陽離子雙子表面活性劑凝聚相萃取分離甲基橙的研究

楊光，王瑞娟，張建強，劉瑞雪，陳榮源，曹霞，方少明

鄭州輕工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

0 引言

隨著我國染料工業(yè)的不斷發(fā)展，其生產(chǎn)廢水已導(dǎo)致嚴重的水環(huán)境污染。測定水環(huán)境中的染料濃度并控制水環(huán)境污染就顯得相當(dāng)重要。但是，染料在水環(huán)境中的含量通常較低，大多數(shù)實驗室檢測方法都無法直接對水樣進行分析,需進行檢測前的預(yù)處理(濃縮富集)。目前常用的預(yù)處理方法有液液萃取、微孔膜液液萃取、固相微萃取、超臨界流體萃取、超聲萃取等[1-6]。但是，這些常用的萃取技術(shù)也存在一定的問題，如液液萃取常使用有機溶劑[1]，微孔膜液液萃取存在記憶效應(yīng)[2]，固相微萃取使用的材料價格昂貴[3]，超臨界流體萃取操作條件苛刻[4]，超聲萃取受功率限制等等。因此，建立一種高效、綠色環(huán)保、操作簡便、成本低廉的水體有機污染物染料預(yù)處理方法成為研究熱點。

近年來，基于表面活性劑的微萃取技術(shù)深受研究者的歡迎，主要包括濁點萃取(Cloud Point Extraction, CPE)技術(shù)[7]和凝聚萃取(Coacervation Extraction, CAE)技術(shù)[8]。CPE技術(shù)是以表面活性劑的增溶作用和非離子表面活性劑的濁點(CP)現(xiàn)象為基礎(chǔ)，在非離子表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度(cmc)時，形成能增溶富集目標(biāo)物的膠束；當(dāng)溫度大于CP時，引起相分離，得到富集目標(biāo)物的濃縮相和表面活性劑單體水溶液。作為一種新型萃取技術(shù),CPE具有操作簡便、環(huán)境污染小、萃取效率高、費用低廉等優(yōu)點，目前已應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥、工業(yè)廢水、化妝品等樣品的預(yù)處理[9-16]。但是，商品化的非離子表面活性劑大多是混合物，這增加了分析檢測的難度；另外，其在萃取熱穩(wěn)定性較差的化合物時具有一定的局限性。近年來，新興的CAE技術(shù)可以很好地克服CPE技術(shù)的上述缺點。CAE技術(shù)使用離子表面活性劑，通過加入電解質(zhì)、改變pH值、添加相反電荷的兩親分子等方式誘導(dǎo)發(fā)生液液相分離，其中膠體成分富集的一相叫作凝聚相(coacervate)，與其平衡共存的另一相叫作稀釋相。相較于CPE技術(shù)，CAE技術(shù)使用的離子表面活性劑成分確定、易于檢測。另外，基于離子表面活性劑的凝聚相可以通過范德華力、疏水作用、靜電作用、π-離子作用、氫鍵等與有機污染物發(fā)生相互作用，能給予有機污染物更多的結(jié)合位點。因此，凝聚相因具有豐富的聚集結(jié)構(gòu)(如層狀結(jié)構(gòu)[18]、三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[19-20]、蠕蟲狀膠束纏結(jié)結(jié)構(gòu)[21]等)，可以作為多功能性溶劑[17]有效地萃取大量極性和非極性化合物。

目前，有關(guān)CAE技術(shù)用于水體有機污染物染料預(yù)處理的實例較少[22-25]，尚未建立一種成熟的萃取技術(shù)。因此，基于前期研究基礎(chǔ)[20-21]，本研究以季銨鹽陽離子雙子表面活性劑1,6-二(十二烷基二甲基)溴化二銨(12-6-12)、苯甲酸鈉(NaBz)和羧甲基纖維素鈉(NaCMC)為原料，構(gòu)筑具有不同微觀結(jié)構(gòu)的凝聚相，并考查在陽離子染料亞甲基藍(MB)共存時，其對水溶液中陰離子染料甲基橙(MO)的萃取效率和選擇性，探討凝聚相萃取水體有機污染物的萃取機制，以期為水環(huán)境有機污染物檢測的預(yù)處理技術(shù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

