萃取及萃取设备的研究进展论文

摘要：研究了运用固相微萃取／GC／ECD直接萃取溅定水中的三种氯酚的方法，得到了分析三种氯酚的SHE最佳萃取条件；选取聚丙烯酸酯(PA)萃取头，水溶液调pH=2，并用NaCl饱和，室温下在持续磁力搅拌下直接萃取40min，纤维萃取头在260℃脱附5min。所建立的方法适于快速、方便地测定水中三种氯酚，无须浓缩和预处理。 1 引言 固相微萃取是九十年代发展起来的一种快速、省时、高效、操作简便的样品前处理技术。它克服了以往预处理方祛的诸多不足，集采集、浓缩于一体，简单、方便、无溶剂，不会造成二次污染，是一种有利于环保的很有应用前景的预处理方法。萃取装置使用涂有色谱固定相或吸附剂的熔融石英纤维管(简称为萃取头)，和外套不锈钢管加以保护，形状像一支色谱进样针，可方便地与气相色谱、液相色谱、色谱／质谱等仪器联用。它携带方便，可以直接从液体和气体中取样然后分析，已广泛用于环境样品的分析中[4][5][6][7]。氯酚类化合物是环境(水和土壤)中重要的污染物，其中2，4-氯苯酚(以下简称DCP)、2，4，6三氯苯酚(以下简称TCP)和五氯苯酚(以下简称PCP)已被我国列为水体中优先控制污染物。目前，对酚类化合物的分析主要是采用液－液萃取法，如美国EPA方法中的604[8]和[9]，以及后来发展起来的固相萃取法(SPE)。液-液萃取的主要缺点是多步、费时，而且需要大量价格较高并对健康有害的高纯有机溶剂。SPE方法尽管同液-液萃取相比有了很大的改进，但仍是多步过程，且对半挥发性化合物的萃取受到方法本身的限制。本研究利用固相微萃／GC／ECD方法对水中这三种氯酚进行了分析，并讨论了各种实验条件对分析结果的影响，结果表明该方法快速、简单、准确，适合水中上述三种氯酚的分析。 2 实验部分 仪器与试剂惠普5890型气相色谱仪(配电子捕获检测器)；固相微萃取装置(加拿大Supelco公司，萃取头为85μm膜厚的聚丙烯酸酯固相涂层针头)2，4-二氯苯酚、2，4，6-三氯苯酚、五氯苯酚色谱纯晶(购于PureChemical Analysis .)；：氯化钠(分析纯)；甲醇(色谱纯)；无酚水(500ml蒸馏水加入5ml10％的NaOH和少量KMn04加热蒸馏，取馏出液。) 色谱条件色谱柱：HP公司HP-5MS 31m××μm石英毛细管柱；进样口温度：260℃；柱温：60℃(4min)—260℃(3min)，升温速率8℃／min；ECD检测器温度：280℃；载气流速：高纯氮，／min；无分流进样。 固相微萃取条件与过程在100ml容量瓶中预先加入的HCl，再加入定量的氯酚标准溶液，并用无酚水稀释至刻度。取10ml(总容积约为12ml)洁净顶空瓶(带铝封盖和内衬聚四氟乙烯膜的密封垫)，加入过量固体NaCl(约4g)和磁力棒，再加入配制好的标准待测样品，立即加盖密封压紧，将顶空瓶置于磁力搅拌仪上，启动搅拌，然后在常温下从瓶盖上方直接插入针管(注意针管套不要接触瓶内液面)，推下手柄活塞杆，使萃取头完全浸入溶液中，保持40min。 萃取时间到达后，取出针管，立即插入气相色谱进样口进行热解析5min。 3 结果与讨论 测定结果 萃取涂层的选择 目前应用较多的三种多聚物涂层百非极性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和极性的聚丙烯酸酯(PA)或聚乙二醇（PEG)[4]。PDMS涂层通常用于非极性化合物的分析，PA涂层通常用于中极性化合物的分析，我们比较了同一氯酚混标样在PDMS和PA两种不同萃取头作用下的测定结果(见图3)，结果表明PA萃—取头对酚类的萃取效果更好[9]。 萃取平衡时间对萃取量的影响由于待测物分子从溶液中向固相涂层的传质速度比较慢[3]，所以直接萃取要求的时间要相对长一些。表1所示为三种氯酚在不同萃取时间下萃取量的影响。