Смола, пропитанная растворителем
Смолы, пропитанные растворителем ( SIR ), представляют собой коммерчески доступные (макро)пористые смолы, пропитанные растворителем / экстрагентом . При таком подходе жидкий экстрагент содержится в порах (адсорбционных) частиц. Обычно экстрагент представляет собой органическую жидкость. Его цель – извлечь один или несколько растворенных компонентов из окружающей водной среды. Основной принцип сочетает в себе адсорбцию , хроматографию и жидкостно-жидкостную экстракцию .
История
[ редактировать ]Принцип смол, пропитанных растворителем, был впервые показан в 1971 году Абрахамом Варшавски . [ 1 ] Это первое предприятие было направлено на добычу металлов. С тех пор SIR в основном используются для извлечения металлов , будь то тяжелые металлы или, в частности, радиоактивные металлы . Много исследований SIR было проведено Дж. Л. Кортиной и, например, Н. Кабаем, К. Джерабеком или Дж. Сераролсом. [ 2 ] Однако в последнее время исследования направлены и на использование СИР для разделения природных соединений и даже для разделения биотехнологических продуктов.
Основной принцип
[ редактировать ]
Рисунок 1 справа объясняет основной принцип, согласно которому органический экстрагент E содержится внутри пор пористой частицы. Растворенное вещество S, которое первоначально растворено в водной фазе, окружающей частицу SIR, физически растворяется в фазе органического экстрагента во время процесса экстракции. Более того, растворенное вещество S может реагировать с экстрагентом с образованием комплексного ES. Такое комплексообразование растворенного вещества с экстрагентом еще больше смещает общее равновесие экстракции в сторону органической фазы. Таким образом, извлечение растворенного вещества усиливается. [ 3 ]
В то время как во время традиционной жидкостно-жидкостной экстракции растворитель и экстрагент должны быть диспергированы, в установке SIR диспергирование уже достигается за счет пропитанных частиц. Это также предотвращает дополнительную стадию разделения фаз, которая была бы необходима после эмульгирования, происходящего при жидкостно-жидкостной экстракции. Чтобы прояснить эффект эмульгирования, на рисунке 2 (слева) сравниваются две системы экстрагента в равновесии жидкость-жидкость с водой (слева) и частицами SIR в равновесии с водой (справа). На рисунке видно, что в системе SIR не происходит эмульгирования, тогда как в системе жидкость-жидкость наблюдается мутность, предполагающая эмульгирование. Кроме того, стадия пропитки снижает потери растворителя в водную фазу по сравнению с жидкостно-жидкостной экстракцией. [ 4 ] Этому уменьшению потерь экстрагента способствует физическая сорбция экстрагента на поверхности частиц, а это означает, что экстрагент внутри пор не полностью ведет себя как объемная жидкость. В зависимости от размера пор используемых частиц капиллярные силы также могут играть роль в удержании экстрагента. В противном случае силы Ван-дер-Ваальса , пи-пи-взаимодействия или гидрофобные взаимодействия могут стабилизировать экстрагент внутри пор частиц. Однако возможное снижение потерь экстрагента во многом зависит от размера пор и растворимости экстрагента в воде. Тем не менее, SIR имеют значительное преимущество перед, например, изготовленными по индивидуальному заказу ионообменными смолами с химически связанными лигандами. SIR можно повторно использовать для различных задач разделения, просто промыв один комплексообразователь и повторно пропитав их другим, более подходящим экстрагентом. потенциально дорогостоящих этапов проектирования и производства, например, аффинных смол Таким образом, можно избежать . Наконец, заполнив весь объем пор частиц экстрагентом (комплексообразователем), можно достичь более высокой емкости по растворенным веществам, чем при использовании обычных адсорбционных или ионообменных смол, где доступна только площадь поверхности.