12-6-12，根據(jù)文獻[26]報道的方法合成和純化；NaCMC (M.W.250 000(DS=1.2)，1500～3100 mPa·s)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)；NaBz，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；MO、MB，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)；D2O(純度99.9%)，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司產(chǎn)。

Quanta 650型掃描電子顯微鏡(SEM)，美國FEI公司產(chǎn)；Multiskan Sky型紫外可見分光度計，賽默飛世爾科技(中國)有限公司產(chǎn)；ADVANCE III HD 600型核磁共振光譜儀(NOESY)，德國布魯克公司產(chǎn)；KQ2200B型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)。

1.2 SEM測試

將待測凝聚相樣品(12-6-12/NaBz、12-6-12/NaBz/NaCMC、12-6-12/NaBz/MO和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO)滴于干凈的硅片上，立即用液氮冷凍以完整保留凝聚相的微觀結(jié)構(gòu)；將冷凍樣品于-58 ℃、真空條件下凍干以除去多余的水；在所得干燥樣品表面噴Au(1～2 nm)，完成樣品的制備。SEM測試的工作電壓為20 kV。

1.3 紫外可見(UV-Vis)光譜測試

凝聚相樣品的制備：用微量注射器分別吸取一定體積的0.2 mol/L 12-6-12溶液、0.5 mol/L NaBz溶液(或5.0 g/L NaCMC溶液)，再加入一定體積的去離子水，定容至4.0 mL，振蕩搖勻，靜置分層。

凝聚相體系萃取染料樣品的制備：用微量注射器分別吸取一定體積的0.2 mol/L 12-6-12溶液、0.5 mol/L NaBz溶液(或5.0 g/L NaCMC溶液)，以及一定體積、一定濃度的MO(或MB)染料溶液，再加入一定體積的去離子水，定容至4.0 mL，振蕩搖勻，靜置分層。

UV-Vis光譜測試：測試一系列濃度的MO(或MB)染料溶液的紫外可見吸光度及凝聚相萃取染料后下清液(稀釋相)的紫外可見吸光度。測試波長范圍為200～800 nm，測試溫度為室溫。

1.4 二維(2D)NOESY測試

以D2O為溶劑配制12-6-12/NaBz/MO懸浮液(MO濃度 0.1 mmol/L, 12-6-12濃度50 mmol/L，NaBz濃度0.25 mol/L)，超聲溶解均勻并靜置分層，取上層凝聚相加入核磁管，進行2D NOESY測試。測試溫度為室溫。

2 結(jié)果與討論

2.1 12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相的結(jié)構(gòu)表征

以12-6-12、NaBz和NaCMC為研究對象，通過調(diào)控它們之間的靜電吸引作用、疏水相互作用、氫鍵作用等分子間相互作用，分別構(gòu)筑12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相。采用SEM對凝聚相的微觀結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果如圖1所示。

圖1 凝聚相的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of coacervate

由圖1可見，12-6-12/NaBz凝聚相為線型膠束纏結(jié)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這表明加入水溶性聚電解質(zhì)NaCMC后，凝聚相結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。分析其原因可能是，未加入NaCMC時，12-6-12在有機鹽NaBz的誘導(dǎo)下，發(fā)生由膠束向線型膠束、線型膠束纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變[21]；加入NaCMC后，由于NaCMC是高分子化合物，且?guī)в胸撾姾傻聂人峄鶊F重復(fù)單元，在溶液中可與帶正電荷的12-6-12親水頭基發(fā)生靜電吸引作用，而12-6-12分子中的兩個疏水基團又可以發(fā)生疏水相互作用從而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[20]。