实验表明，平衡时间越长，SPME萃取量越大，40min以后萃取量基本上不随时间的延长而增大，表明萃取过程达到了平衡，故本实验取平衡时间为40min。 酸度对萃取量的影响三种氯酚均属于弱酸，其离解常数pka如下：2，4-DCP(pka =)，2，4，6-TCP(pka=)，PCP(pka=)，在pH为中性的溶液中，氯酚都有离解，能形成离子状态，不利于萃取。降低pH值，能使它们的电离受到抑制，以保持氯酚的分子状态，使其在固相涂层上有更大的亲和力，从而增加萃取量，同时也提高了回收率。文献[10]中反映，当pH低于2时，萃取平衡时间将大大延长，pH=1时，PCP甚至在4h后才能达到平衡，考虑到实际应用，实验中我们测定了同一氯酚混标样在pH=2至pH=6值时的萃取效果(见图4)，结果表明，pH值取2时，三种氯酚的萃取效果最佳。 盐加入量对萃取量的影响向待测样品中加入一定量的盐类，能产生所谓的“盐析”效应，可以降低氯酚在水中的溶解度，迫使氯酚进入SPME固相涂层中[11]。实验中，加入饱和的NaCl能明显提高氯酚的萃取量(见表2)。然而，PCP属于例外，因为它的离解常数(pka=)相对较高，中性溶液中其分子状态较少，以离子状态为主[2]，当加入N幻后，由于溶液的离子强度增加，加速了PCP的高解反而使萃取量降低。当加NaCl的同时调节溶液的酸度(pH=2)时，PCP的离解降低，又能使PCP的萃取量恢复至未加NaCI的水平。实验表明，投加饱和NaCl应与调节溶液pH值同时采用方能保证三种氯酚的萃取量的提高。 方法的精密度、准确度及检出限表3 方法的线性范围、精密度、回收率情况 Table 3 Linear range，Precision and Recovery of the method 线性范围（) RSD(%)(n=10) 平均回收率%（n=10） 2，4-DCP ～10 93 2，4，6-TCP ～20 90 PCP ～5 92 随着苯酚上的取代氯的增加，方法的最低检出限逐步提升，2，4-DCP为 ，2，4，6-TCP为·Lt-1，PCP为·L-1。表3结果表明，三种氯酚采用SPME方法线性范围宽，适用范围广。 4 结论 本研究表明同时测定三种氯酚的SPME最佳化条件是：采用PA萃取头，调节pH=2，以NaCl饱和，常温磁力搅拌下直接萃取40min，260℃下脱附5min。 SPME是一种快速、简便和非常有应用前景的样品预处理手段，用来分析水体中的三种氯酚化合物具有简便、快捷、高效的特点。

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是指夹带剂占加料量的质量分数。往往夹带剂和萃取剂不是一种状态的物质，所以一般不用物质的量之比、体积比等表示夹带剂多少，而采用比较方便的质量分数表示。下面是有关超临界流体萃取及夹带剂的一些介绍和一篇论文，仅供参考。超临界流体萃取(Superitical Fluid Extraction，以下简称SFE)是一项发展很快、应用很广的实用性新技术。传统的提取物质中有效成份的方法，如水蒸汽蒸馏法、减压蒸馏法、溶剂萃取法等，其工艺复杂、产品纯度不高，而且易残留有害物质。超临界流体萃取是利用流体在超临界状态时具有密度大、粘度小、扩散系数大等优良的传质特性而成功开发的。它具有提取率高、产品纯度好、流程简单、能耗低等优点。 什么是超临界：任何一种物质都存在三种相态----气相、液相、固相。三相呈平衡态共存的点叫三相点。液、气两相呈平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。超临界流体(SCF)是指在临界温度（Tc）和临界压力(Pv)以上的流体。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。