在线超临界流体色谱联用技术测定超临界二氧化碳中芘溶解度

刘 瑜，郭 威，李 犇

(1. 辽宁科技大学 材冶学院，辽宁 鞍山 114051；2. 辽宁科技大学 化工学院，辽宁 鞍山 114051)

在线超临界流体色谱联用技术测定超临界二氧化碳中芘溶解度

刘 瑜1，郭 威2，李 犇2

(1. 辽宁科技大学 材冶学院，辽宁 鞍山 114051；2. 辽宁科技大学 化工学院，辽宁 鞍山 114051)

设计了一种单阀外循环接口，采用静态溶解度测定方法,联用在线超临界流体色谱，准确测定了芘在超临界二氧化碳中的溶解度. 通过釜内磁力搅拌和接口外循环的双重作用，促进芘在超临界二氧化碳中的溶解平衡过程，确保在测定芘溶解度时体系已达到溶解平衡状态，确定了溶解平衡时间，消除了联用体系中因芘的溶解度过高而产生的体系堵塞问题.

超临界流体色谱；接口；在线分析；溶解度；超临界二氧化碳

在有机合成、分析和分离过程中，需要使用大量有机溶剂作为反应介质或流动相，其中多数为易燃、有毒和危害环境的有机溶剂，而这些溶剂的排放和回收处理逐渐成为环境治理的主要问题[1]. 目前所提出的解决方案主要是通过使用水[2]、超临界流体[3]及离子液体[4]等溶剂替代传统的有机溶剂，其中超临界二氧化碳因具有相对温和的临界条件、较低的生产成本、使用过程中不产生额外的温室气体等优点，使得超临界二氧化碳在溶解度研究领域和超临界流体色谱(supercritical fluid chromatography，SFC)分析技术方面得到了广泛关注和发展[5-6].

超临界二氧化碳对多数有机化合物具有较好的溶解性及可调变性，使得超临界(二氧化碳)色谱广泛适用于天然产物分析，如热稳定性差的脂类化合物[7]、土壤/大气/海水中的(稠环)芳烃污染物(如BTEX、PAHs等)[8]、氨基酸及糖类[9]等物质，具有分析速度快、分离效率高、操作简单等优点. 与气相和液相色谱一样，超临界流体色谱能够用于多用途过程联用操作，常作为在线分析手段来提高试验效率和减小试验分析误差. 超临界过程联用的关键问题是接口方法[10]. 接口(interface)通常由若干高压阀组成，通过定量环完成过程间的取样及在线定量/定性分析. 相比超临界过程与液相色谱联用，超临界流体色谱与超临界过程联用能够在整个过程中保持稳定的超临界状态，接口取样与进样时超临界状态稳定，使得分析结果更准确，基线信号稳定，保留时间重现性好.

确定目标物质在超临界流体中的溶解度是超临界技术应用的重要前提，对所设计过程的可行性、建立最优化试验条件等方面都有重要的指导意义. 本文采用静态溶解度测定方法，通过单阀外循环接口方法建立了一种超临界溶解平衡过程与在线超临界色谱联用的体系[11]，通过预进样在线分析可以确定每次试验前体系的溶解平衡状态，因此能够更准确地测定PAHs化合物(芘)在超临界二氧化碳中的溶解度，并进一步考察了温度、压力等因素对溶解度的影响.

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

日本分光(JASCO)PU-2000系列超临界流体色谱仪(PDA检测器)；日本分光SCF-Sro型磁力搅拌电加热烘箱与EV-3 型50 mL高压釜(内含磁力搅拌棒)，接口由一个Rheodyne高压阀(7010)和一个高压齿轮泵(Micropump X21)组成；万分之一电子天平(上海天美FA2004B).

液体二氧化碳(大连安瑞森，纯度99.9%以上)，色谱级甲醇(Sigma-Aldrich)，无水乙醇(北京化工厂)，芘(北京百灵威，纯度99.0%以上). 试验装置如图1所示.