2.2 12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對染料的萃取效率和選擇性

2.2.1MO溶液和MB溶液的濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線表征圖2為不同濃度MO溶液和MB溶液的UV-Vis吸收光譜。由圖2可見，隨著MO溶液和MB溶液濃度的增加，紫外可見吸光度逐漸增強；MO溶液紫外吸收最大波長為460 nm，MB溶液紫外吸收最大波長為664.6 nm。選擇圖2a)中最大紫外吸收波長460 nm處的吸光度對MO溶液濃度作圖，得出MO溶液濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖3a))；通過線性擬合得出標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程A=11.686C+0.018，其中A為吸光度，C為濃度/(mmol·L-1)。選擇圖2b)中最大紫外吸收波長664.6 nm處的吸光度對MB溶液濃度作圖，得出MB溶液濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖3b))；通過線性擬合得出標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程A=45.305C+0.012 22。

圖3 MO溶液和MB溶液濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Concentration absorbance standard curve of MO solutions and MB solutions

2.2.212-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MO的萃取效率在離心管中分別配制MO初始濃度C0為0.03 mmol/L的12-6-12/NaBz/MO和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO混合物，將懸浮液靜置12 h，其數(shù)碼照片如圖4a)、b)所示。由圖4a)、b)可見，兩種混合物靜置12 h后分為上下兩層，其中上層為凝聚相(富集分析物MO)，下層為稀釋相(下清液)，表明12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相均對MO具有較好的萃取效果。不同12-6-12濃度下稀釋相的UV-Vis吸收光譜如圖5所示。由圖5可見，隨著12-6-12濃度的增加，稀釋相的吸光度逐漸降低。繼續(xù)增加12-6-12濃度，12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC兩個體系均發(fā)生沉淀。根據(jù)前述MO標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程可得,不同12-6-12濃度時稀釋相中MO的平衡濃度Ce。再根據(jù)公式：萃取效率=(C0-Ce)/C0×100%，可以得到不同12-6-12濃度時凝聚相對MO的萃取效率，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著12-6-12濃度增加，兩個凝聚相的萃取效率均逐漸增加；當(dāng)12-6-12濃度為50 mmol/L時，萃取效率均達到100%。

圖4 不同混合物的數(shù)碼照片F(xiàn)ig.4 Digital photos of different mixtures

圖5 不同12-6-12濃度下稀釋相的UV-Vis吸收光譜Fig.5 UV-Vis absorption spectra of diluted phase at different concentrations of 12-6-12

圖6 不同12-6-12濃度時凝聚相對MO的萃取效率Fig.6 Extraction efficiency of coacervate relative to MO at different 12-6-12 concentrations

同樣地，考查了12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MB的萃取效果，其數(shù)碼照片如圖4c)、d)所示。由圖4c)、d)可見，上下兩層顏色基本一致且均呈藍色，結(jié)合UV-Vis吸收光譜測試結(jié)果可知，兩個體系對MB均沒有明顯的萃取效果。

2.2.312-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MO的萃取選擇性在離心管中分別配制MO和MB的C0均為0.030 mmol/L的12-6-12/NaBz/MO/MB(C12-6-12=50 mmol/L，CNaBz=0.25 mol/L)和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO/MB(C12-6-12=50 mmol/L，CNaBz=0.25 mol/L，CNaCMC=1 g/L)混合物，將懸浮液靜置12 h，分離凝聚相和稀釋相，其數(shù)碼照片分別如圖4e)、f)所示。由圖4e)、f)可見，兩個體系上層凝聚相均為墨綠色，下層稀釋相均為藍色。上層的墨綠色主要是由于被凝聚相萃取的黃色MO與藍色MB相遇所致，而下層為MB的顏色。兩個體系稀釋相的UV-Vis吸收光譜如圖7所示。由圖7可見，吸收光譜上只存在MB的特征峰而不見MO的特征峰，表明兩個體系均對MO有良好的萃取效果而對MB無明顯的萃取效果。根據(jù)前述標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程及萃取效率,可以計算兩個凝聚相對MO和MB的萃取效率，其中12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MO的萃取效率分別為89.1%和92.3%，而對MB的萃取效率均接近0。這表明當(dāng)陽離子染料MB存在時，兩個凝聚相均能夠選擇性地萃取陰離子染料MO；另外，12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MO的萃取選擇性稍高于12-6-12/NaBz凝聚相。根據(jù)文獻[20]的研究結(jié)果，在12-6-12和NaBz濃度相同的條件下，12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相的體積大于12-6-12/NaBz凝聚相，因此前者能夠提供更多的相互作用位點，從而可以萃取更多的MO分子；此外，凝聚相微觀結(jié)構(gòu)的不同也可能會對MO萃取量有一定的影響。