超临界萃取的原理：超临界流体萃取分离过程的原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下，超临界流体具有很好的流动性和渗透性，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以在超临界流体萃取过程是由萃取和分离组合而成的。超临界流体（SCF）的选取：溶质在某溶剂中的溶解度与溶剂的密度呈正相关，SCF也与此类似。因此，通过改变压力和温度，改变SCF的密度，便能溶解许多不同类型的物质，达到选择性地提取各种类型化合物的目的。可作为SCF的物质很多，如二氧化碳、一氧化亚氮、六氟化硫、乙烷、甲醇、氨和水等。其中二氧化碳因其临界温度低（Tc＝℃),接近室温；临界压力小(Pv＝)，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力。且无色、无味、无毒、不易燃、化学惰性、低膨胀性、价廉、易制得高纯气体等特点，现在应用最为广泛。� 二氧化碳超临界萃取的溶解作用：在超临界状态下，CO2对不同溶质的溶解能力差别很大，这与溶质的极性、沸点和分子量密切相关，一般来说有以下规律：亲脂性、低沸点成分可在104KPa以下萃取，如挥发油、烃、酯、内酯、醚、 环氧化合物等，像天然植物和果实中的香气成分，如桉树脑、麝香草酚、酒花中的低沸点酯类等；化合物的极性基团( 如-OH、-COOH等)愈多，则愈难萃取。强极性物质如糖、氨基酸的萃取压力则要在4×104KPa以上；化合物的分子量愈大， 愈难萃取。分子量在200～400范围内的组分容易萃取，有些低分子量、易挥发成分甚至可直接用CO2液体提取；高分子量 物质(如蛋白质、树胶和蜡等)则很难萃取。超临界CO2萃取的特点 ：1、可以在接近室温(35-40℃)及CO2气体笼罩下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发渡、 易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来。%B2、由于全过程不用有机溶剂，因此萃取物绝无残留溶媒，同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，100%的纯天然，符合当今“绿色环保”、“回归自然”的高品位追求。%B3、控制工艺参数可以分离得到不同的产物，可用来萃取多种产品，而且原料中的重金属、无机物、尘土等都不会被CO2溶解带出。4、蒸馏和萃取合二为一，可以同时完成蒸馏和萃取两个过程，尤其适用于分离难分离的物质，如有机混合物、同系物的分离精制等 。 5、能耗少；热水、冷水全都是闭路循环，无 废水、废渣排放。CO2也是闭路循环，仅在排料时带出少许，不会污染环境。由于能耗少、用人少、物料消耗少，所以运行费用非常低。因此，CO2特别适合天然产物有效成分的提取。对于天然物料的萃取，其产品真正称得上是100%纯天然的“绿色产品”。影响超临界萃取的主要因素： 1.密度：溶剂强度与SCF的密度有关。温度一定时，密度(压力)增加，可使溶剂强度增加， 溶质的溶解度增加。2.夹带剂：适用于SFE的大多数溶剂是极性小的溶剂，这有利于选择性的提取，但限制了其对极性较大溶质的应用。因此可在这些SCF中加入少量夹带剂（如乙醇等）以改变溶剂的极性。加一定夹带剂的SFE-CO2可以创造一般溶剂达不到的萃取条件，大幅度提高收率。 3. 粒度：溶质从样品颗粒中的扩散，可用Fick第二定律加以描述。粒子的大小可影响萃取的收率。一般来说，粒度小有利于 SFE-CO2萃取。 4. 流体体积：提取物的分子结构与所需的SCF的体积有关。 增大流体的体积能提高回收率。 超临界流体萃取技术研究与应用进展赵东胜,刘桂敏,吴兆亮(河北工业大学化工学院,天津300130)摘要:综述了超临界流体萃取的基本原理,以及提高超临界流体萃取效率的方法,包括加入夹带剂,利用高压电场和超声波等.并对超临界流体萃取技术在生物化工,食品,医药和环保行业的最新应用情况作了介绍.