Celuloza čisti vodu od teških metala

„Što se dobiva kada se željezo spoji sa celulozom?“ Teško pitanje, nema šta! Doista ne znam kako bih na njega odgovorio, jer – hm… No dobro, celuloza je polimer glukoze, a iz povezanih molekula tog jednostavnog šećera (monosaharida) vire hidroksilne skupine, skupine -OH. To su zapravo alkoholne skupine, pa bi spojiti željezo sa celulozom bilo isto kao i spojiti ga s alkoholom. Reagira li željezo s alkoholom? Ne reagira. Reagira doduše natrij, ali natrij je mnogo reaktivniji od željeza, pa je za njega i alkohol (etanol) kiselina. U njemu se otapa uz razvijanje vodika i nastajanje natrijeva alkoholata ili etanilata – jakog reagensa za organsku sintezu.

Sve to učeniku kojem je pitanje upućeno nije poznato, a ni ja, kemičar, na njega ne bih znao odgovoriti. No odgovor je jednostavan: „Spajanjem željeza sa celulozom dobiva se čekić!“ Jasno je: čekić se sastoji od željezne glave koja je spojena s drvenom drškom, a drvo je opet u najvećem cijelu celuloza (ostale komponente su hemiceluloza i lignin). Pa ipak, željezo, metali općenito, mogu se spajati sa celulozom – i to u punom kemijskom smislu riječi.

One hidroksilne skupine što vire iz molekule celuloze ne mogu doduše izravno reagirati s metalima, ali mogu reagirati s mnogo čime drugim. Za njih se mogu vezati kiselinski ostaci, pa se tako dobivaju najrazličitije vrste celuloze, među njima i nitroceluloza, koja služi kao sirovina za bezdimni barut, a nekoć su se od nje izrađivale filmske trake pa i fine niti „umjetne svile“. Naravno da je i filmska traka i tako priređena umjetna svila bila vrlo zapaljiva, posebice ova posljednja, koju su Francuzi u gruboj šali zvali „svila za punice“.

Riječ je dakle o derivatima celuloze, kojih ima dakako vrlo mnogo jer se mnogi spojevi mogu vezati za hidroksilne skupine, a eterska veza (C-O-C) između monomernih jedinica dovoljno je jaka da izdrži djelovanje mnogih reagensa. To je razlogom zašto su prvi umjetni polimeri bili samo napola umjetni, jer se ništa nije polimeriziralo nego se samo prirodni polimer, celuloza, kemijski modificirao. (Kemijski modificirana celuloza postoji i u prirodi – spomenuta hemiceluloza je upravo takav polimer.)

I sada se vraćamo do naslova, do derivata celuloze koji mogu vezati metale – i do znanstvenog rada koji čini temelj moga ovotjednog priloga: „Radical transfer grafting enables supercharged cellulose fibers with preserved nanostructure for water remediation“. Rad je objavljen u časopisu Matter, a autori su švedski znanstvenici iz više instituta koji se bave polimerima i tehnologijom drva.

Postupak švedskih znanstvenika je jednostavan: celuloza se prvo podvrgne djelovanju anhidrida maleinske kiseline (MA) da bi se ona esterskom vezom vezala na hidroksilne skupine celuloze. Potom se doda ditiotreitol (DTT), kemijski spoj koji ima dvije hidroksilne (-OH) i dvije sulfidriline (-SH) skupine. DTT se veže za molekulu MA skupinom -SH dok druga takva skupina služi za povezivanje drugih molekula, molekula akrilne kiseline (AA). Tako je na molekulu celuloze „cijepljenjem“ (grafting) spaja lanac jednog sasvim drugog i drugačijeg polimera, polimera poliakrilne kiseline (PAA). Ova druga polimerizacija provodi se reakcijama slobodnih radikala, pa za nju treba inicijator u obliku amonijeva persulfata (APS) i katalizator, TEMED.

To je kemijanje imalo dalekosežne posljedice. Najveći problem kod modificirane celuloze je da skupine vezane za njezin polimerni lanac celuloze nose negativan električni naboj. Kako se istoimeni naboji odbijaju, tako se odbijaju i celulozna vlakna, pa se cijela struktura raspada. Točno se zna i kada do te nemile pojave dolazi. Dolazi kada naboj celuloznih vlakana prijeđe granicu od 1,5 mmol/g.

Vezivanjem lanaca poliakrilne kiseline taj je problem riješen, jer se molekula celuloze grana lancima poliakrilata, čija je dužina izražena kao stupanj polimerizacije (degree of polymeriation, DP) dosezala vrijednost 8, pa i 10 monomernih jedinica. Zbog toga je novi polimer mogao podnijeti i četiri puta veću gustoću naboja (6,71 mmol/g) od spomenute granične vrijednosti. To mu je omogućilo da za se veže ione teških metala, bakra, cinka i olova, od 200 od 600 miligrama po gramu, što znači 20 – 60 % svoje mase. Usto može čistiti vodu i od tekstilne boje metilenskog modrila (methylene blue, MB), uz kapacitet od 400 do 1100 mg/g, ovisno o kiselosti otopine.

I to bi bilo sve da ne treba reći nešto i zašto se razvija ovakva tehnologija. Razvija se prije svega što je celuloza biorazgradiva, pa se može lako reciklirati. Dovoljno je iskorištenu modificiranu celulozu staviti u lužinu da se od nje opet dobije čista celuloza – no ne u bilo kakvu lužinu, nego u vodenu otopinu litijeva hidroksida, LiOH.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, od 2017. u mirovini. Autor je oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske i bioanogranske kemije te povijesti i filozofije znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te za mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, među kojima su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.