图1 在线超临界流体色谱测定超临界二氧化碳中芘溶解度装置示意图Fig.1 Diagram of solubility measurement of pyrene in SF-CO2 coupled with on-line SFC by single-valve outer recirculating interface

1.2 超临界溶解度试验装置

釜内加料(200 mg芘)后置于具有磁力搅拌功能的电加热烘箱内，检查密封情况，磁力搅拌速率为600 rpm. 加热炉内温度由室温加热至试验测定温度(40 ℃)，而后二氧化碳泵程序升压至10 MPa，恒温静置30 min. 测定溶解度前，需先在线取样分析3次，分析溶解度数值的变化情况，保证釜内芘在超临界二氧化碳中达到溶解平衡浓度后开始溶解度试验. 在相同时间间隔(4 min)内连续取样分析5次，比较5次超临界色谱峰的变化情况. 如保留时间和峰面积数值稳定，则恒温升至下个压力条件，否则延长溶解平衡时间至60 min，再重复分析直至得到稳定的溶解度数据. 每次升压后需静置40 min确保釜内芘能够达到溶解平衡，需重复3次预进样判断釜内溶解浓度是否稳定，试验压力最大升至28 MPa. 试验结束后，停泵、关闭二氧化碳钢瓶，缓慢打开泄压阀，使釜内芘/二氧化碳混合物经由溶剂瓶吸收后排空至大气，超临界流体色谱通过自动背压阀降压至常压.

1.3 接口

单阀外循环(如图1所示)接口置于恒温(±0.1 ℃)电加热烘箱内，温度与测定溶解度时的温度相同. 外循环泵流速6.5 mL/min，高压六通阀(Rheodyne 7010)进样环体积10 μL. 外循环泵的进口连接50 mL高压釜，出口连接高压阀，阀通过“Load”和“Injection”操作完成取样和进样. 取样时接口与高压釜联通，进样时接口与在线超临界流体色谱联通. 试验开始前需检查釜和接口连接部分的密封性，也可通过检查二氧化碳泵压力数值的稳定状态加以判断.

1.4 超临界流体色谱

Phenomenex氨基柱(250 mm × 4.6 mm，5 μm)，流动相为二氧化碳与甲醇(体积比为90∶10)；PDA检测波长200～300 nm全扫描(295 nm最佳)；泵流速均为 4.5 mL/min；柱温55 ℃ ；进样环体积10 μL. 背压阀设定压力15.5 MPa，温度55 ℃.

2 结果与讨论

2.1 溶解平衡建立

超临界二氧化碳中芘溶解度测定的温度为40 ℃，压力10～28 MPa(每次升压2 MPa). 图2为12 MPa和40 ℃条件下所得到的超临界色谱图，通过5次连续在线分析的试验结果,发现芘的保留时间、峰高及面积前后一致，5次溶解度的RSD数值为2.24，全部试验结果的RSD数值范围为0.39～2.24，说明单阀外循环接口能够有效地连接超临界溶解平衡过程和超临界流体色谱在线分析过程.

图2 芘5次连续进样分析的超临界色谱图 试验条件：压力12 MPa，温度40 ℃，PDA(295 nm)， 进样时间4 min，图中1～5为芘峰及保留时间Fig.2 Chromatograms obtained for a set of five on-line SFC injections of a saturated SF-CO2 pyrene solution prepared at 12 MPa and 40 ℃ Injections were made at 0, 4, 8, 12, 16 min giving rise topyrene peaks 1-5. Detection at 295 nm with peak integration baseline is shown

相比文献中报道使用的动态测试方法[12-13]，采用单阀外循环接口[13]测定超临界二氧化碳中溶解度的优点是：(1) 试验前可通过预进样判断体系是否达到溶解平衡及时间;(2) 确定所测定的溶解度为溶解平衡时的稳定数值;(3) 釜内磁力搅拌与接口的外循环作用促进溶解平衡过程. 缺点是试验准备和结束后清洗所需时间相对较长.

2.2 温度压力影响

因超临界二氧化碳具有密度和极性可调变的特性，故其溶解性能也会相应改变. 试验中所使用的超临界二氧化碳密度数值由NIST网站计算得出[14]. 由表1中试验测定的溶解度数据不难发现:温度恒定，压力升高，密度增大，溶解度升高的变化规律. 在静态测试条件下,发现芘在超临界二氧化碳中的溶解度较大，溶解的质量浓度范围为0.85～2.64 mg/mL，因此，芘需要相对较长的时间才能够在超临界二氧化碳中达到溶解平衡. 本文所采用的试验方法是通过联用超临界色谱预进样分析，能够在测试前确定芘的溶解平衡状态，因此，能够快速而准确地测得芘的溶解度.