Однако существуют возможные недостатки технологии SIR, такие как выщелачивание экстрагента или засорение неподвижного слоя истиранием частиц. Их можно исправить, выбрав правильную систему экстрагирования частиц. Это подразумевает выбор подходящего экстрагента с низкой растворимостью в воде , который достаточно удерживается внутри пор, и выбор механически стабильных частиц в качестве твердой основы для экстрагента. Кроме того, SIR можно стабилизировать путем нанесения на них покрытия, как показано Д. Муравьевым и др. [ 5 ] В качестве материала покрытия AW Trochimczuk et al. использован поливиниловый спирт. [ 6 ]
Чтобы удалить или восстановить экстрагированное растворенное вещество, частицы SIR можно регенерировать с помощью отпарки паром низкого давления . [ 7 ] что особенно эффективно для восстановления летучих углеводородов. Однако если давление паров экстрагированного растворенного вещества слишком низкое или если комплексообразование между растворенным веществом и экстрагентом слишком сильное, необходимо применить другие методы, например, изменение pH.
Техники подготовки
[ редактировать ]Основными методами пропитки являются мокрая пропитка и сухая пропитка . Во время влажной пропитки пористые частицы растворяются в экстрагенте и пропитываются соответствующей жидкостью. [ 8 ] При таком подходе частицы либо контактируют с заранее рассчитанным количеством экстрагента, который полностью впитывается в пористую матрицу, либо частицы контактируют с избытком экстрагента. После вымачивания остатки экстрагента, не находящиеся внутри пор, испаряются.
Если используется мокрый метод, перед пропиткой экстрагент растворяют в дополнительном растворителе. Пористые частицы затем диспергируются в растворе экстрагента-растворителя. [ 8 ] После замачивания частиц избыток растворителя можно либо отфильтровать, либо выпарить. В первом случае смесь экстрагента и растворителя будет удерживаться внутри пор. Это будет представлять интерес для экстрагентов, которые в чистом виде будут твердыми в расчетных условиях. Во втором случае внутри пор останется только экстрагент. На рис. 3 показаны пористые частицы, диспергированные в водном растворе после влажной пропитки. Вырез на рисунке 3 показывает увеличенный участок поверхности такой пропитанной частицы. Дополнительным, хотя и не столь часто используемым приемом является метод добавления модификаторов. Этот метод основан на использовании системы экстрагент/растворитель/модификатор. Предполагается, что дополнительный модификатор усилит проникновение экстрагента в поры частиц. [ 8 ] Растворитель затем испаряют, оставляя экстрагент и модификатор в порах частиц.
Кроме того, можно использовать метод динамических столбцов. Частицы контактируют с растворителем до полного пропитывания. Это можно сделать до или после упаковки в колонку. Затем насадочный слой промывают жидким экстрагентом до тех пор, пока концентрации на входе и выходе не станут одинаковыми. [ 8 ] Этот подход особенно интересен, когда частицы уже упакованы в колонку и должны быть повторно использованы для приложения SIR.
Приложения
[ редактировать ]SIR в добыче металлов
[ редактировать ]В основном SIR исследовались и использовались для извлечения тяжелых металлов. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Области применения включают удаление кадмия, ванадия, меди, хрома, иридия и т. д.
Экстракция органики
[ редактировать ]Лишь недавно были исследованы и другие области применения экстракции, например, крупномасштабное извлечение аполярной органики на морских нефтяных платформах с использованием так называемой технологии экстракции макропористых полимеров (MPPE). [ 12 ] В таком случае, когда частицы SIR содержатся в насадочном слое, скорость потока от 0,5 м 3 час −1 По мнению разработчика технологии , обработка вверх без ограничения максимального потока, по-видимому, может быть экономически конкурентоспособной по сравнению с системами очистки воздухом / активированным углем , паровой очисткой и биоочисткой . Дополнительные исследования, в основном проводимые в академической среде, включают полярные органические вещества, такие как аминоспирты , [ 13 ] органические кислоты , [ 14 ] [ 15 ] аминокислоты, [ 16 ] флавоноиды , [ 17 ] и альдегиды в лабораторных или пилотных масштабах. применение SIR для разделения более полярных растворенных веществ, таких как, например, эфиры и фенолы . Кроме того, в группе А. Б. де Хаана исследовалось [ 18 ]
Приложения в биотехнологии
[ редактировать ]Приложения в биотехнологии были разработаны совсем недавно. Это связано с чувствительностью биопродуктов , таких как белки, к органическим экстрагентам.
