《溶剂萃取》课件.ppt

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1、第 6 讲（第6章）,本科生课程,分 离 原 理 与 技 术,第6章 溶剂萃取分离法,6.1 基本概念6.2 主要萃取体系6.3 影响萃取的各种因素6.4 溶剂萃取方法6.5 胶体萃取6.6 双水相萃取,I2水溶液,这是因为I2在CCl4中的溶解度大于它在水中的溶解度，I2在相间的转移过程是物理过程。而更多的情况下，被萃取对象要与试剂（萃取剂）发生化学作用。,CCl4,I2/CCl4,H2O,实 例,溶剂萃取（solvent extraction）,溶于某一液相中的组分，在与第二液相接触后转入第二液相的过程。又称液-液萃取。通常是水相-有机相。,利用组分在两互不相溶的溶剂之间的分配行为的差异进

2、行分离的方法,萃取泛指任意两相间的传质过程，包括液-固萃取（固相萃取），SFE，逆流（色谱）萃取等等。,反萃取被萃物进入有机相后，再用水相将其中部分组分萃取出来。主要目的是把随目标物质进入有机相的杂质除掉。,溶剂萃取法的发展过程,19世纪中叶人们就知道用有机溶剂萃取某些无机物。如1842年Peligot用二乙醚萃取硝酸铀酰。,1872年Berthelot和Jungfleisch根据经验提出了液-液分配的定量关系。,1891年Nernst从热力学观点出发阐明了液液分配的定量关系。,20世纪40年代以后，溶剂萃取走向成熟（完善的理论体系，丰富的萃取模式，广泛的应用领域）。,溶剂萃取的优缺点,优点

3、仪器设备简单，操作方便；分离选择性高；应用范围广。既可以用于无机物萃取，又可用于有机物萃取。既可进行大量物质分离，又可用于微量组分的富集。处理量大，适合工业规模分离，易于实现连续自动操作。,缺点 有机溶剂易挥发，多对人体有害 手工操作比较麻烦，费时 分离效率（柱效）不高。（比LC小23个数量级）,6.1 基本概念,1.分配平衡常数(A)H2O(A)org（萃取）分配常数KDKD为常数的条件：溶质A在溶液中的浓度极低；A在两相中的分子形态相同；温度一定。,碘在水和CCl4之间的分配（25C）I2H2O,mol/L I2CCl4,mol/L KD 0.1148102 10.09102 87.89

4、0.0762102 6.52102 85.54 0.0500102 4.26102 85.20 0.0320102 2.72102 85.00,热力学分配平衡常数K0 KD也称（萃取）分配系数化学势与K0 平衡时：org aq 即：,2.分配比 当溶质在某一相或两相中发生离解，缔合，配位或离子聚集现象时，同一溶质在同一相中就可能存在多种形态。如OsO4在CCl4/H2O体系中分配时,出现下列情况。OsO4在水中水解 OsO4 H2O HOsO5H HOsO5 OsO52 HOsO4在CCl4中聚集 4 OsO4(OsO4)4水相形态：OsO4，HOsO5，OsO52 CCl4相形态：OsO4，

5、(OsO4)4,分配比（D）因为同一物质的每种形态在两相中的分配系数都不一样。故分配比定义为某种物质在两相之间各形态总浓度的比值。,分配比不一定是常数，随实验条件（pH，萃取剂，溶剂，盐析剂等）而变化。当溶质在两相中只有一种形态时，DKD,3.萃取率（E）对于一次萃取：以CaqVorg除上式，得：可见：E得大小取决于分配比和相比（两相体积比）,当相比为1（即VaqVorg）时：对于分配比D较小的物质，可以通过减小相比（即增加有机溶剂体积）来提高萃取率，但这种作用不明显。而且，增大有机溶剂体积会使有机相中的溶质浓度降低，不利于后继分离和测定工作。所以，通常是采用多次萃取或连续萃取来提高萃取率。,