表1 超临界二氧化碳中芘溶解度*(y，RSD)与温度(T)、 压力(P)、质量浓度(C)及二氧化碳密度(ρ)**Table1 MeansolubilityvaluesofpyreneinSF-CO2 (y, molefractionofpyrene) withmassconcentrationvalues (C) undertemperatures (T), pressures (P) anddensities** (ρ) conditions

*：3组连续5次进样分析数据的平均值，**：NIST网站计算超临界二氧化碳密度

文献中有关芘在超临界二氧化碳中溶解度的研究报道相对较少，通过对比图3中文献数据[15-16]，不难发现本文所报道的芘溶解度数值明显高于文献数值，其主要原因在于所使用的方法及测定溶解度时的溶解状态. 通常，文献所使用的动态法很难在较短时间内确定测定溶解度时体系是否达到了溶解平衡及确定溶解平衡时间，而离线取样分析又可能产生较大的数值分析误差，故所得试验结果偏低[11]. 本文所提出的单阀外循环接口，在超临界联用过程中有效地解决了这两个问题，采用静态法确立溶解平衡状态，超临界流体色谱在线分析减少离线取样的分析误差；通过釜内磁力搅拌和外循环接口双重作用促进釜内芘的溶解平衡过程，因此，提高了芘在超临界二氧化碳中溶解度测定的准确性. 此外，芘在超临界二氧化碳中的溶解度较高，对于仪器和分析方法的试验条件要求比较苛刻，通过单阀外循环接口能够有效地消除体系中的管路与阀内的堵塞问题，从而得到连续、稳定的溶解度数值.

图3 40 ℃时芘超临界二氧化碳中溶解度对比 ▲：本文数据，□：文献值[15]，○：文献值[16]Fig.3 Contrast of pyrene solubility in SF-CO2 results obtained at 40 ℃ using current static method and dynamic method performed [15-16]

3 结论

通过单阀外循环接口建立了一种超临界静态溶解平衡过程与在线超临界流体色谱联用测试分析的有效方法，通过静态法确定了芘在超临界二氧化碳中的溶解度及主要影响因素. 由于接口加入了外循环作用，促进了釜内芘的溶解平衡过程，消除了体系堵塞问题. 通过在线取样分析极大降低了人为操作误差，进而提高了试验结果数据分析的准确性和重现性，为测定稠环芳烃化合物(PAHs)在超临界二氧化碳中的溶解度及其变化规律提供一种准确、有效的在线联用技术方法.

[1] 刘红妮，陈曼. 绿色分析化学技术进展[J]. 分析测试技术与仪器，2007，13(1)：44-49.[LIU Hong-ni, CHEN Man. Progress of green analytical chemistry research[J]. Analysis and Testing Technology and Instruments, 2007，13(1)：44-49.]

[2] Li B, Wang C, Chen G, et al. Palladium-phosphinous acid complexes catalyzed suzuki cross-coupling reaction of heteroaryl bromides with phenylboronic acid in water/alcoholic solvents[J]. Journal of Environmental Sciences, 2013, 25(6): 1083-1088.

[3] Li B, Guo W, Chi H J, et al. Monitoring the progress of a photochemical reaction performed in supercritical fluid carbon dioxide using a continuously stirred reaction cell interfaced to online SFC[J]. Chromatographia, 2017, 80(8): 1179-1188.

[4] 张锁江，徐春明，吕兴梅，等. 离子液体与绿色化学[M]. 北京：科学出版社， 2009：6-9.

[5] Taylor L T. Supercritical fluid chromatography for the 21stcentury[J]. J Supercrit Fluids, 2009, 47(3): 566-573.

[6] 何世伟. 色谱仪器[M]. 杭州：浙江大学出版社，2012：267-286.

[7] 韩布兴，张建玲，刘志敏，等. 超临界流体科学与技术[M]. 北京：中国石化出版社，2005：270-273.