Один из подходов C. van den Berg et al. Основное внимание уделяется использованию пропитанных частиц для восстановления in situ фенола, полученного в результате Pseudomonas putida, ферментации с использованием ионных жидкостей . [ 19 ] Дальнейшее развитие привело к использованию полисульфоновых капсул высокой емкости. [ 20 ] Эти капсулы представляют собой полые частицы, окруженные мембраной . Внутренняя часть полностью заполнена экстрагентом, что увеличивает пропиточную способность по сравнению с классическими SIR.
Совершенно новый подход к использованию СИР для разделения или очистки биотехнологических продуктов, таких как белки, основан на концепции импрегнирования пористых частиц водными растворами полимеров, разработанной Б. Бургхоффом. Эти так называемые настраиваемые смолы, пропитанные водной полимерной фазой (TAPPIR). [ 21 ] улучшить водную двухфазную экстракцию (ATPE) за счет применения технологии SIR. Во время классической водной двухфазной экстракции биотехнологические компоненты, такие как белки, экстрагируются из водных растворов с использованием второй водной фазы. Эта вторая водная фаза содержит, например, полиэтиленгликоль (ПЭГ). С одной стороны, небольшая разница плотностей и низкое межфазное натяжение между двумя водными фазами способствуют сравнительно быстрому массопереносу между фазами. С другой стороны, ПЭГ, по-видимому, стабилизирует белковые молекулы, что приводит к сравнительно низкой денатурации белка во время экстракции. Однако существенным недостатком АТРЕ является стойкое эмульгирование, что затрудняет разделение фаз. Идея TAPPIR заключается в использовании преимуществ SIR, а именно низких потерь экстрагента из-за иммобилизации в порах и меньшего эмульгирования, чем при жидкостно-жидкостной экстракции. Таким образом, можно устранить недостатки ATPE. Установка будет состоять из насадочной колонки или псевдоожиженный слой, а не оборудование для экстракции жидкость-жидкость с дополнительными этапами разделения фаз. Тем не менее, пока только первые технико-экономические обоснования находятся на пути подтверждения этой концепции. Недостатком этого метода является непостоянный режим работы. Насадочная колонка работает так же, как хроматографическая колонка.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Варшавский, А. (1971). Заявка на патент Южной Африки 71/5637.
- ^ Кабай, Н.; Кортина, JL; Трохимчук А.; Стрит, М. (2010). «Смолы, пропитанные растворителями (SIR). Методы приготовления и их применение». Реагировать. Функц. Полим. 70: 484–496.
- ^ Бабич, К.; ван дер Хам, AGJ; де Хаан, AB (2008). «Кинетика сорбции для удаления альдегидов из водных потоков смолами, пропитанными экстрагентом». Адсорбция 14: 357-366.
- ^ Бабич, К.; ван дер Хам, Л.; де Хаан, А. (2006). «Извлечение бензальдегида из водных потоков с использованием смол, пропитанных экстрагентом». Реагировать. Функц. Полим. 66 (12): 1494–1505.
- ^ Муравьев, Д.; Гантус, Л.; Валиенте, М. (1998). «Стабилизация емкости смолы, пропитанной растворителем, различными методами». Реактивные и функциональные полимеры, 38: 259-268.
- ^ Трохимчук, AW; Кабай, Н.; Арда, М.; Стрит, М. (2004). Стабилизация смол, пропитанных растворителем (SIR), путем покрытия водорастворимыми полимерами и химического сшивания, React. Функц. Полим., 59 (1) 1-7.
