吡啶基离子液体+有机盐双水相体系相图的测定及盐析性能研究

林绪亮，徐帅，徐少杰，袁慢景，陈金珠，李宇亮，秦延林

（1 广东工业大学轻工化工学院，广东广州510006； 2 长安大学水利与环境学院，旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安710064）

引 言

双水相体系(aqueous two-phase system,ATPS)是指由两种聚合物溶液形成的两相体系：其一为一种聚合物溶液和一种盐溶液；其二为一种小分子醇和一种盐溶液。与传统有机相-水相的体系相比，双水相体系水含量较高，萃取条件温和，因此被广泛应用于生物活性物质的萃取[1-2]。离子液体作为一种新兴溶剂，由于其较好的溶解性和极低的蒸气压，近年来受到广泛关注[3]。离子液体双水相体系是2003 年由Gutowski 等[4]提出的。离子液体双水相体系由离子液体、盐和水组成，与传统的双水相体系相比，具有分相时间短、不易乳化、易回收、稳定性高等优点[5-6]。从国内外报道来看，咪唑类[7-9]、季铵盐类[10]、吡啶类[11-12]等离子液体都有部分被开发用来形成离子液体双水相体系，这些体系已被应用于萃取抗生素[13]、核酸[14]、蛋白质[15]、有机污染物[16]等多个方面。

在利用离子液体双水相萃取时，其可降解性和毒性是应用前必须要考虑的因素[17]。由于较强的可设计性以及相对低廉的价格，咪唑类离子液体是研究较多的离子液体双水相体系。然而有研究表明咪唑类离子液体降解难且毒性大[18]。吡啶类离子液体同样具有较强的可设计性，且比咪唑类离子液体的毒性小[19]，是咪唑类离子液体的良好替代品。考虑到碳链越长，毒性越大[20]，离子液体阳离子选取碳链最短的N-乙基吡啶阳离子。阴离子选择四氟硼酸阴离子(该阴离子形成的离子液体黏度较小，熔点较低，并且近年来四氟硼酸离子液体萃取应用较多[8-9])。相较于无机盐，有机盐更容易被微生物降解，对环境危害较小。因此，本文选用丁二酸钠(CH2COONa)2、柠檬酸铵C6H5O7(NH4)3和柠檬酸钠C6H5O7Na3三种可生物降解的有机盐，并研究了这几种盐的盐析能力(盐析能力直接决定了双水相体系的分相能力)以指导离子液体的用量。而考虑到实际应用中，多数双水相体系萃取的最优温度在303.15～313.15 K[21-24]，选 择 了 在303.15、308.15 和313.15 K三个温度下研究相图随温度的变化规律。

本文分别采用浊点滴定法和质量法研究离子液体N-乙基吡啶四氟硼酸盐([EPy]BF4)+有机盐[丁二酸钠(CH2COONa)2、柠檬酸铵C6H5O7(NH4)3、柠檬酸钠C6H5O7Na3]+水双水相体系在303.15、308.15 和313.15 K 和常压下的双节线和系线数据。采用多个经验式拟合数据并探讨了几种经验式的拟合效果，并用NRTL 活度系数模型进行了关联。计算了双水相体系的有效排除体积和Setschenow-type 方程的拟合参数，讨论了盐析能力的大小，结果有助于为后续离子液体双水相体系的应用提供参考依据。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

离子液体[EPy]BF4购买于上海成捷化学有限责任公司，纯度大于99.0%，丁二酸钠、柠檬酸铵和柠檬酸钠购买于国药集团化学试剂有限公司，纯度均大于99.0%。实验所用水是电阻率为18.25 MΩ·cm的去离子水(和泰HHitech,Master Evo-S45UVF)。分析天平(Sartorius 科学仪器有限公司)，ZH-2C 超级恒温水浴锅(南京多助科技发展有限公司)。