[8] 漆新华，庄源益. 超临界流体技术在环境科学中的应用[M]. 北京：科学出版社， 2005：34-38.

[9] 李淑芬，张敏华，唐韶坤，等. 超临界流体技术与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2013：79-81.

[10] 汪正范，杨树民，吴侔天，等. 色谱联用技术(第二版)[M]. 北京：化学工业出版社，2007：2-5.

[11] Li B, Guo W, Ramsey E D. Determining the solubility of nifedipine and quinine in supercritical fluid carbon dioxide using continuously stirred static solubility apparatus interfaced with online supercritical fluid chromatography[J], J Chem Eng Data, 2017, 62(4): 1530-1537.

[12] Bristow S, Shekunov B Y, York P. Solubility analysis of drug compounds in supercritical carbon dioxide using static and dynamic extraction systems[J]. Ind Eng Chem Res, 2001, 40(7): 1732-1739.

[13] Tsai W C, Ruan Y, Rizvi S S. Solubility measurement of methyl anthranilate in supercritical carbon dioxide using dynamic and static equilibrium systems[J]. J Sci Food Agric, 2006, 86(13): 2083-2091.

[14] NIST Chemistry WebBook SRD 69. http://webbook.nist.gov/cgi/fluid.cgi?ID= C124389&Action=page[OL]. 2017.

[15] Miller D J, Hawthorne S B, Clifford A A, et al. Solubility of polycyclic aromatic hydrocarbons in supercritical carbon dioxide from 313 K to 523 K and pressures from 100 bar to 450 bar[J]. J Chem Eng Data, 1996, 41(4): 779-786.

[16] Anitescu G, Tavlarides L L. Solubilities of solids in supercritical fluids—I. New quasistatic experimental method for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) + pure fluids[J]. J Supercrit Fluids, 1997, 10(3): 175-189.

声明

我部近日接到作者反映，有不法机构冒充我部编辑，将作者所投论文截留并收取审理费用. 在此郑重声明，我部在稿件审理阶段是不收取任何费用的，待收到录用通知和校对清样后，才会收取版面费，敬请广大作者周知！

投稿请登录我部官方网站(http://www.fxcsjsyyq.net)进行，若有疑问，请拨打我部电话：(0931)4968280，13008723850.

《分析测试技术与仪器》编辑部

通讯地址： 兰州市天水中路18号 中科院兰州化学物理研究所

邮政编码： 730000

E-mail： fxcs@licp.cas.cn

联 系 人： 张晓鸿

StaticSolubilityMeasurementofPyreneinSupercriticalCarbonDioxideUsingOn-LineSupercriticalChromatography

LIU Yu1, GUO Wei2, LI Ben2

(1.SchoolofMaterialsandMetallurgy,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan114051,LiaoningChina; 2.SchoolofChemicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan114051,LiaoningChina)

A single-valve exterior recirculating interface was set up to combine the high pressure magnetic stirred vessel with the on-line supercritical fluid chromatograph(SFC). It was used to measure the solubility of pyrene in supercritical carbon dioxide in line with the static solubility test method. In the method, a programmable increasing pressure was used to produce a series of successive saturated supercritical fluid carbon dioxide solutions for the on-line SFC solubility measurements. The coupled static solubility system provides a convenient means to ensure that the dissolving equilibrium is established prior to the performance of the on-line SFC solubility measurements and also facilitates a self-validation accuracy check procedure. For pyrene, the solubility results were obtained at 40 ℃ under the pressure range of 10 to 28 MPa using 2 MPa steps, which were also relatively higher than the values reported by other authors.

SFC; interface; on-line analysis; solubility; supercritical carbon dioxide

大型仪器功能开发(214～218)

2017-10-13;

2017-11-24.

辽宁省教育厅项目(L2015258)

刘瑜(1980-)，女，研究生，研究方向: 仪器分析， Tel: 15242241856，E-mail: asliuyu1980@163.com

李犇，男，副教授，硕导，研究方向: 超临界过程联用方法及应用，E-mail: lib_en@126.com.

O657.32

B

1006-3757(2017)04-0214-05

10.16495/j.1006-3757.2017.04.003