有關(guān)高校化學(xué)專業(yè)溶劑微膠囊萃取分離的教學(xué)方法研究

梁鑫月

[摘? ? ? ? ? ?要]? 介紹了近年來得到發(fā)展的新型分離技術(shù)之一 ——溶劑微膠囊萃取分離技術(shù)的教學(xué)。具體從它的起源、原理制備方法以及應(yīng)用和發(fā)展方面進行介紹，致力于加深對方法的了解，并增強教學(xué)的豐富性以及科研創(chuàng)新能力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 溶劑微膠囊;萃取;教學(xué);創(chuàng)新

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2022）06-0103-03

一、前言

近年來，傳統(tǒng)的萃取分離技術(shù)已經(jīng)不滿足于當(dāng)前高校的教學(xué)和科研，由于21世紀(jì)的分離科學(xué)面臨著更多新的機遇和挑戰(zhàn)，為提高創(chuàng)新能力，提高思維發(fā)散性，新的分離技術(shù)便成為教學(xué)熱點。與眾多已經(jīng)完備的技術(shù)相同，萃取作為最傳統(tǒng)的分離技術(shù)之一，也受到新的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在界面張力大小對混合和分相影響很大、兩相的夾帶導(dǎo)致二次污染、操作相比不能太大或太小、兩相物性有相對高的要求、設(shè)備設(shè)計和放大相對困難等[1]。一種新的萃取分離技術(shù)——溶劑微膠囊萃取技術(shù)應(yīng)運而生，它作為萃取技術(shù)與材料科學(xué)結(jié)合的優(yōu)勢成果，成為分離領(lǐng)域較新的研究方向之一，也是高?？蒲械姆较蛑?，應(yīng)加強教育。

二、教學(xué)內(nèi)容

（一）簡介微膠囊

微膠囊是一種采用高分子材料作為膠囊壁，包覆氣體、液體和固體的微小顆粒，它具有表面積大、體積小、表面性質(zhì)以及包覆率和形狀大小可以調(diào)節(jié)等優(yōu)點[2]。國內(nèi)外各大研究者將其用在溶劑萃取中，之后這項溶劑微膠囊萃取技術(shù)得到了迅速發(fā)展，不僅解決了以往的問題，還因其獨有的優(yōu)勢擁有良好的發(fā)展前景。

（二）簡介溶劑微膠囊萃取分離原理

溶劑微膠囊萃取是利用微囊化方法在膠囊形成過程中將用于萃取的溶劑包覆于空腔內(nèi)，使萃取劑由流動相轉(zhuǎn)為固定相。微膠囊是一種新型的仿生膜體，包覆萃取劑的微膠囊作為萃取體系用于分離，使含萃取劑的有機相與被萃取相隔開，可避免發(fā)生乳化和有機溶劑的損失，萃取后容易實現(xiàn)相分離和物質(zhì)的回收[3]。微膠囊球狀的半滲透膜使它在分離過程能有相對較小的分散體積和相對較大的表面積，使微小的滲透性分子易于穿過薄膜并在腔內(nèi)迅速達(dá)到平衡，將萃取劑與含待萃取離子的溶液隔離開。在空腔內(nèi)，兩相間的傳質(zhì)過程也由普通溶劑萃取的液-液之間變?yōu)楣?液之間，有的還能用于氣體，這也使此過程的操作更簡便，降低萃取設(shè)備的復(fù)雜性，消除液-液萃取時的放大失真。區(qū)別于物理吸附，溶劑微膠囊技術(shù)是在制備過程中將萃取溶劑包在空腔內(nèi)來固定，所以溶劑和萃取劑的穩(wěn)定性都比較高。

（三）簡介微膠囊的制備

1.化學(xué)法

（1）界面聚合法：用含不同活性基團的兩種單體分別溶于兩種不同互不相溶的溶劑中，加入乳化劑，當(dāng)體系中兩種溶液分散后，界面上會形成一層聚合物膜，形成微膠囊[4]。

（2）原位聚合法：在一定條件下，將單體和引發(fā)劑直接放置在乳化液滴表面目標(biāo)位置進行聚合反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)讓得到的聚合物膜能包覆在液滴外表面直接形成微膠囊[5]。

