PREPARATION OF COPPER/MESOPOROUS CARBON SILICANANOCOMPOSITE MODIFIED WITH ORGANIC AMINE AND THEIR APPLICATION AS CAFFEINE ADSORBENT FOR HEALTHY DRINKS PRODUCTION

Abstract

The objective of this research is to develop a copper/mesoporous carbon silica nanocomposite modified with organic amine groups (Cu/MCS-NH2) and apply it as an adsorbent to remove caffeine for healthy drinks production. Firstly, the copper/mesoporous carbon-silica nanocomposites (Cu/MCS) were prepared via carbonization of copper/natural rubber/hexagonal mesoporous silica (Cu/NR/HMS)at 650 °C under inert gas condition. The Cu/NR/HMS materials were prepared via the in-situ sol-gel method using tetraethyl orthosilicate (TEOS) as a silica precursor, tetrahydrofuran (THF) as solvent for dissolving natural rubber (NR) and dodecylamine (DDA) as a template, and copper acetate (Cu(CO2CH3)2) as a copper source. From X-ray diffraction (XRD) analysis, the Cu/MCS material exhibited an amorphous structure of mesoporous silica. X-ray fluorescence (XRF) analysis found that the materials had a high copper distribution and the copper content up to 18.6%. The Cu/MCS materials showed good properties of mesoporous materials with high specific surface area in the range of 523.66-747.70 m2/g, pore size 3.07-3.30 nm, and total pore volume 0.80-0.85 cm3/g. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis indicted the characteristic peaks of CuO incorporated with the silica framework. In addition, the Cu/MCS adsorbents exhibited an aggregation of composite particle compared to initial when analyzing by Scanning electron microscopy (SEM). After that, the surface of Cu/MCS was modified with Aminopropyltriethoxysilane (APTES) by post grafting method. It was found that the Cu/MCS-NH2 materials also exhibited an amorphous structure of mesoporous silica. In addition, they possessed specific surface area in the range of 238.10-450.57 m2/g, pore diameter ~ 3.12 nm, and the total pore volume as 0.33-0.50 cm3/g, which lower than that of pristine Cu/MCS. The Cu/MCS and Cu/MCS-NH2 materials were applied as adsorbents to study the caffeine removal in beverages such as tea, coffee, and cola. They exhibited a maximum percentage of caffeine removal as 47.07% when using a ratio of an amount of adsorbent/volume (M/V) equal to 0.003 g/mL. Moreover, they exhibited the reusability for caffeine removal 4 times.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ในการพัฒนาคอมพอสิตระดับนาโนเมตรของทองแดง/มีโซพอรัสคาร์บอนซิลิกาดัดแปรด้วยหมู่เอมีนอินทรีย์ (Cu/MCS-NH2) และประยุกต์ใช้เป็นตัวดูดซับเพื่อกำจัดคาเฟอีนสำหรับผลิตเครื่องดื่มเพื่อสุขภาพ เริ่มต้นศึกษาการเตรียมคอมพอสิตระดับนาโนเมตรของทองแดง/มีโซพอรัสคาร์บอนซิลิกา (Cu/MCS) โดยการคาร์บอไนเซชันคอมพอสิตระดับนาโนเมตรของทองแดง/ยางธรรมชาติ/เฮกซะโกนอลมีโซพอรัสซิลิกา (Cu/NR/HMS) ที่อุณหภูมิ 650 องศาสเซลเซียส ในสภาวะแก๊สเฉื่อย ซึ่งวัสดุ Cu/NR/HMS เตรียมโดยผ่านวิธีการอินซิทู โซล-เจล โดยใช้เตตระเอทิลออโธซิลิเกต (TEOS) เป็นสารตั้งต้น ซิลิกา เตตระไฮโดรฟิวแรน (THF) เป็นตัวทำละลายของยางธรรมชาติ โดเดซิลเอมีน (DDA) เป็นสารกำหนดโครงสร้าง และเติมคอปเปอร์แอซิเตต (Cu(CO2CH3)2) เป็นแหล่งทองแดง จากการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) พบว่าวัสดุ Cu/MCS แสดงโครงสร้างอสัณฐานของมีโซพอรัสซิลิกา เมื่อวิเคราะห์ด้วยเทคนิคการเรืองรังสีเอกซ์ (XRF) แสดงการกระจายตัวของทองแดงที่ดีและแสดงปริมาณของทองแดงที่อยู่ในวัสดุคอมพอสิตสูงถึงร้อยละ 18.6 เมื่อนำไปวิเคราะห์สมบัติความพรุนของวัสดุ Cu/MCS แสดงลักษณะสมบัติที่ดีของวัสดุมีโซพอรัส มีพื้นที่ผิวจำเพาะอยู่ในช่วง 523.66-747.70 ตารางเมตร/กรัม ขนาดรูพรุน 3.07-3.30 นาโนเมตร และปริมาตรรูพรุนทั้งหมด 0.80-0.85 ลูกบาศก์เซนติเมตร/กรัม จากการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (FT-IR) จะพบพีกที่แสดงลักษณะเฉพาะของ CuO ที่อยู่ร่วมกับโครงข่ายของซิลิกา เมื่อวิเคราะห์สัณฐานวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องกราด (SEM) พบว่าวัสดุ Cu/MCS แสดงการพบรวมตัวของอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ MCS เริ่มต้น จากนั้นนำวัสดุ Cu/MCS ไปดัดแปรพื้นผิวด้วย 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) ที่ความเข้มข้นแตกต่างกัน โดยวิธีต่อติดเชิงเคมี พบว่าวัสดุ Cu/MCS-NH2 แสดงโครงสร้างอสัณฐานของ มีโซพอรัสซิลิกา มีพื้นที่ผิวจำเพาะอยู่ในช่วง 238.10-450.57 ตารางเมตร/กรัม ขนาดรูพรุนประมาณ 3.12 นาโนเมตร และปริมาตรรูพรุนทั้งหมด 0.33-0.50 ลูกบาศก์เซนติเมตร/กรัม ซึ่งลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับ Cu/MCS เริ่มต้น เมื่อนำวัสดุ Cu/MCS และCu/MCS-NH2 ไปศึกษาการดูดซับคาเฟอีนในเครื่องดื่ม ได้แก่ ชา กาแฟ และโคล่า แสดงร้อยละการกำจัดคาเฟอีนสูงถึงร้อยละ 47.07 เมื่อใช้อัตราส่วนปริมาณตัวดูดซับ/ปริมาตรสารละลาย (M/V) เท่ากับ 0.003 กรัมต่อมิลลิลิตร นอกจากนี้ยังแสดงความสามารถในการใช้ซ้ำสูงสุดอยู่ที่ 4 ครั้ง