关键词:超临界流体萃取;萃取效率;夹带剂;应用中图分类号:文献标识码:A文章编号:1008-1267(2007)03-0010-03超临界流体萃取技术(SFE)是利用超临界流体作为萃取剂,从液体或固体中萃取了特定成分,以达到分离目的产物的一种新型分离技术.超临界流体萃取具有其它分离方法无可比拟的优点:易于和产物分离,安全无毒,不造成环境污染,操作条件温和不易破坏有效成分等.因此,超临界流体萃取技术在生化,医药,日化,环保,石化及其它领域具有广阔的应用前景.1超临界流体萃取超临界流体超临界流体(SCF)是指超过临界温度(TC)和临界压力(PC)的非凝缩性的高密度流体[1].超临界流体兼有气体和液体两者的特点,密度接近于液体,而粘度和扩散系数却接近于气体,因此不仅具有与液体溶剂相当的溶解能力,而且具有优良的传质性能.超临界流体的溶解能力除了与超临界流体和待分离溶质二者性质相似性有关外,还与操作温度和压力等条件有关.操作温度与超临界流体的临界温度越接近,其溶解能力越强;无论操作压力多高,超临界流体都不能液化,但流体的密度随压力的增大而增大,其溶解能力也随之增强.超临界流体萃取的原理超临界流体萃取技术就是利用上述超临界流体的特殊性质,将其在萃取塔的高压下与待分离的固体或液体混合物接触,调节系统的操作温度和压力,萃取出所需组分;进入分离塔后,通过等压升温,等温降压或吸附等方法,降低超临界流体的密度,使该组分在超临界流体中的溶解度减小而从中分离出来.提高萃取效率的方法提高萃取效率的方法除了适当提高萃取压力,选取合适萃取温度和增大超临界流体流量之外,还可以采用加入适量的夹带剂,利用高压电场和超声波等措施.加入夹带剂加入适量合适的夹带剂可明显提高超临界流体对被萃取组分的选择性和溶解度.张昆等[2]对夹带剂甲醇的加入对超临界流体的溶解能力和萃取选择性进行了研究,结果表明甲醇的加入可以显著增加流体的溶解能力,且其增加的程度随甲醇的添加量的增加而增加,这在一定程度上有利于极性物质的提取,但是加入甲醇后会使流体的选择性降低.因此在添加夹带剂时,应选择最优添加量.表面活性剂也可以作为夹带剂提高超临界流体萃取效率,提高的程度与其分子结构有关,分子的脂溶性部分越大,其对超临界流体的萃取效率提高越多[3].关于夹带剂的作用原理,8zlemCü>lü-stündag等[4]研究认为是夹带剂的加入改变了溶剂密度或内部分子间的相互作用所致.在选择萃取剂时应注意以下几点:(1)在萃取阶段,夹带剂与溶质的相互作用是首要的,即夹带剂的加入能使溶质的溶解度较大幅度提高;(2)在溶质再生(分离)阶段,夹带剂应易于与溶质分离;(3)在分离涉及人体健康的产品时,如药品,食品和收稿日期:2006-10-10第21卷第3期2007年5月天津化工TianjinChemicalIndustry化妆品等,还需注意夹带剂的毒性问题.利用高压电场高压脉冲电场可显著改善萃取溶质与膜脂等成分的互溶速率及通过细胞壁物质的传质能力,从而提高萃取效率.宁正祥等[5]用高压脉冲电场强化超临界CO2萃取荔枝种仁精油,在300MPa以下时,高压脉冲处理可明显改善超临界萃取效率;尤其是在萃取率低于80%时,高压脉冲电场效果显著.利用超声波在超临界流体萃取天然生物资源活性有效成分的过程中,采用强化措施减少萃取的外扩散阻力往往能取得很好的萃取效果.陈钧等[6]研制了带有超声换能器的萃取器,利用超声强化超临界萃取中的传质过程.方瑞斌等[7]用超声波强化超临界CO2萃取紫杉醇.研究表明,如要完全萃取紫杉醇,未强化超声超临界CO2的萃取时间是强化超声超临界CO2的3倍.在对紫杉醇浸膏的萃取实验中,强化超声的超临界CO2很快达到100%萃取,而未强化超声的超临界萃取在3倍时间及用量相同条件下只达到41%的萃取率,这充分显示了超临界萃取与超声技术并用的优越性.Ai-junHu等[8]对超声强化超临界流体萃取薏苡种子中的薏苡油和薏苡仁酯的研究也表明,超声强化技术可以很大程度地提高萃取效率.