（3）銳孔法：將高聚物和被包裹物同時溶解于溶液中，將混合物用微孔裝置緩慢注射或滴加到固化劑中迅速固化，形成粒徑均勻的微膠囊[6]。

2.物理法

（1）噴霧干燥法：在冷卻或加熱裝置中混合用于形成微膠囊的聚合物和被包裹物形成乳液體系，被熱氣流霧化成均勻分散的小液滴，干燥脫去溶劑后形成微膠囊[7]。

（2）空氣懸浮法：用強氣流將在流化床上使被包裹物懸浮在空氣中，將準(zhǔn)備好的粘稠聚合物溶液涂覆于芯材表面，將溶劑揮高溫?fù)]發(fā)，形成微膠囊[8]。

（3）靜電結(jié)合法：將芯材與壁材各制成帶相反電荷的氣溶膠微粒，通過靜電吸引凝結(jié)成微膠囊[9]。

（4）擠壓法：用親水膠體溶液與被包裹物混合，再用注射式針頭擠壓使其能夠形成液滴滴于固定液中，針頭的直徑和通過擠壓下落的距離決定微膠囊的形狀以及大小[10]。

3.物理化學(xué)法

（1）復(fù)凝聚法：找到兩種或多種電性相異的聚合物，改變混合物溫度和酸堿度等因素誘導(dǎo)帶相反電荷的聚合物互相吸引形成兩相，令膠體凝聚成微膠囊[11]。本方法適用于包裹不溶于水的液體或者固體粉末。

（2）水（油）相分離法：將聚合物溶于水或有機溶劑后使被包裹物分散其中，逐步向體系中加入聚合物的非溶劑，使聚合物凝聚后沉積在被包裹物表面形成微膠囊。

（3）熔化分散冷凝法：將蠟狀聚合物融化在其受熱時將被包裹物分散在液凝態(tài)蠟中并形成液滴，待體系冷卻形成微膠囊。

（四）簡介溶劑微膠囊的優(yōu)缺點

1.溶劑微膠囊的優(yōu)點

避免了傳統(tǒng)溶劑萃取的乳化和分相問題，能防止萃取劑流失，萃取容量高且溶劑穩(wěn)定性好，膠囊的壁材選擇范圍很寬。由于溶劑微膠囊不僅具有溶劑萃取的性質(zhì)，即溶劑萃取的選擇性好、容量大的特點，還可以解決液-液萃取對兩相物性要求較高的問題。因此，在金屬離子分離、有機酸萃取、藥物及油品分離等方面均體現(xiàn)出優(yōu)良的性能[12]?？梢砸龑?dǎo)師生對其優(yōu)點有更深入的思考，利用其優(yōu)點創(chuàng)新應(yīng)用。

2.溶劑微膠囊的不足

溶劑特有的性質(zhì)，如腐蝕性、對高分子包覆材料的溶脹性等，制備復(fù)雜，如壁材的選擇有時難以滿足實際需要，耐有機溶劑性能好的壁材較少，對一些含有活性基團萃取劑微膠囊的制備方法也還比較少等。它的不完備之處為高校生物、化學(xué)、環(huán)境、材料、醫(yī)學(xué)、食品藥品等專業(yè)的科研提供了新方向，通過了解其發(fā)展歷程，加強教學(xué)可激發(fā)師生靈感，改善實際應(yīng)用問題。

（五）簡介溶劑微膠囊的應(yīng)用和發(fā)展

微膠囊的制備和萃取技術(shù)近年來取得可觀的發(fā)展，在國內(nèi)外很多領(lǐng)域多有應(yīng)用。有研究者基于乳液和溶液相轉(zhuǎn)移法，以萃取有機酸和氧氟沙星為目的，利用聚砜為微膠囊壁材制備出三辛胺、P204等溶劑微膠囊，使分離出的物質(zhì)收率大大提高。也使三辛胺有了直接用來進行萃取分離的可能，這是傳統(tǒng)的溶劑萃取無法達(dá)到的，因為相分離存在一定難度。

Kamio Eiji等[13]利用包覆EHPNA的微膠囊對鑭、釤和鉺元素進行了萃取實驗。結(jié)果表明，采用有機磷作為萃取劑時，結(jié)合理論可推測出微膠囊萃取過程分三個階段，表面擴散、表面反應(yīng)以及內(nèi)擴散階段。

袁悅等人[14]采用膠囊化技術(shù)制備三辛胺（TOA）的明膠海藻酸鈣復(fù)合膜膠囊，考察其在硫酸介質(zhì)中萃取Cr2O72-的傳質(zhì)動力學(xué)，通過對滲透系數(shù)的測定，得出用于萃取Cr2O72-的最適條件為海藻酸鈉質(zhì)量濃度為0.7%，明膠質(zhì)量濃度為6%，水油比為3 ∶ 2。