6、多次萃取 可推导出（请自己推导）经n次萃取后，水相中残留溶质A的平衡浓度Cn为：当VaqVorg时：式中C0为水相中A的最初浓度，即总浓度。,4.分离系数（分离因子）对于单一形态溶质，DKD，于是有：,6.2 主要萃取体系,1.萃取过程(1)在水相中可萃取络合物的生成和 水相中发生的化学变化(2)可萃取络合物在水相和有机相间的分配平衡(3)可萃取络合物在有机相中发生的化学反应（聚合，离解，与其它组分反应）,2.萃取体系的分类基于元素萃取到有机相的形式分类中性配合萃取体系（简单分子萃取体系）阳离子交换萃取体系（螯合萃取体系）离子缔合萃取体系协同萃取体系其他萃取体系（如高温萃取体系）,6.2.1

7、中性配合萃取体系,1.特点被萃取物在水相中以中性分子形式存在萃取剂也是中性分子（含有适当配位基团）被萃取物与萃取剂形成中性配合物TBP煤油体系从硝酸溶液中萃取硝酸铀酰被萃取物形式：UO2(NO3)2（铀的其他形态如UO22,UO2NO3等不被萃取）萃取剂：TBP（磷酸三丁酯）中性配合物：UO2(NO3)22TBP,6.2.1 中性配合萃取体系,2.中性配合萃取剂中性含磷萃取剂：磷酸酯；膦酸酯；次膦酸酯；膦氧化物；焦磷酸酯；膦的有机衍生物 中性含氧萃取剂：酮，酯，醇，醚等，如MIBK（甲基异丁基酮）中性含硫萃取剂：亚砜，硫醚含氮中性萃取剂：吡啶等。,6.2.1 中性配合萃取体系,3.中性配合萃取

8、举例萃取强酸 非极性溶剂可以萃取近乎中性分子的弱酸，但不能萃取强酸；极性溶剂（醇，醚，酮，酯）可以萃取强酸。如醚萃取硝酸：H+NO3+E HNO3E 或者 H+NO3 H2O E HNO3H2OE 有机相中溶剂化的H+与溶剂或水分子要形成氢键。,6.2.1 中性配合萃取体系,萃取金属离子 UO22+2NO3+2TBP UO2(NO3)22TBP,6.2.2 阳离子交换萃取体系,1.特点萃取剂通常是既溶于水又溶于有机溶剂的有机酸；故在两相中有分配。被萃取物通常是金属阳离子，它与有机酸生成配合物或螯合物。Mn+(aq)+nHA3(org)MAn(org)+nH+(aq)有机酸萃取金属离子的过程可以

9、看作是水相中的阳离子与有机酸HA中的的交换反应。,6.2.2 阳离子交换萃取体系,2.阳离子交换萃取剂酸性含磷萃取剂：烷基磷酸（如二烷基磷酸）螯合萃取剂：-二酮（如：乙酰丙酮），8-羟基喹啉类，污类，羟胺衍生物，双硫腙，酚类。有机羧酸和磺酸：羧酸和磺酸在煤油，苯和CCl3中常成为二聚体。,6.2.2 阳离子交换萃取体系,3.萃取步骤酸性萃取酸性萃取剂对金属离子的萃取(1)萃取剂HA在两相中分配：HA(aq)HA(org)(2)萃取剂在水相中离解：HA H+A-(3)水相中金属与萃取剂阴离子配位：Mn+nA-MAn(4)在水相形成的金属配合物（或螯合物）在两相中分配 MAn(aq)MAn(org

10、),6.2.2 阳离子交换萃取体系,4.阳离子交换萃取举例二烷基磷酸萃取稀土 RE3+3(HA)2 RE(HA)23 3H+二烷基磷酸以二聚体参与配位 萃取物结构如右,陆九芳p65,6.2.3 离子缔合萃取体系,1.特点萃取剂阴（阳）离子与被萃取物阳（阴）离子在水相中相互缔合后进入有机相。多数情况下是阳离子萃取剂与金属配阴离子形成的缔合体系。被萃取物以各种多样的形式被萃取。如形成非溶剂化配位盐，溶剂化配位盐，阴离子配合物等等。离子缔合萃取平衡比较复杂，定量处理比较困难。,6.2.3 离子缔合萃取体系,2.胺类萃取体系常用胺类萃取剂为脂肪胺萃取无机盐时形成盐进入有机相 R3N（org）H+X-R