此外,还有一些强化措施包括搅拌,增加流量或采用移动床等,这些措施都是为了达到减少萃取中外扩散阻力的目的.2超临界流体萃取技术在工业上的应用在生物化工中的应用由超临界流体的特性可知,它特别适合用于热敏性生物物质的分离和提取.目前超临界流体萃取技术已应用于提取和精制混合油脂,如用EPA(二十碳五烯酸)和DHA(二十二碳六烯酸)总含量为60%的鱼油为原料,可得到纯度高达90%的EPA和DHA[9].MarionLétisse等[10]对超临界流体萃取法富集沙丁鱼中EPA和DHA的操作条件进行了优化.袁成凌等[11]对超临界流体萃取微生物发酵法生产的真菌油脂进行了研究,结果表明采用超临界CO2富集微生物菌丝体中多不饱和脂肪酸的方法在工艺上是可行的,但富集效果还有待进一步提高.等[12]对超临界流体萃取牛脑中的胆固醇进行了研究.在食品工业中的应用超临界流体萃取技术在食品工业的应用已有相当长的历史.用超临界流体萃取技术脱除咖啡豆和茶叶中的咖啡因早已实现工业化生产.德国SKW公司生产脱咖啡因茶,采用超临界流体萃取技术生产能力达6000t/a.此外,SKW公司还将超临界流体萃取技术应用于啤酒的生产,该公司超临界流体萃取加工酒花的设备的生产能力为104t/a[13].SeiedMahdiPourmortazavi等[14]研究了利用超临界流体萃取植物中的精油,结果表明,与蒸馏法相比此法具有明显优势:萃取时间短,成本低,产品更纯净.等[15]对超临界流体萃取玉米中白僵菌毒素进行了研究.将超临界流体技术应用于食品领域,可使食品的外观,风味和口感更好,因此超临界流体萃取技术在食品工业具有广阔的应用前景.在医药行业中的应用超临界流体萃取在医药行业的应用是非常广泛的,尤其值得一提的是在中药有效成分的提取方面,我国做了大量工作.目前,超临界流体萃取中药有效成分已实现工业化生产,浙江康莱特公司将其用于萃取抗癌中药,云南森菊公司拥有两套1000L的萃取除虫菊成分的超临界流体萃取装置[16].杜玉枝等[17]研究表明,CO2超临界萃取比石油醚抽提优越,具有收率高,提取时间短及无溶剂残留等优点,适合于藏成药安神丸的制备.Benliu等[18]研究了利用超临界流体萃取黄连根中的黄连成分.很多学者对超临界流体萃取中药有效成分进行了研究,如川芎,白芷,当归和黄连等.在环境保护中的应用超临界流体萃取技术在环境保护领域尤其是处理被污染的固体物料和水体等方面具有广阔的应用前景.于恩平[19]利用超临界流体萃取方法处理多氯联苯污染物的研究表明,用超临界流体萃取技术可以清除固体物料中的有机毒性物质.高连存等[20]对炼钢厂炼焦车间土壤进行了SFE研究,比较了温度和压力对超临界流体萃取PAH(苯丙胺酸羟化酵素)类化合物的影响,并且用GC-MS(气-质联用法)分析结果和索式提取法做了对比,结果其回收率远远第21卷第3期赵东胜等:超临界流体萃取技术研究与应用进展11高于索式提取法的回收率.游静等[21]研究了用固相吸附与超临界流体萃取相结合富集水中有机污染物的方法,表明超临界流体萃取对水中极性较大的有机化合物的处理是可行的.等[22]对超临界流体萃取海洋沉积物和土壤样本中的多环芳烃污染物进行了研究,多环芳烃回收率达到90%以上.Kong-HwaChiu等[23]也将超临界流体萃取技术应用于治理环境中的有机污染物.除了上面提到的几个方面的应用,超临界流体萃取技术还在日化,陶瓷和仪器分析等领域有着重要的应用.3展望超临界流体与气体和液体相比,可以说兼具后两者的优点而又克服了它们的不足,而且超临界流体萃取操作条件温和,所以超临界流体萃取技术相比其它分离方法优势非常明显.目前,超临界流体萃取技术在各领域应用过程中还有很多问题有待解决,相信通过国内外专家的共同努力,该技术在各领域的应用必将深入,而且会不断拓宽,其在工业生产上的作用也将随之日益凸显