雙水相體系在無(wú)機(jī)鹽分離中的應(yīng)用

史許娜 , 韓清華

(洛陽(yáng)瑞澤石化工程有限公司 ， 河南 洛陽(yáng)　471000)

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雙水相體系在無(wú)機(jī)鹽分離中的應(yīng)用

史許娜 , 韓清華

(洛陽(yáng)瑞澤石化工程有限公司 ， 河南 洛陽(yáng)471000)

摘要：分析了氯化鉀和氯化銨混合溶液的不同分離方法，介紹了雙水相體系(正丙醇—氯化鉀—氯化銨—水雙水相體系)對(duì)該混合溶液的分離現(xiàn)狀，拓展了雙水相體系的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：氯化鉀 ； 氯化銨 ； 正丙醇 ； 雙水相體系 ； 分離

0前言

無(wú)機(jī)鹽混合體系的分離方法有多種，主要有溶劑萃取法、泡沫吸附法、電化學(xué)分離法、膜分離法、轉(zhuǎn)化法、結(jié)晶分離法、離子交換法、萃取結(jié)晶法等。

1雙水相體系介紹

雙水相體系是一種廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)分離、生物化工、醫(yī)藥產(chǎn)品及金屬等領(lǐng)域的分離體系。它是指當(dāng)一定濃度的某種有機(jī)物水溶液與其它有機(jī)物水溶液或者有機(jī)物水溶液與無(wú)機(jī)鹽水溶液以一定比例混合，能夠自發(fā)分相，并且可以形成互不相溶的一種雙水相或者多水相體系。它具有體系簡(jiǎn)單、成本低、性質(zhì)溫和、低毒等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有很大潛力和廣闊工業(yè)應(yīng)用前景的體系。

該體系是在1896年由荷蘭微生物學(xué)家Berjerinck首次發(fā)現(xiàn)的[10]，但直到20世紀(jì)六十年代才引起人們重視并開始進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究。1956年，瑞典Lund大學(xué)的Albertsson教授及同事成功地將雙水相體系用于分離葉綠素，解決了蛋白質(zhì)變性和沉淀的問(wèn)題，并測(cè)定了多種雙水相系統(tǒng)的相圖，考察了蛋白質(zhì)、核酸、病毒、細(xì)胞及細(xì)胞顆粒在雙水相中的分配行為[11]。1979年，德國(guó)Kula等[12-13]利用雙水相萃取來(lái)分離生物酶，從而為雙水相體系在生物蛋白以及酶的分離上的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。由于該雙水相體系萃取環(huán)境條件溫和，生物相容性好；分配系數(shù)可控，聚合物修飾、相系統(tǒng)組成、操作條件易放大。目前，雙水相萃取分離技術(shù)在生物、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域的分離與純化方面已得到了比較廣泛的應(yīng)用。

2雙水相體系研究進(jìn)展

1984年，Zvarova首次利用聚乙二醇(PEG)來(lái)形成雙水相體系，測(cè)定了多種PEG/鹽/水雙水相體系相圖。并測(cè)定了多種離子如：Na+、K+、Zn2+、Co2+、Lu3+、I-、Br-、PO43-等在這些體系中的分配行為，同時(shí)指出了用雙水相體系分離金屬離子的可能性[14]。由于該雙水相體系與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑萃取相比具有無(wú)毒、不揮發(fā)、不易燃等特點(diǎn)，且操作簡(jiǎn)單。目前，用這一技術(shù)分離金屬離子的研究相當(dāng)活躍。如利用L35-Na2SO4-H2O雙水相體系萃取分離Ni(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Zn(Ⅱ) 和Cu(Ⅱ)[15]；在PEO-(NH4)2SO4-H2O、PEO-Li2SO4-H2O、L35-(NH4)2SO4-H2O 和L35-(Li)2SO4-H2O體系中加入一定量的硫氰酸鉀來(lái)分離Co(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)和Ni(Ⅱ)等離子[16]；利用聚乙二醇1500(PEG1500)-(NH4)2SO4體系對(duì)Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)和Pb(Ⅱ)等金屬離子進(jìn)行分離研究等[17]。