11、3NH+X-（org）可以用碱将酸从有机相中反萃出来 R3NHX（org）+OH-R3N H2O X溶于有机相中的胺盐能与水相中的阴离子交换 R3NHX（org）+A-R3NHA（org）+X-（aq）交换能力的大小为：ClO4 NO3 Cl HSO4 F I Br Cl,6.2.3 离子缔合萃取体系,胺类萃取金属离子时，金属离子以配阴离子形式与胺生成离子缔合物。叔胺萃取硫酸铀酰阴离子交换萃取机理 2R3N（org）H2SO4（R3NH)2SO4（org）UO22+2SO42-UO2(SO4)22-(R3NH)2SO4（org）UO2(SO4)22-(R3NH)2UO2 SO4)2（org）S

12、O42-,6.2.3 离子缔合萃取体系,3.冠（穴）醚萃取体系金属阳离子与冠（穴）醚中的杂原子（O，N，S，P等）靠静电相互作用形成配合物后进入有机相。配合物的稳定性与冠（穴）醚的空穴直径，冠（穴）醚环上杂原子种类、数目和空间排列，环上取代基，金属离子的体积和电荷，溶剂性质等有关。穴醚因具有两个以上环，为三维结构化合物，其球形空穴对金属离子的配合能力比单环的冠醚要大得多。冠（穴）醚的亲水杂原子向内侧，外侧是疏水的CH2CH2基，因而使萃取配合物在有机相溶解性增加。,6.2.3 离子缔合萃取体系,穴醚2,2,2与金属离子的配合反应,6.2.3 离子缔合萃取体系,冠醚与阳离子配位后，阳离子原来的配

13、对阴离子仍伴随在外。,6.2.3 离子缔合萃取体系,冠醚萃取硝酸和从硝酸水溶液中萃取U(VI)，Pu(IV)等离子的机理与萃取碱金属离子不同，而类似于TBP的萃取反应（中性配合萃取），形成溶剂化物。H+NO3-+C（org）C HNO3（org）UO22+2NO3-+C（org）C UO2(NO3)2（org）M(NO3)4+2C（org）2C M(NO3)4（org）,6.2.3 离子缔合萃取体系,4.金属以配阴离子被萃取（佯盐萃取体系）机理（以乙醚萃取6M盐酸水溶液中的Fe3+为例）(1)水相中被萃取金属离子Fe3+与适当的阴离子Cl-结合形成配阴离子 Fe3+4 Cl FeCl4(2)含

14、氧萃取剂与进入有机相的水合H+结合形成佯盐阳离子 H+R-O-R（org）+H+Cl-R-O-R（org）+Cl-(3)金属配阴离子与萃取剂佯盐阳离子缔合生成佯盐 R R OH+(org)FeCl4 OHFeCl4 R R,6.2.3 离子缔合萃取体系,5.金属以阳离子被萃取 部分大阳离子可以直接与萃取剂阴离子缔合后进入有机相 一些阳离子先与大分子螯合配位体形成配阳离子，配阳离子再与水相中的大阴离子（ClO3-，ClO4-，CNS-等）缔合后进入有机相。如Fe3+先与联吡啶形成配阳离子，再与ClO4-缔合（缔合物如右）,6.2.4 协同萃取体系,1.协同萃取作用 混合萃取剂同时萃取某一物质时，

15、其分配比显著大于相同浓度下各单一萃取剂分配比之和。即：有协同效应：D协同D加和D1D2无协同效应：D协同D加和反协同效应：D协同D加和协萃系数R：R=D协同/D加和,6.2.4 协同萃取体系,二(2-乙基己基）磷酸（P204）与中性含磷萃取剂协萃体系萃取UO22+的协萃系数含磷萃取剂（B）TBP BDBP TOPO单独含磷萃取剂 DB 0.0002 0.002 0.06单独P204萃取剂 DP204 135 135 135 混合萃取剂 D协同 470 3500 3500协萃系数 R 3.5 25.9 25.9TBP=磷酸三丁酯；BDBP=二丁基膦酸丁酯；TOPO=三辛基氧膦,6.2.4 协同萃