圖7 12-6-12/NaBz/MO/MB和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO/MB稀釋相的UV-Vis吸收光譜Fig.7 UV-Vis absorption spectra of 12-6-12/NaBz/MO/MB and 12-6-12/NaBz/NaCMC/MO/MB diluted phases

2.3 12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對陰離子染料MO的萃取機制探討

為了闡明凝聚相中表面活性劑和陰離子染料MO的相互作用機制，利用SEM和2 D NOESY分別對凝聚相的微觀結(jié)構(gòu)和分子相互作用位點進行表征，結(jié)果如圖8、圖9所示。

由圖8可見，加入MO后，12-6-12/NaBz/MO凝聚相仍形成蠕蟲狀膠束纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，12-6-12/NaBz/NaCMC/MO凝聚相仍形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，表明MO分子參與了凝聚相的形成。

圖8 12-6-12/NaBz/MO和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO凝聚相的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of 12-6-12/NaBz/MO and 12-6-12/NaBz/NaCMC/MO coacervate

由圖9可見，MO分子的3-H、4-H和5-H質(zhì)子與表面活性劑12-6-12的e-H質(zhì)子存在交叉峰;另外，MO分子的1-H質(zhì)子與表面活性劑12-6-12的a-H、b-H質(zhì)子也存在交叉峰，表明這些質(zhì)子的距離小于0.5 nm，即在12-6-12/NaBz/MO凝聚相中，12-6-12的疏水碳鏈與MO的兩個甲基空間相關(guān)，且12-6-12的親水頭基與MO的苯環(huán)空間相關(guān)。上述結(jié)果表明，一些MO分子通過苯環(huán)結(jié)構(gòu)嵌入12-6-12膠束內(nèi)核，而另一些MO分子則吸附在膠束表面。

圖9 12-6-12/NaBz/MO體系的2D NOESY譜圖Fig.9 2D NOESY spectrum of the 12-6-12/NaBz/MO mixtures

3 結(jié)論

本文以12-6-12、NaBz和NaCMC為原料構(gòu)筑了兩種微觀結(jié)構(gòu)不同的凝聚相，并將其用于萃取分離水介質(zhì)中的染料MO，得出如下結(jié)論：

1)12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對陰離子染料MO均具有良好的萃取效果，對陽離子染料MB沒有萃取效果；當(dāng)C12-6-12=50 mmol/L時，兩個凝聚相對MO的萃取效率均達到100%。

2)當(dāng)12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相萃取同等濃度的MO和MB時，兩個體系對MO的萃取效率分別為89.1%和92.3%，表明在陽離子染料MB存在時，兩個凝聚相對陰離子染料MO都有良好的萃取選擇性。

3)凝聚相萃取MO的萃取機制可能是，12-6-12/NaBz凝聚相中加入MO后，一些MO分子通過苯環(huán)結(jié)構(gòu)嵌入12-6-12膠束內(nèi)核，另一些MO分子吸附在膠束表面參與了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝聚相的形成。

本研究結(jié)果可為拓展CAE預(yù)處理技術(shù)在水環(huán)境有機污染物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。