3D Hierarchically-Structured Twinned Alumina Nanosheets for Filtration and Catalysis - Roebuck, Katrina (Université d'Ottawa / University of Ottawa, 2017)
Currently, complex nanostructures can be synthesized in two distinct forms: non-porous aggregates that maintain their structure when subject to external pressure but have poor flow characteristics, and highly porous particles or particle aggregates that are permeable to flow but collapse and stack under external pressure. The development of support materials for filtration and catalysis that maintain high throughput, resist fouling, and maintain high internal pore accessibility are therefore of great interest. In this work, our primary objective was to synthesize a nanostructure by self-assembling nanoplatelets in a hierarchical structure. We sought to develop a material that in filtration would be highly permeable to flow, and maintain its structure when subject to external pressure. As a catalyst, we desired a material that provided easy access of reactants to its internal structure, and release of products to the bulk media in order to improve the catalyst specificity. We successfully synthesized this material and determined that the concentrations of ethanol and surfactant in the synthesis mixture controlled the morphology of the nanoparticles in the hierarchically-structured material (HSM). We compared the performance of our HSM to commonly-used filtration aids during the filtration of a colloidal solution. Our HSM rapidly reduced the turbidity of the colloidal solution to <0.10 NTU at a flux that was up to 28 times higher than the fluxes obtained by the commonly-used filtration aids. Subsequently, we developed a protocol to immobilize lipase from crude porcine pancreas (cPPL), Candida rugosa (CRL), and Candida antarctica (CALB) onto the support material. We assessed the specific hydrolytic activities of immobilized crude porcine pancreas and Candida rugosa to determine the optimum synthesis conditions to produce the most effective HSM support. We determined that synthesizing our HSM in 50 vol% ethanol-water followed by a 24 h epoxysilane treatment process produced particles with the highest lipase immobilized and retained (16.7 + 0.2 mg cPPL / g support and 39.7 + 0.9 mg CRL / g support). Extended silylation of the supports beyond 24 h was found to not significantly increase enzyme immobilization. Finally, we assessed the performance of immobilized CALB on our support material in a batch reactor for the reduction of free fatty acids (FFA) in acidic oil. The immobilized enzyme produced in this work rapidly reduced the FFA content during the initial 2 to 4 h of each run and maintained the FFA content below 0.50 wt% for up to 56 h even after being reused 5 times. CALB immobilized on TAN showed high reusability with no observable reduction in immobilized catalyst activity. Les nanostructures complexes peuvent être synthétisées sous deux formes distinctes: des agrégats non poreux qui maintiennent leur structure lorsqu’elles sont soumises à une pression externe, et des particules fortement poreuses ou des agrégats de particules perméables à l'écoulement, mais qui s'effondrent et s’empilent sous une pression externe. Le développement de matériaux poreux pour la filtration et la catalyse qui maintiennent un débit élevé en filtration, résistent à l'encrassement et maintiennent une forte accessibilité aux pores internes présentent un grand intérêt. Dans ce travail, notre objectif principal était de synthétiser une nanostructure en auto-assemblant des nano-plaquettes dans une structure hiérarchique. Nous avons cherché à développer un matériau qui, en filtration, serait hautement perméable et maintiendrait sa structure sous une pression externe. En tant que catalyseur, nous avons souhaité un matériau qui fournirait l’accès facile des réactifs à sa structure interne et permettrait la libération des produits afin d'améliorer sa spécificité. Nous avons synthétisé avec succès ce matériau et déterminé que les concentrations d'éthanol et d'agent tensioactif dans le mélange de synthèse contrôlaient la morphologie des nanoparticules dans le matériau structuré par hiérarchie (HSM). Nous avons comparé les performances de notre HSM aux agents de filtration couramment utilisés lors de la filtration d'une solution colloïdale. Notre HSM a rapidement réduit la turbidité d’une solution colloïdale à <0,10 NTU avec un flux qui était jusqu'à 28 fois plus élevé que les flux obtenus par des aides filtres diatomées. Par la suite, nous avons mis au point un protocole visant à immobiliser les lipases suivantes : lipase pancréatique porcine crue (cPPL), Candida rugosa (CRL) et Candida antarctica (CALB) sur le matériau de support. Nous avons évalué les activités hydrolytiques spécifiques de la cPPL et du CRL immobilisés pour déterminer les conditions de synthèse optimales pour produire le support HSM le plus efficace. Nous avons déterminé que la synthèse de notre HSM dans une solution aqueuse contenant 50% en volume d'éthanol, suivi d'un traitement de 24 h à l'époxysilane, produit des particules ayant la plus haute immobilisation et rétention de lipase (16,7 + 0,2 mg de cPPL / g et 39,7 + 0,9 mg de CRL / g de support). La silylation étendue des supports au-delà de 24 h n'a pas permis d'augmenter significativement l'immobilisation enzymatique. Enfin, nous avons évalué la performance du CALB immobilisé sur notre matériau de support dans une réaction en lot pour la réduction des acides gras libres (FFA) dans une huile de colza acidifiée. L'enzyme immobilisée produite dans ce travail a rapidement réduit le contenu en FFA de l’huile pendant les 2 à 4 h initial de chaque essai et a maintenu le contenu en FFA inférieur à 0,50% en poids jusqu'à 56 h même après avoir été réutilisé 5 fois. Le CALB immobilisé sur TAN présentait une réutilisabilité élevée sans réduction observable de l'activité du catalyseur immobilisé.
Keywords: Alumina; Nanoparticles; Hierarchical structure; Filtration; Catalysis; Isotropic; Boehmite; Lipase; Biodiesel; Pretreatment