16、取体系,2.协同萃取机理生成了更为稳定的含有两种以上配位体的可萃物；生成的配合物疏水性更强，更易进入有机相中。如单独阳离子交换萃取反应：Mn+n HA(org)MAn(org)加入中性配合萃取剂S后的协同萃取反应：Mn+n HA(org)x S(org)MAnSx(org)n H,6.2.4 协同萃取体系,取代机理如果形成的萃合物中含有自由萃取剂HA，则加入中性萃取剂S后，S取代HA生成更稳定或更疏水的萃合物。UO22+3HOx(org)UO2(Ox)2HOx(org)2HUO2(Ox)2HOx(org)TOPO(org)UO2(Ox)2TOPO(org)HOx(org)有时，加入强配位体后，

17、也可以部分取代配位数已饱和的单一配体萃合物。Pu(TTA)4(org)HNO3 TOPO(org)Pu(TTA)3NO3TBPO(org)HTTA,6.2.4 协同萃取体系,溶剂化机理如果金属的配位数没有饱和，只有一部分被萃取剂A配位，剩下的配位部分被水分子占据，当加入中性萃取剂S后，S取代水分子，形成A和S的协同萃取体系。Y(TTA)3 2H2O(org)2TBP(org)Y(TTA)3 2TBP(org)2H2O,6.2.4 协同萃取体系,主要协同萃取体系 体 系 类 型 实 例萃取剂类型 阳离子交换与中性配合 P204和TBP萃取UO22+不同的二元 阳离子交换与胺类协同 TTA和TOA

18、萃取Th4+协萃体系 中性配合与胺类协同 TOPO和TOA萃取Am3+萃取剂类型 阳离子交换与阳离子交换 TTA和HAA萃取RE3+相同的二元 中性配合与中性配合 TBP和Ar2SO萃取UO22+协萃体系三元协萃体系 阳离子交换/中性配合/胺类 P204/TBP/R3N萃取UO22+,6.3 影响萃取的各种因素,1.萃取剂浓度的影响自由（游离）萃取剂浓度增加，分配系数上升。自由萃取剂浓度指有机相中未参与形成萃合物的萃取剂浓度。浓度高到一定程度后会出现活度系数降低的趋势。,2.酸度的影响不同萃取体系中酸度的影响不同。在中性配合萃取体系中，酸度直接影响与金属形成中性盐的阴离子的浓度。阳离子交换萃取

19、体系中H直接和金属离子竞争萃取剂。3.金属离子浓度的影响 金属离子浓度较低的情况下，对萃取几乎无影响，但当金属离子浓度很高时，会导致有机相中游离萃取剂浓度降低，从而降低分配系数。,4.盐析剂的影响盐析现象：在萃取中，向水相中加入另一种无机盐使得金属分配系数上升的现象。所加无机盐称盐析剂。盐析剂往往含有与被萃物相同的阴离子，加入盐析剂将产生同离子效应，使分配系数上升。由于盐析剂的水合作用，使得水相中的一部分水成了它们的水合水，从而降低了自由水的浓度。同时也就提高了金属离子的活度，使分配系数提高。,5.温度的影响,主要看萃取反应是吸热还是放热反应。温度对TBP萃取铀的影响见右图,6.样品溶液中杂质

20、离子的影响,水相中存在的能与金属离子配合的阴离子会抑制（减弱）萃取配合物的生成,7.萃取剂的影响 萃取的结构和性质直接影响其与金属离子的配位。8.稀释剂的影响稀释剂：加入有机相中起溶解萃取剂、减小有机相粘度、抑制乳化等作用的惰性溶剂。稀释剂影响萃取剂的聚合。稀释剂可能与萃取剂形成氢键。9.第三相形成的影响 第三相的形成影响萃取过程，必须避免。,6.4 溶剂萃取方法,1.分批萃取（单级萃取）操作简单，是实验室常用的萃取方法。被萃物分配比较大时，只需进行1次萃取操作。分批萃取适合于一个组分定量地保留在水相，而另一个组分在两相之间分配的情况。几种常用萃取仪器（见下页）,溶剂萃取装置,2.连续萃取（多