1.2 双节线的测定及拟合

采用浊点滴定法测定双节线，此方法已在以前的研究中广泛应用[25-26]。具体实验步骤为，准确称取一定质量的离子液体溶液于洗净并干燥的比色管中，逐滴加入已知质量分数的盐溶液并不断振荡，直至比色管中体系变浑浊，得到第一个浊点，并记录此时加入体系中盐和水的质量。再逐滴滴加水并不断振荡直到体系澄清，记录加入水的质量。重复上述步骤直至溶液难以出现浑浊，可得到分相的临界点，即为双节线。计算体系中每个临界点各个组分的质量分数。此实验采用恒温水浴锅控制在恒定温度(温度测定不确定度为0.2 K)和常压下操作。为保证温度测定准确，恒温水浴锅中设置对照实验，并用温度探头实时测量温度。实验得到的双节线采用Merchuk 方程[27][式(1)]以及其他两个常用的经验式[式(2)～式(3)]进行拟合：

式中，w1和w2分别表示[EPy]BF4和盐的质量分数，%；a、b、c、d、a1、b1、a2和b2为拟合参数。

1.3 系线的测定及拟合

系线是根据Merchuk 等[27]提出的质量法测得的。首先，在双节线双相区的合适位置取一点，按照相应的组分含量在离心管中配制双水相体系(约10 g)。充分振荡混合均匀，并静置12 h 使体系完全分相。用注射器分别吸取上相和下相并用分析天平(精度为0.0001 g)测定其质量。为保证分析天平测定准确，将分析天平打开预热30 min 后再使用。利用杠杆定律可以计算出各组分在上相和下相的含量，即为系线数据。整个过程中，该体系用水浴锅保持恒温。系线测定的原理可用式(4)～式(8)表示：

式中，v 表示测得的质量。上角标t、b 和m 分别表示上相、下相和整个体系。根据得到的系线数据可以用式(9)～式(10)计算出系线长度(TLL)和系线斜率(S)：

得到的系线数据用式(11)和式(12)拟合：

式中，w3表示水的质量分数；k1、k2、n 和r 均为拟合参数。

系线数据也采用了活度系数模型NRTL 模型进行拟合，拟合效果可用均方根偏差(RMSD)的值来判断，如式(13)：

式中，N 为系线的个数。上角标exp 和cal 分别表示实验值和拟合值；下角标i、j和k分别表示组分、相和系线。

1.4 盐析能力比较

有效排除体积(effective excluded volume,EEV)最初由Guan等[28]根据几何模型原理提出的关于两种高聚物形成双水相体系的模型计算，其形式如式(14)：

式中，f213代表盐和离子液体的网络结构紧密组合后仍存在未填满的有效浓度。

盐析能力的大小也可以根据Setschenow-type方程[29]的参数进行比较。Setschenow-type 方程如式(16)所示：

式中，C 表摩尔分数；β 为拟合参数；ks是与盐析能力有关的参数。

2 结果与讨论

2.1 双节线数据的关联

实验所得的[EPy]BF4+(CH2COONa)2/C6H5O7(NH4)3/C6H5O7Na3双水相体系在303.15、308.15 和313.15 K温度下的双节线数据见表1，双节线数据绘制图见图1～图3。

从图1～图3 可以看出在所选温度范围内，温度越低，[EPy]BF4+ (CH2COONa)2+ H2O 体系的双相区域越大。而温度对[EPy]BF4+C6H5O7(NH4)3+H2O 体系和[EPy]BF4+C6H5O7Na3+H2O 体系的双相区影响不明显。该结果可用离子液体和有机盐争夺水分子能力变化来解释，温度升高，[EPy]BF4和有机盐争夺水分子能力增强[30]。当升高相同的温度，[EPy]BF4争夺水分子的能力增强程度大于(CH2COONa)2，需要更多的盐析剂才能分相，在相图中表现为双相区变小。而升高相同的温度，离子液体争夺水分子能力增强程度和C6H5O7(NH4)3/C6H5O7Na3相差不大时，盐析剂用量也差别不大，在相图中表现为双相区几乎不变。相似的情况也在其他离子液体双水相体系出现[12,31]。图中黑色实线为Merchuk 方程的拟合结果。此外Merchuk 方程的拟合参数、相关系数(R2)和标准偏差(SD)总结在表2 中。值得注意的是，有研究人员提出Merchuk 方程拟合双节线最初开发针对的是聚合物双水相体系，对离子液体双水相体系适用性产生怀疑[32]，也有研究人员提出可采用4 个参数的经验方程[式(2)]和5 个参数的经验方程[式(3)]对双节线进行拟合[33]，这两个方程的拟合参数、相关系数(R2)和标准偏差(SD)如表3 和表4所示。