通常，雙水相萃取過(guò)程包括雙水相的形成、溶質(zhì)在雙水相中的分配、雙水相的分離、聚合物及鹽的回收。但是，隨著雙水相體系的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)雙水相體系最常用的成相物質(zhì)聚乙二醇(PEG)和葡萄糖(Dextran)的成本過(guò)高而且很難回收，這樣就阻礙了雙水相體系的工業(yè)化進(jìn)程。因此，開發(fā)一些廉價(jià)且溶劑易回收的雙水相體系就成了該技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，在一些電解質(zhì)水溶液中，當(dāng)加入適量與水互溶的脂肪醇后(乙醇、正丙醇等)，也能夠形成雙水相體系。這是因?yàn)闊o(wú)機(jī)鹽離子具有水化作用，當(dāng)體系中加入脂肪醇后，脂肪醇與鹽離子都爭(zhēng)奪水分子，由于二者爭(zhēng)奪水分子的能力不同，從而出現(xiàn)分相現(xiàn)象[18-19]。與傳統(tǒng)的聚合物雙水相體系相比，這種新型的脂肪醇/鹽/水體系具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①脂肪醇的成本低、來(lái)源豐富；②脂肪醇的黏度小，傳質(zhì)及分相速率都非?？欤液苌儆腥榛F(xiàn)象；③脂肪醇的揮發(fā)性大，溶劑易于回收。從而降低了操作費(fèi)用。

由此，人們通過(guò)在氯化鉀、氯化銨混合溶液中添加多種脂肪醇進(jìn)行試驗(yàn)，最終確定了在氯化鉀和氯化銨混合溶液中加入正丙醇能夠形成雙水相體系，即正丙醇—氯化鉀—氯化銨—水雙水相體系。

在該體系中，氯化鉀和氯化銨在兩相中得到重新分配，進(jìn)而達(dá)到分離的效果[20]。人們通過(guò)對(duì)該體系相圖的考察，選定了分離兩種無(wú)機(jī)鹽的最佳相區(qū)，即液—液—固三相區(qū)。并在該相區(qū)中通過(guò)對(duì)多種因素的考察，如溫度、無(wú)機(jī)鹽配比、正丙醇初始濃度等，得到了不同因素對(duì)氯化鉀氯化銨分離效果的影響[21]。即對(duì)于不同質(zhì)量百分比的KCl/NH4Cl，低溫都有利于其固體析出率的提高；當(dāng)KCl/NH4Cl為3/1、2/1、1/1時(shí)，溫度對(duì)固體中KCl含量影響不大，當(dāng)KCl/NH4Cl(質(zhì)量比)為1/3時(shí)，固體中NH4Cl含量有所升高但幅度不大；不論KCl/NH4Cl(質(zhì)量比)為何值，正丙醇初始濃度越大，固體析出率越大，而固體純度則均會(huì)逐漸降低，但幅度不大。相同外界條件下，當(dāng)KCl/NH4Cl(質(zhì)量比)>1/2時(shí)，KCl/NH4Cl(質(zhì)量比)越大，固體析出率越大且固體中KCl的含量也增大；當(dāng)KCl/NH4Cl(質(zhì)量比)為1/3時(shí)，固體中以NH4Cl為主。并得出在298.15 K下，正丙醇濃度為1 kg/L時(shí)，當(dāng)KCl/NH4Cl(質(zhì)量比)為3/1時(shí)，其KCl純度維持在98%左右；KCl/NH4Cl(質(zhì)量比)為2/1時(shí)，其KCl純度為95%左右；KCl/NH4Cl(質(zhì)量比)=1/1時(shí)，其KCl純度在91%左右；當(dāng)KCl/NH4Cl(質(zhì)量比)為1/3時(shí)，固體中NH4Cl含量較高，可達(dá)98%以上。

3結(jié)論

通過(guò)將脂肪醇/鹽/水雙水相體系應(yīng)用于氯化鉀氯化銨混合溶液的分離，開發(fā)了一種分離氯化鉀、氯化銨混合溶液的新方法，即正丙醇—氯化鉀—氯化銨—水雙水相體系。該方法成本低、且溶劑易于回收。因此，為性質(zhì)相似的無(wú)機(jī)鹽的分離指明了一個(gè)新的方向。

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Application of Aqueous-two Phase System in the Separation of Inorganic Salts

SHI Xuna , HAN Qinghua

(Luoyang Ruize Petrochemical Engineering Co.Ltd , Luoyang471000 ， China)

Abstract:Different separation methods of potassium chloride and ammonium chloride mixture are analyzed.The present situation for separating mixed solution of potassium chloride and ammonium chloride by aqueous two-phase system (1-propanol-KCl-NH4Cl-H2O aqueous two-phase system) is introduced,and the application of aqueous two-phase system is expanded.

Key words:potassium chloride ； ammonium chloride ； 1-propanol ； aqueous two-phase system ； separation

中圖分類號(hào)：TQ028.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3467(2016)03-0016-03

作者簡(jiǎn)介：史許娜(1985-)，女，助理工程師，從事化工設(shè)計(jì)工作，電話：15690662402。

收稿日期：2016-01-18