21、级萃取）将含有被分离物质的水相与有机相多次接触以提高萃取效率的分离方法。连续萃取装置的基本构成 萃取器：样品溶液和有机溶剂在其中进行萃取。烧瓶：既作萃取液接受器，也是萃取剂蒸发器。冷凝器：将萃取剂蒸汽冷凝后，回滴到萃取器中，进行下一级萃取。（装置实例见下页）,有机溶剂比水轻时的装置,有机溶剂比水重时的装置,6.5 胶体萃取,1.基本概念胶体（胶团）萃取被萃取物以胶体或胶团形式被萃取。胶体萃取也能用于无机物的分离，但应用较少。如：氯仿（或CCl4）萃取胶体金；乙醚或氯仿萃取胶体银或硫酸钡。正向微胶团：在水溶液中加入表面活性剂达到一定浓度时，会形成表面活性剂聚集体（胶团），在这种胶团头中，表面活性

22、剂的极性头（基团）朝外（向水），而非极性尾朝内。,反向微胶团：与正相微胶团相反，当向非极性溶剂中加入表面活性剂达到一定浓度时，会形成憎水非极性尾朝外（向溶剂），而极性头（亲水基）朝内的胶团。胶团大 小在毫微米级。(e)正向微胶团(f)反向微胶团,生物物质对分离体系的要求严格由于在分离过程中生物物质容易被破坏，很多通常的分离方法（如蒸馏）难以采用。由于生物样品一般粘度较大，过滤和超滤等也困难。由于生物物质（蛋白质）的亲水憎油性，使其难溶于一般有机溶剂；不适合通常的水相/有机溶剂相体系。由于生物物质直接与有机溶剂接触会引起变性。应尽可能避免直接接触。,对生物物质萃取所用溶剂的要求 即能溶解蛋白质并

23、能与水分相，又不破坏蛋白质的生物功能。反向微胶团对生物物质的溶解 反向微胶团中有一个极性核心，它包括了表面活性剂的极性头组成的内表面，平衡离子和水。此极性核心又称“水池（water pool）”，水池可以溶解极性分子，于是，极性的生物分子就可以溶于有机溶剂而不直接接触有机溶剂。,2.蛋白质的溶解模型,水壳模型 蛋白质居于“水池”中心，水壳层则保护了蛋白质，使其生物活性不会改变。,陆九芳p125a,蛋白质亲水基插入反向微胶团仅蛋白质的亲水基插入胶团内部的“水池”中，而其亲脂基团露在胶团外面，与表面活性剂的疏水剂或有机溶剂的碳氢部分接触。,陆九芳p125b,吸附模型 蛋白质分子吸附在胶团内部由表面

24、活性剂亲水头组成的亲水壁上。,陆九芳p125c,溶解模型 蛋白质被几个胶团包围而溶解于表面活性剂胶团，胶团的非极性尾与蛋白质的亲脂部分直接作用。,陆九芳p125c,水壳模型是比较公认的蛋白质溶解机理胶团中水含量（0）“水池”中的水与正常水不同，特别是当0相当低（如010）时，其冰点通常低于00C。蛋白质表面的电荷与微胶团内表面的电荷之间的静电作用对蛋白质的溶解起重要作用。,3.影响胶团萃取的主要因素,(1)表面活性剂和溶剂种类表面活性剂多采用AOT（琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠）阴离子表面活性剂,有机溶剂通常采用异辛烷。表面活性剂AOT能迅速溶于有机溶剂，也能溶于水而形成液晶态（非球状）胶

25、团。AOT作为反向微胶团的表面活性剂的优点：所形成的胶团的含水率高（0为5060），比季铵盐高一个数量级以上；AOT形成反向微胶团时，不需要助表面活性剂。,(2)水相pH值蛋白质为两性分子，各种蛋白质有确定的等电点(pI)，当pHpI时，蛋白质分子和表面活性剂内表面都荷负电，相互排斥，蛋白质难溶于胶团中。pH过低时，蛋白质会变质，溶解度也降低。,(3)离子强度离子强度增加，减小了蛋白质的表面电荷与微胶团内表面电荷的相互作用，从而降低蛋白质在胶团中的溶解度。,陆九芳p127320,4.胶团萃取分离过程,(1)制备含蛋白质的反向微胶团的三种方法相转移法：将含蛋白质的水相和含表面活性剂的有机溶剂相接

