溶剂浮选技术的新应用及理论模型研究
溶剂浮选是一种特殊的气浮分离技术:水溶液中具有表面活性(或疏水性)的待分离组分由于其较小的界面张力(或较强的疏水性),很容易吸附在微小气泡的表面,随着气泡的上升而被带到浮选柱的顶部,气泡破裂后,待分离目标物与浮选柱顶部的有机相发生某种作用(直接溶解或与有机相中络合剂发生络合反应后溶解)而被赋存。溶剂浮选技术具有操作简单、高分离效率、高富集系数、传质温和、低有机溶剂消耗等优点,广泛应用于仪器分析的样品前处理、水体中有机污染物分离、天然产物中活性物质分离等领域。本文以溶剂浮选为研究中心,拓展了环境分析、天然产物中活性物质分离富集和生物发酵液中有效组分提取方面的应用；发展了“双水相浮选”和“气浮络合萃取”两种新的分离模式；提出了“临界气泡半径”和“液滴传质平衡”的概念,对经典的溶剂浮选数学模型进行了改进,并提出了新的理论模型。取得了以下主要进展:
1、针对蔬菜中拟除虫菊酯类农药,建立“溶剂浮选-高效液相色谱”的测定方法。通过对溶剂浮选分离条件的优化,成功实现了蔬菜提取液中溴氰菊酯、甲氰菊酯和联苯菊酯的分离富集；高效液相色谱测定结果显示,整个分析方法的检出限为1.4～4.2μg／kg,回收率为85.7～110.4％,相对标准偏差为1.70～6.19％。
2、利用溶剂浮选技术,实现温和条件下青霉素发酵液中青霉素G的分离富集。利用溶剂浮选技术高富集系数和传质温和的优点,在优化分离条件的基础上,实现了pH=3.5和室温条件下青霉素G的分离富集,分配系数达到9.89,并将乙酸丁酯在水相中的残留率降低到0.018 wt％；此外,整个分离过程还去除了大量强极性杂质,实现了产物的初步净化。
3、将双水相体系和溶剂浮选技术相结合,提出“双水相浮选”的分离模式。利用聚乙二醇(PEG)对青霉素G良好的相容性,实现了双水相体系条件下发酵液中青霉素G的分离富集,分离效率达97％以上,富集因子提高到19；同时,双水相体系的使用大大降低了环境污染,分离条件也明显优于其他分离技术(pH=6.8,室温操作)。此外,动力学研究表明,双水相浮选的分离过程存在沉淀浮选和分子吸附浮选两个阶段,沉淀浮选过程的存在是双水相浮选分离速率明显高于传统溶剂浮选的重要因为；浮选产物赋存形态研究表明,PEG相对离子态青霉素G良好的相容性是实现整个温和分离过程的关键,也是分离效率大幅提高的一个重要因为。
4、利用双水相浮选技术,实现天然产物提取液中活性物质的分离富集。在优化的分离条件下,对葛根提取液中的葛根素和大豆苷进行分离富集,分离效率分别达到了87％和91％,富集因子分别达到29.04和30.33:在此基础上,采用高速逆流色谱对浮选产物进一步纯化,得到了纯度超过95％的葛根素样品,为制备高纯度葛根素提供了一种新的方法:“双水相浮选一高速逆流色谱”法(ATPF-HSCCC)。与此同时,应用双水相浮选技术对黄芩提取液中的黄芩苷进行分离富集,在最佳分离条件下,分离效率达到90％以上。
5、将络合萃取技术与溶剂浮选技术相结合,提出“气浮络合萃取”的分离模式。以二-(2-乙基己基)磷酸酯(P204)为络合剂,采用气浮络合萃取对发酵液中L-苯丙氨酸进行分离富集,在最佳分离条件下两相分配系数可达24～25；浮选产物经过反萃取和重结晶纯化后,可以得到纯度超过98％的L-苯丙氨酸白色晶体。对气浮络合萃取的分离机制进行初步研究,结果表明,整个分离过程主要受络合反应控制,气泡传质模式的引入大大增加了传质界面上反应物的浓度,推动了络合反应朝有利于分离目标物的方向进行。
6、探讨了一些溶剂浮选的理论问题。在经典溶剂浮选理论模型的基础上,提出“临界气泡半径”和“液滴传质平衡”的概念,实现了对一些特殊实验现象的合理解释；通过对小气泡合并行为和小液滴传质行为的研究,改进了经典的溶剂浮选数学模型；结果表明,改进后的数学模型能够更好地对溶剂浮选的动力学过程和热力学平衡进行描述。根据前面几部分对溶剂浮选、双水相浮选和气浮络合萃取分离过程的研究,本文认为溶剂浮选的实质是“液-液萃取”,气泡传质过程的引入只是增强了传质动力,但并不会改变其通过液-液界面进行传质的基本形式；在这一思路的基础上,建立了新的溶剂浮选数学模型。
溶剂浮选;双水相浮选;气浮络合萃取;气浮分离;传质平衡
北京化工大学
博士
化学
李殿卿;董慧茹
2011
中文
TQ028.32;TQ021.4
154
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）