Kazuo Kondo[15]等用包埋有酸性有機磷的微膠囊作為固定相裝柱子，來分離稀土元素，取得了較好的分離效果。

李海梅等[16]通過溶劑揮發(fā)法合成了聚砜微膠囊，其中，2-乙基己基膦酸單-2-乙基己基脂為芯材，聚醚砜為膜材。經(jīng)過反復(fù)實驗，探究不同芯膜比的聚砜微膠囊對銦（Ⅲ）吸附量的影響。結(jié)果表明，在溫度為25℃、pH=3、芯膜比為1.3 ∶ 1時對銦的吸附效果最好。

封宇等人[17]為解決傳統(tǒng)萃取工藝中溶劑損失和乳化等問題，采用溶劑揮發(fā)法成功制備了具有囊狀結(jié)構(gòu)的含P204萃取劑微膠囊。結(jié)果表明，其在較低濃度的鈾溶液中的吸附性能較好，當(dāng)稀釋劑為二甲苯、萃取劑濃度為50%時，其對鈾的吸附容量可達(dá)40 mg/g及以上。

尹娟娟等人[18]制備了包埋萃取劑（磷酸三丁酯）的磁性聚砜微膠囊，并研究了其對對氯苯酚、鄰氯苯酚、對硝基苯酚和苯酚的吸附性能。將微膠囊放入含有上述物質(zhì)的水溶液并于室溫振蕩，測定不同時間后溶液中上述物質(zhì)的濃度，計算吸附量。再將吸附酚后的微膠囊放入適量的氫氧化鈉溶液中適當(dāng)震蕩，測定其濃度計算脫吸附量。結(jié)果表明，上述物質(zhì)在pH≤6的條件下吸附效果較好。

楊俊鵬等人[19]以β-環(huán)糊精為主要原料，采用微膠囊雙水相方法萃取蒔蘿精油。實驗表明，傳統(tǒng)的水蒸氣蒸餾法得到的蒔蘿精油中香芹酮的含量只有41.56%，而微膠囊雙水相萃取出的香芹酮含量可達(dá)81.15%，具有較高的選擇性和專一性，提高了精油的質(zhì)量，防止有效成分分解。

駱廣生等人[20]應(yīng)用溶液蒸發(fā)制備微膠囊的方法研究實踐，并考察了壁材與分散劑的選擇對不同萃取劑進行包覆的影響，用含有硅油的聚砜微膠囊對水中揮發(fā)性有機污染物（VOC），發(fā)現(xiàn)其有良好的分離提取效果。

喻玲玲[21]用制備P25組裝微膠囊以輕于水的有機物做內(nèi)部富集相對污染物中的氯酚進行富集。成功合成了兩種表面帶有不同電荷的水包油型微膠囊并對水體中普遍含有的低濃度氯酚進行富集，負(fù)載金屬鈀后對富集物進行直接光降解。這也為污染物的處理問題提供了新思路。

也有微膠囊用于氣體萃取作為空氣清潔材料的實例。如果蔬萃取液微囊，是一種以植物萃取液和貴金屬納米觸媒為芯材、以高科技透氣材料為壁材形成的微膠囊，用于對空氣中甲醛的吸收與分解，功能強于活性炭。

三、總結(jié)

上述教學(xué)內(nèi)容條理清晰、框架完整、論證與實例相結(jié)合，可加深師生對溶劑微膠囊技術(shù)的理解，引導(dǎo)師生思考、總結(jié)，增強師生的科研興趣和跨學(xué)科融合教學(xué)并深入探究其可應(yīng)用的范圍。如，因其分離與富集的特點，可用于對金屬、有機酸、藥物和酚類的處理，因其具有良好的保護腔內(nèi)物質(zhì)生理活性的作用，進行細(xì)微改良甚至可以應(yīng)用于動植物毒素的富集與分離;因其有效地保護易揮發(fā)的組分的優(yōu)點，或可用于易揮發(fā)物質(zhì)的萃取以提高易揮發(fā)萃取劑的利用;對于微膠囊萃取還可以開發(fā)對有毒、有害氣體吸收方面的應(yīng)用，用以解決其他分離方法無法解決的難題等?；谝陨戏治?，溶劑微膠囊技術(shù)可應(yīng)用于多種學(xué)科領(lǐng)域，有望為高校師生教學(xué)、科研提供新思路。

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◎編輯 馬燕萍