26、触，在缓慢搅拌下，部分蛋白质转入（萃入）有机相。此过程较慢，最终得到的含蛋白质有机相是稳定的。注入法：向含表面活性剂的有机相中注入含蛋白质的水溶液。此过程较快，操作也很简单。溶解法：适用于水不溶蛋白质。将含水的反向微胶团的有机溶液与蛋白质固体粉末一起搅拌。,(2)实例：胶团萃取分离3种蛋白质（核糖核酸酶、细胞色素C、溶菌酶）表面活性剂：AOT；有机相：异辛烷 利用离子强度和pH值调节蛋白质的溶解度差异。pH=9,KCl=0.1M时，核糖核酸酶不溶于胶团，而留在水相。进入有机相胶团中的细胞色素C和溶菌酶用pH=9,KCl=0.5M的水溶液反萃取，只有细胞色素C进入水相。仍留在有机相中的溶菌酶再用

27、pH=11.5,KCl=2.0M的水相反萃取。,陆九芳p128323,6.6 双水相萃取,1896年Beijerinck发现：（明胶琼脂）或（明胶可溶性淀粉）混浊不透明溶液 两个有界面的液相,两相的主成分都是水 上相 富含明胶 下相 富含琼脂（或淀粉）,等体积的2.2%葡聚糖与0.72%的甲基纤维素的水溶液形成的双水相体系 上相：0.39%葡聚糖 0.65%甲基纤维素 98.96%水 下相：1.58%葡聚糖 0.15%甲基纤维素 98.27%水,几类双水相体系聚合物聚合物水：聚丙稀乙二醇甲氧基聚乙二醇 聚乙二醇聚乙烯醇高分子电解质聚合物水：硫酸葡聚糖钠盐聚丙稀乙二醇 羧甲基葡聚糖钠盐甲基纤维素

28、高分子电解质高分子电解质水：硫酸葡聚糖钠盐羧甲基纤维素钠盐 硫酸葡聚糖钠盐羧甲基葡聚糖钠盐聚合物低分子量组分水：聚丙稀乙二醇磷酸钾 甲氧基聚乙二醇磷酸钾 聚丙稀乙二醇葡萄糖表面活性剂表面活性剂水：,生物物质在双水相体系中的分配生物样品的复杂性 分配机理的复杂性 包括可溶性物质（蛋白质、核酸）、悬浮颗粒（细胞或细胞器）；各种物质的大小、形状和性质不同；存在形式不同（离解状态、聚集状态）分配机理的解释 界面张力作用 电位差作用（Donnan效应）,界面张力作用 微小粒子在液体中由于热运动而随机分布，界面张力的影响使它呈不均匀分布，并聚集在双水相体系中具有较低能量的一相中。电位差作用 带电大分子（粒

29、子）在两相中分配时，会在两相产生电位Donnan效应。Donnan效应使得某些物质选择性地通过Donnan膜，即某种（类）物质在某相富集。,影响分配的因素聚合物的组成和浓度pH 影响两相的电位差。盐的种类和浓度,陆九芳p137330,双水相萃取的应用酶、核酸、生长激素、病毒等生物物质的分离纯化萃取流程（右图）聚乙二醇（PEG）-磷酸盐体系萃取酶1.目标酶进入富PEG上相;2.富PEG上相中加盐后形成新双水相，目标酶进入上相。3.富PEG上相中加盐后形成新双水相，目标酶进入下相。,破碎的细胞 PEG/磷酸盐 下相：上相产物：目标蛋白质 细胞碎片、杂蛋 盐 白、核酸、多糖 形成PEG/磷酸盐体系 下相：核酸、上相产物：目标酶 杂蛋白、多糖 盐 形成PEG/磷酸盐体系 下相：目标酶 上相：PEG，蛋白质,双水相体系的特点：体系中水含量达7090，组成双水相的高聚物及某些无机盐不会导致生物物质失活或变性，有时还有保护作用。可直接从含有菌体的发酵液和培养液中提取所需蛋白质，还能不经破碎直接提取细胞内酶。易于进行工业放大，处理量可以较大。萃取后，含有聚合物的目标产物可以采用常用的分离手段（超滤、电泳、色层分离等）将聚合物除掉。,