表1 ［EPy］BF4（w1）+有机盐（w2）+水双水相体系（ATPS）在不同温度和常压下的双节线数据Table 1 Binodal data of［EPy］BF4（w1）+salts（w2）+water ATPS at different temperatures and atmospheric pressure

续表1

续表1

图1 [EPy]BF4+(CH2COONa)2+H2O体系在不同温度下的双节线和系线图Fig.1 Binodal curve and tie-line data of[EPy]BF4+C4H4Na2O4+H2O system at different temperatures

图2 [EPy]BF4+C6H5O7(NH4)3+H2O体系在不同温度下的双节线和系线图Fig.2 Binodal curve and tie-line data of[EPy]BF4+C6H5O7(NH4)3+H2O system at different temperatures

表2 ［EPy］BF4+有机盐+水双水相体系拟合式（1）的参数结果、相关系数和标准偏差Table 2 Values of the parameters of Eq.（1）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

从表2～表4中可以看出，[EPy]BF4+(CH2COONa)2/C6H5O7(NH4)3/ C6H5O7Na3双水相体系中，式(1)～式(3)的相关系数皆大于0.99，具有良好的拟合效果。式(2)的拟合效果优于式(1)，这可能是因为式(2)具有较多的拟合参数。但是拟合参数不宜过多，例如式(3)具有5个拟合参数，但拟合效果不如式(2)。此外，拟合参数过多可能会导致部分参数失去意义，造成过度拟合，如表4 中的参数b1在两种体系中数值没有变化，且为拟合时所赋的初值。Merchuk 方程[式(1)]虽然最初应用的体系不是离子液体双水相体系，但从拟合结果来看，应用于离子液体双水相体系的拟合效果良好。为方便计算，本文计算系线时采用Merchuk方程。

图3 [EPy]BF4+C6H5O7Na3+H2O体系在不同温度下的双节线和系线图Fig.3 Binodal curve and tie-line data of[EPy]BF4+C6H5O7Na3+H2O system at different temperatures

表3 ［EPy］BF4+有机盐+水双水相体系拟合式（2）的参数结果、相关系数和标准偏差Table 3 Values of the parameters of Eq.（2）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

表4 ［EPy］BF4+有机盐+水双水相体系拟合式（3）的参数结果、相关系数和标准偏差Table 4 Values of the parameters of Eq.（3）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

2.2 系线数据的关联

[EPy]BF4+ (CH2COONa)2/C6H5O7(NH4)3/C6H5O7Na3双水相体系在303.15、308.15 和313.15 K 下的系线数据、系线长度和系线斜率如表5 所示。从表中可以看出，每组双水相体系系线的斜率比较接近，且系线越靠近临界点，斜率越接近。这种现象也可以从图1～图3 中看出，系线几乎平行。这种现象为图解法得到双水相的临界点提供了理论依据。从表5 中柠檬酸铵和柠檬酸钠的系线数据可以看出，随着温度的升高，系线长度和系线斜率的绝对值逐渐变小，这可能是因为随着温度升高离子液体与水的相互作用增强引起的[30]。当双水相体系的温度升高时下相(富水相)的水转移到了上相(富离子液体相)并造成两相间差别变小。在其他双水相体系中也有类似现象[12]。

表5 ［EPy］BF4（w1）+有机盐（w2）+水双水相体系在不同温度和大气压下的系线数据Table 5 Tie-lines data of［EPy］BF4（w1）+salts（w2）+water ATPS at different temperatures and atmospheric pressure

