид кремния. Наименьшие значения полной удельной поверхности показали «Полифепан» - продукт гидролиза лигнина и микрокристаллическая целлюлоза. Промежуточное положение занимают «Белый уголь» и «Гастал». Среди пищевых продуктов наибольшим значением полной удельной поверхности обладают отруби пшеничные (85,8 м2/г). Промежуточное положе-
ние занимают морская капуста, слайсы пшеничные, сушеные укроп и петрушка.
Полученные результаты позволяют утверждать, что удельная адсорбция из растворов при использовании одинаковых количеств различных сорбентов имеет прямо пропорциональную зависимость от полной удельной поверхности сорбентов. Данный факт подтверждает то, что в рамках проведения исследования имела место физическая адсорбция и только в некоторых случаях аномальные результаты объясняются протеканием либо каких-либо химических процессов между адсорбентом и адсорбтивом, либо химической
адсорбцией. Следует отметить, что с точки зрения эффективности использования сорбента механизм адсорбции не имеет принципиального значения, важен результат того, что адсорбтив будет эффективно удерживаться на поверхности адсорбента и тем самым будет минимизирован потенциальный вред от негативного эффекта попадания адсорбтива внутрь организма.
Выводы. При проведении экспериментов по определению удельной адсорбции для каждого сорбента при различных концентрациях адсорбтивов установлено, что в целом при снижении в растворе концентрации адсорбтива удельная адсорбция сорбента уменьшается. Это подтверждает теоретические данные о том, что для достижения равновесия при проведении адсорбции из малых концентраций адсорбтива при одинаковом количестве сорбента требуется большее время или иные условия проведения адсорбции, что обусловлено кинетикой процесса адсорбции. Также, существует прямо пропорциональная зависимость между значениями полной удельной поверхности сорбентов и значениями их удельных адсорбций: для всех исследованных адсорбтивов показано, что чем выше полная удельная поверхность сорбента, тем выше и удельная адсорбция.
Исследованные образцы лекарственных препаратов и пищевых продуктов, проявившие наилучшие адсорбционные свойства в отношении поглощения алюминия из водного раствора его соли, можно расположить в следующий ряд: активированный уголь> морская капуста> полисорбМП> отруби пшеничные. Исследованные образцы лекарственных препаратов и пи-
щевых продуктов, проявившие наилучшие адсорбционные свойства в отношении поглощения борной кислоты из водного раствора его соли, можно расположить в следующем порядке: активированный уголь> микрокристаллическая целлюлоза> морская капуста> отруби пшеничные. Что касается поглощения уксусной кислоты из водного раствора его, то адсорбционные свойства уменьшаются следующим образом: активированный уголь> морская капуста> петрушка сушеная> укроп сушеный.
Наиболее эффективным сорбентом из группы лекарственных препаратов в отношении разных химических веществ является уголь активированный, что обуславливается его большой полной удельной поверхностью. Препарат полисорб МП хорошо проявил себя в отношении сорбции алюминия и практически не проявил себя в отношении адсорбции кислот. В группе пищевых продуктов удовлетворительные результаты были получены для морской капусты и пшеничных отрубей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1] Балезин С.А., Ерофеев Б.В., Подобаев Н.И. Основы физической и коллоидной химии. М.: Просвещение, 1975.
[2] Логинов Н.Я., Воскресенский А.Г., Солодкин И.С. Аналитическая химия. М.: Просвещение, 1979.
[3] Мушкамбаров Н.Н. Физическая и коллоидная химия. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001.
[4] Наумов А.Р., Журавлева И.Б, Зашивалова Е.Ю. Практикум по коллоидной химии. Кострома, 1996.
[5] Мидгли Д., Торренс К. Потенциометрический анализ воды. М.: Издательство «Мир», 1980.
SEARCH FOR EFFECTIVE ADSORBENTS BY DETERMINING THEIR SPECIFIC
ADSORPTION
Chlitina A. A., Matyushin, A. A.
First Moscow state medical University named after I. M. Sechenov, Moscow, Russian Federation
Annotation. The article presents the results ofan experimental study of the sorption properties of a number ofdrugs andfood products in relation to acids and salts of heavy metals that can cause poisoning in humans. Sorption properties were estimated by the method of low-temperature adsorption of nitrogen gas. The authors demonstrate that the most effective sorbentfrom the group ofstudied drugs for different chemicals is activated carbon, which is caused by its large total specific surface area. Among the studied food products satisfactory results were shown seaweed and wheat bran. The results obtained can be useful, in particular, in the development of new medicines to assess the impact of food intake on their adsorption from the gastrointestinal tract.
Key words: chemical adsorption, physical adsorption, adsorbent, specific surface area, medicinal products.
REFERENCES
[1] Balezin S.A., Erofeev B.V., Podobaev N.I. Osnovy fizicheskoj i kolloidnoj himii. M.: Prosveshhenie, 1975.
[2] Loginov N.Ja., Voskresenskij A.G., Solodkin I.S. Analit-icheskaja himija. M.: Prosveshhenie, 1979.
[3] Mushkambarov N.N. Fizicheskaja i kolloidnaja himija. M.: GJeOTAR-MED, 2001.
[4] Naumov A.R., Zhuravleva I. B, Zashivalova E. Ju. Praktikum po kolloidnoj himii. Kostroma, 1996.
[5] Midgli D., Torrens K. Potenciometricheskij analiz vody. M.: Izdatel'stvo «Mir», 1980.
