Tärkkelysjohdannaiset ja niiden käyttö vesien puhdistuksessa

Abstract

Tärkkelys on kasveissa runsaimmin esiintyvä varastopolysakkaridi. Sitä esiintyy kasvien lehdissä ja varastoelimissä. Tärkkelys on polysakkaridi, joka koostuu pääosin amyloosista ja amylopektiinistä. Ne rakentuvat glukoosiyksiköistä. Glukoosiyksiköiden määrä vaihtelee sen mukaan minkä kasvin tärkkelyksestä on kyse. Useimpien kasvilajien tärkkelykset sisältävät noin 30 % amyloosia ja 70 % amylopektiiniä.

Tärkkelystä käytetään ravinnonlähteenä sekä kasvavassa määrin myös erilaisissa sovelluksissa. Tärkkelys on biologisesti inertti ja turvallinen luonnonpolymeeri, jota saadaan uusiutuvista lähteistä. Tärkkelyspolymeerit ovat edullisia ja helposti muokattavia raaka-aineita. Tärkkelystä muokataan kemiallisesti, fysikaalisesti ja biologisesti. Kemiallisia muokkausmenetelmiä ovat hapetus, hydrolyysi, esteröinti ja eetteröinti sekä polymeerien ristisilloittaminen ja oksastaminen. Tärkeimpiä ominaisuuksia muokattavuuden kannalta on tärkkelyksen reaktiivisuus kemiallisissa reaktioissa. Tärkkelys sisältää reaktiivisia hydroksyyliryhmiä glukoosirakenteen 2-, 3- ja 6- asemissa. Tärkkelystä muokattaessa tuotetaan erilaisia tärkkelysjohdannaisia. Substituutio tuottaa mono-, di- ja trisubstituoituja polysakkarideja. Ristisilloittamisen ja oksastamisen avulla tuotetaan makromolekyylirakenteita.

Veden kemiallinen kontaminaatio on yksi nykyhetken suurimmista ympäristöllisistä ongelmista. Raskasmetallit ovat vaarallisia ihmisen terveydelle. Ne ovat luonnossa erittäin pysyviä ja ne myös kertyvät eliöihin. On erittäin tärkeää kehittää menetelmiä, joilla myrkyllisiä yhdisteitä saadaan tehokkaammin poistettua vesistä. Ehdotettujen menetelmien joukosta adsorptio on lupaavin vesien puhdistuksessa ja ympäristön suojelussa.

Yleisimpiä vesien raskasmetalleja ovat sinkki, kupari, nikkeli, elohopea, kadmium, lyijy ja kromi. Raskasmetallien poistamiseen käytetään tällä hetkellä tavanomaisia puhdistusmenetelmiä, joita pyritään kehittämään tehokkaammiksi, taloudellisemmiksi ja ympäristöystävällisemmiksi. Yleisimpiä vesien puhdistusmenetelmiä ovat kemiallinen saostaminen, ioninvaihto, adsorptio, biosorptio, kalvosuodatus, koagulointi ja flokkulointi, flotaatio ja sähkökemialliset menetelmät. Yhä tiukempi lainsäädäntö vaatii raskasmetallien tehokkaampaa poistoa vesistä ja täten uusien menetelmien ja materiaalien kehittämistä.

Luonnonpolymeerien tiedetään sitovan tehokkaasti raskasmetalleja ja muita toksisia komponentteja vesistä. Viime aikoina kiinnostus haitallisten yhdisteiden poistamisesta luonnon polysakkarideihin ja niiden johdannaisiin on lisääntynyt. Vesien puhdistuksessa ja metalli-ionien sitomisessa käytetään yhä enemmän luonnonpolymeerejä, joiden johdannaiset voidaan jakaa kationisiin ja anionisiin johdannaisiin. Metalli-ionien sitominen tapahtuu johdannaisten reaktiivisten ryhmien vaihtaessa ioneja liuoksessa oleviin ioneihin. Polysakkaridipohjaisten materiaalien adsorptiomekanismit ovat monimutkaisia. Mekanismit sisältävät erilaisia vuorovaikutusten yhdistelmiä. Yleisimpiä vuorovaikutuksia ovat ioninvaihto, kompleksinmuodostus, koordinoituminen ja kelaattien muodostaminen, elektrostaattiset vuorovaikutukset, happo-emäs vuorovaikutukset sekä vetysitoutuminen.

Tärkkelysjohdannaiset ovat muiden luonnonpolymeerien tavoin kiinnostava ja potentiaalinen vaihtoehto erilaisten metalleja sitovien polymeerirakenteiden kehittämisessä. Metalli-ionin sitomisen tehokkuutta, selektiivisyyttä ja sidottavien metalli-ionien määrää voidaan kehittää entisestään kehittämällä erilaisia tärkkelysjohdannaisten rakenteita ja tutkimalla vaihtoehtoisia menetelmiä uusien rakenneyhdistelmien valmistamiseksi. Metalleja sitovina ryhminä toimivat tämän hetken rakenteissa useimmiten typpi-, happi- ja rikkiatomit.

Tärkkelysjohdannaiset ovat tehokkaita, taloudellisia ja ympäristöystävällisiä materiaaleja metalli-ionien poistamisessa. Niillä voidaan korvata vesien puhdistuksessa yleisesti käytettyjä arvokkaita tai haitallisia materiaaleja. Tärkkelysjohdannaiset ovat helposti muokattavia raaka-aineita, joten ne ovat erittäin potentiaalisia uusien materiaalien ja uudenlaisten hyötykäytön mahdollisuuksien kehittämisessä. Tutkittaessa metalli-ionien sitomisen mekanismeja ja sitomisen tehokkuutta voidaan löytää uudenlaisia rakenteiden hyödyntämismahdollisuuksia. Oleellista tärkkelysjohdannaisten metalli-ioneja sitovien ominaisuuksien tutkimuksessa on vuorovaikutusten ja mekanismien ymmärtäminen ja tutkimus- ja kehitystyön kehittäminen lisääntyvän ymmärryksen myötä.