- ^ MPPSystems, Система экстракции макропористых полимеров - очистка воды, Akzo Nobel, Арнем, стр. 1-7.
- ^ Перейти обратно: а б с д ван Хекке, К.; Геталс, П. (2006). Открытый отчет Бельгийского центра ядерных исследований: Исследования по усовершенствованной водной переработке отработанного ядерного топлива: литературное исследование, ISSN 1379-2407
- ^ Варшавский, А.; Кортина, JL; Агилар, М.; Джерабек, К. (1999). «Новые разработки в области смол, пропитанных растворителями. Обзор». Международная конференция по экстракции растворителями, 1999 г., Барселона, Испания.
- ^ Сераролс, Дж.; Поч, Дж.; Вильяскуза, И. (2001). «Разложение изотерм адсорбции на равновесную поверхность. Случай 1: смолы, пропитанные растворителем (SIR)». Реагировать. Функц. Полим. 48 37-51.
- ^ Ван, Ю.; Ван, К.; Варшавский, А.; Берковиц, Б. (2003). «8-Гидроксихинолин-5-сульфоновая кислота (HQS), пропитанная Lewatit MP 600 для комплексообразования кадмия: применение смол, пропитанных растворителем, для очистки воды». Сепар. наук. Технол. 38 (1): 149–163.
- ^ Veolia Water Solutions and Technologies, MPPE Systems, [1] , Дата последнего доступа: 18 февраля 2012 г.
- ^ Бабич, К.; Дриссен, GHM; ван дер Хам, AGJ; де Хаан, AB (2007). «Хиральное разделение аминоспиртов с использованием смол, пропитанных экстрагентами». Дж. Хроматогр. А 1142: 84-92.
- ^ Хуанг, Р.-С.; Чанг, Х.-Л. (1995). «Равновесие распределения лимонной кислоты между водными растворами и макропористыми смолами, пропитанными три-н-октиламином». Индийский англ. хим. Рез. 34: 1294–1301.
- ^ Трэвинг, М.; Барт, Х.-Дж. (2002). «Восстановление органических кислот с использованием смол, пропитанных ионообменниками». хим. англ. Технол. 25 (10): 997-1003.
- ^ Костова, А.; Барт, Х.-Дж. (2004). «Реактивная сорбция L-фенилаланина катионообменными импрегнированными полимерами (равновесия)». Chem Ing Tech 76 (11): 1743–1748.
- ^ Китазаки, Х.; Ишимару, М.; Иноуэ, К.; Ёсида, К.; Накамура, С. (1996). «Разделение и извлечение флавоноидов посредством экстракции растворителем и адсорбции на смоле, пропитанной растворителем». Международная конференция по экстракции растворителями, 1996 г., Австралия.
- ^ Бургхофф, Б. (2009). «Смолы, пропитанные растворителем (SIR), для извлечения эфиров и фенолов низкой концентрации из воды». Диссертация, Технический университет Эйндховена, 153 страницы. ISBN 978-90-386-1552-3 .
- ^ ван ден Берг, К.; Виркс, Н.; Венте, Дж; Буссман, П.; де Бонт, Дж.; ван дер Вилен, Л. (2008). «Смолы, пропитанные растворителем, как инструмент восстановления продуктов in situ для извлечения фенола из ферментации Pseudomonas putida S12TPL». Биотехнология. Биоинж. 2008;100: 466–472.
- ^ ван ден Берг, К; Роландс, CPM; Буссман, П.; Гетеер, ELV; Вердос, Д.; ван дер Вилен, Л. (2009). «Приготовление и анализ полисульфоновых капсул высокой емкости». Функция Полим. 69:766–770.
- ^ Бургхофф, Б; ван Винссен, ФА; Шембекер, Г. (2011) «Процесс разделения/очистки биомолекул», заявка на патент Германии № 10 2011 001 743.7.