双水相体系在无机盐分离中的应用

史许娜 , 韩清华

(洛阳瑞泽石化工程有限公司 ， 河南 洛阳　471000)



双水相体系在无机盐分离中的应用

史许娜 , 韩清华

(洛阳瑞泽石化工程有限公司 ， 河南 洛阳471000)

摘要：分析了氯化钾和氯化铵混合溶液的不同分离方法，介绍了双水相体系(正丙醇—氯化钾—氯化铵—水双水相体系)对该混合溶液的分离现状，拓展了双水相体系的应用范围。

关键词：氯化钾 ； 氯化铵 ； 正丙醇 ； 双水相体系 ； 分离

0前言

无机盐混合体系的分离方法有多种，主要有溶剂萃取法、泡沫吸附法、电化学分离法、膜分离法、转化法、结晶分离法、离子交换法、萃取结晶法等。

1双水相体系介绍

双水相体系是一种广泛应用于蛋白质分离、生物化工、医药产品及金属等领域的分离体系。它是指当一定浓度的某种有机物水溶液与其它有机物水溶液或者有机物水溶液与无机盐水溶液以一定比例混合，能够自发分相，并且可以形成互不相溶的一种双水相或者多水相体系。它具有体系简单、成本低、性质温和、低毒等优点，是一种具有很大潜力和广阔工业应用前景的体系。

该体系是在1896年由荷兰微生物学家Berjerinck首次发现的[10]，但直到20世纪六十年代才引起人们重视并开始进行比较系统的研究。1956年，瑞典Lund大学的Albertsson教授及同事成功地将双水相体系用于分离叶绿素，解决了蛋白质变性和沉淀的问题，并测定了多种双水相系统的相图，考察了蛋白质、核酸、病毒、细胞及细胞颗粒在双水相中的分配行为[11]。1979年，德国Kula等[12-13]利用双水相萃取来分离生物酶，从而为双水相体系在生物蛋白以及酶的分离上的应用打下了基础。由于该双水相体系萃取环境条件温和，生物相容性好；分配系数可控，聚合物修饰、相系统组成、操作条件易放大。目前，双水相萃取分离技术在生物、化工、医药等领域的分离与纯化方面已得到了比较广泛的应用。

2双水相体系研究进展

1984年，Zvarova首次利用聚乙二醇(PEG)来形成双水相体系，测定了多种PEG/盐/水双水相体系相图。并测定了多种离子如：Na+、K+、Zn2+、Co2+、Lu3+、I-、Br-、PO43-等在这些体系中的分配行为，同时指出了用双水相体系分离金属离子的可能性[14]。由于该双水相体系与传统有机溶剂萃取相比具有无毒、不挥发、不易燃等特点，且操作简单。目前，用这一技术分离金属离子的研究相当活跃。如利用L35-Na2SO4-H2O双水相体系萃取分离Ni(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Zn(Ⅱ) 和Cu(Ⅱ)[15]；在PEO-(NH4)2SO4-H2O、PEO-Li2SO4-H2O、L35-(NH4)2SO4-H2O 和L35-(Li)2SO4-H2O体系中加入一定量的硫氰酸钾来分离Co(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)和Ni(Ⅱ)等离子[16]；利用聚乙二醇1500(PEG1500)-(NH4)2SO4体系对Cu(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)和Pb(Ⅱ)等金属离子进行分离研究等[17]。

通常，双水相萃取过程包括双水相的形成、溶质在双水相中的分配、双水相的分离、聚合物及盐的回收。但是，随着双水相体系的发展，人们发现双水相体系最常用的成相物质聚乙二醇(PEG)和葡萄糖(Dextran)的成本过高而且很难回收，这样就阻碍了双水相体系的工业化进程。因此，开发一些廉价且溶剂易回收的双水相体系就成了该技术未来的发展方向。

后来人们发现，在一些电解质水溶液中，当加入适量与水互溶的脂肪醇后(乙醇、正丙醇等)，也能够形成双水相体系。这是因为无机盐离子具有水化作用，当体系中加入脂肪醇后，脂肪醇与盐离子都争夺水分子，由于二者争夺水分子的能力不同，从而出现分相现象[18-19]。与传统的聚合物双水相体系相比，这种新型的脂肪醇/盐/水体系具有以下几个优点：①脂肪醇的成本低、来源丰富；②脂肪醇的黏度小，传质及分相速率都非常快，且很少有乳化现象；③脂肪醇的挥发性大，溶剂易于回收。从而降低了操作费用。

由此，人们通过在氯化钾、氯化铵混合溶液中添加多种脂肪醇进行试验，最终确定了在氯化钾和氯化铵混合溶液中加入正丙醇能够形成双水相体系，即正丙醇—氯化钾—氯化铵—水双水相体系。

在该体系中，氯化钾和氯化铵在两相中得到重新分配，进而达到分离的效果[20]。人们通过对该体系相图的考察，选定了分离两种无机盐的最佳相区，即液—液—固三相区。并在该相区中通过对多种因素的考察，如温度、无机盐配比、正丙醇初始浓度等，得到了不同因素对氯化钾氯化铵分离效果的影响[21]。即对于不同质量百分比的KCl/NH4Cl，低温都有利于其固体析出率的提高；当KCl/NH4Cl为3/1、2/1、1/1时，温度对固体中KCl含量影响不大，当KCl/NH4Cl(质量比)为1/3时，固体中NH4Cl含量有所升高但幅度不大；不论KCl/NH4Cl(质量比)为何值，正丙醇初始浓度越大，固体析出率越大，而固体纯度则均会逐渐降低，但幅度不大。相同外界条件下，当KCl/NH4Cl(质量比)>1/2时，KCl/NH4Cl(质量比)越大，固体析出率越大且固体中KCl的含量也增大；当KCl/NH4Cl(质量比)为1/3时，固体中以NH4Cl为主。并得出在298.15 K下，正丙醇浓度为1 kg/L时，当KCl/NH4Cl(质量比)为3/1时，其KCl纯度维持在98%左右；KCl/NH4Cl(质量比)为2/1时，其KCl纯度为95%左右；KCl/NH4Cl(质量比)=1/1时，其KCl纯度在91%左右；当KCl/NH4Cl(质量比)为1/3时，固体中NH4Cl含量较高，可达98%以上。

3结论

通过将脂肪醇/盐/水双水相体系应用于氯化钾氯化铵混合溶液的分离，开发了一种分离氯化钾、氯化铵混合溶液的新方法，即正丙醇—氯化钾—氯化铵—水双水相体系。该方法成本低、且溶剂易于回收。因此，为性质相似的无机盐的分离指明了一个新的方向。

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Application of Aqueous-two Phase System in the Separation of Inorganic Salts

SHI Xuna , HAN Qinghua

(Luoyang Ruize Petrochemical Engineering Co.Ltd , Luoyang471000 ， China)

Abstract:Different separation methods of potassium chloride and ammonium chloride mixture are analyzed.The present situation for separating mixed solution of potassium chloride and ammonium chloride by aqueous two-phase system (1-propanol-KCl-NH4Cl-H2O aqueous two-phase system) is introduced,and the application of aqueous two-phase system is expanded.

Key words:potassium chloride ； ammonium chloride ； 1-propanol ； aqueous two-phase system ； separation

中图分类号：TQ028.4

文献标识码：A

文章编号：1003-3467(2016)03-0016-03

作者简介：史许娜(1985-)，女，助理工程师，从事化工设计工作，电话：15690662402。

收稿日期：2016-01-18