续表5

为了验证系线数据的可靠性，采用Othmer-Tobias 方程[34][式(11)]和Bancroft 方程[35][式(12)]对系线数据进行拟合。表6 和表7 总结了式(11)和式(12)的拟合参数、相关系数和标准偏差。从表中标准偏差(SD)和相关系数(R2)数据可以看出，式(11)和式(12)的拟合效果良好，这表明根据质量法所得的系线数据是可靠的。此外，在308.15 K 下的系线数据也采用了NRTL(non-random two-liquid)活度系数模型进行了关联，并计算了均方根偏差RMSD(root-meansquare deviation)值。拟合得到的NRTL 二元交互参数和计算所得RMSD 的值均在表8 中给出。通常情况下，在实验数据缺少时，表示组分间非随机性的参数α 被设置为定值0.3，但是对于离子液体+盐双水相体系α 为0.3 所得的拟合效果不理想。有文献报道[36]，可将拟合参数α 设置为可变量，通过液液平衡数据拟合得到，因此本文将α 设置为可变量。从表8 可以看出，RMSD 的值均小于1%，这说明NRTL模型拟合这三种双水相体系的拟合效果良好。

2.3 有效排除体积和盐析能力

盐析能力本指中性盐对水溶液中蛋白质析出的能力，而离子液体双水相体系的形成与盐析蛋白质类似，实质上为盐与离子液体争夺水分，使离子液体析出的过程。盐析能力可以通过有效排除体积[式(15)]和Setschenow-type方程[式(16)]进行探讨。

EEV 指离子液体接受盐单位的最小体积，与盐的盐析能力密切相关，EEV 值越大，盐的盐析能力越强。表9 给出了拟合所得参数EEV 和f213的值，此外，相关系数(R2)和标准偏差(SD)也总结在该表中。从表中可以看出，含柠檬酸钠的双水相体系EEV 最大，含柠檬酸铵的双水相体系次之，含丁二酸钠的双水相体系最小。因此可得盐析能力大小顺序为柠檬酸钠＞柠檬酸铵＞丁二酸钠。表10 给出了Setschenow-type 方程的拟合参数、相关系数(R2)和标准偏差(SD)的值。其中ks是与盐析能力有关的参数，且ks越大盐析能力越大。从表中可知，相关系数值都大于0.99，表明该式的拟合效果良好。丁二酸钠、柠檬酸铵和柠檬酸钠的ks值分别为2078、3310和3483，这表明盐析能力大小排序为柠檬酸钠＞柠檬酸铵＞丁二酸钠。柠檬酸钠和柠檬酸铵的盐析能力强弱可用阳离子的离子水合能(ΔGhyd)解释，这两种盐有着相同的阴离子，而阳离子的离子水合能的绝对值排序为Na+(ΔGhyd=-365 kJ·mol-1)＞NH4+(ΔGhyd=-285 kJ·mol-1)[37]。阳离子离子水合能的绝对值越大，则离子水合反应更容易发生，进一步能夺取更多的水分子，宏观表现为柠檬酸钠的盐析能力比柠檬酸铵强。

表6 ［EPy］BF4+有机盐+水双水相体系拟合式（11）的参数结果、相关系数和标准偏差Table 6 Values of the parameters of Eq.（11）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

表7 ［EPy］BF4+有机盐+水双水相体系拟合式（12）的参数结果、相关系数和标准偏差Table 7 Values of the parameters of Eq.（12）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

表8 ［EPy］BF4（1）+有机盐（2）+水（3）双水相体系拟合NRTL模型的参数结果和均方根偏差Table 8 Values of the parameters of NRTL model for［EPy］BF4（1）+organic salt（2）+H2O（3）ATPS

表9 ［EPy］BF4+有机盐+水双水相体系拟合式（15）的参数结果、相关系数和标准偏差Table 9 Values of the parameters of Eq.（15）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

表10 ［EPy］BF4+有机盐+水双水相体系拟合式（16）的参数结果、相关系数和标准偏差Table 10 Values of the parameters of Eq.（16）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

3 结 论

本文通过浊点滴定法和质量法测定了离子液体N-乙基吡啶四氟硼酸盐和有机盐丁二酸钠/柠檬酸铵/柠檬酸钠双水相体系在303.15、308.15 和313.15 K 和常压下的相图。相较于其他多参数经验式，Merchuk 经验式的拟合效果良好且更方便计算。经验式的参数较多有可能会使部分参数失去意义，导致过度拟合。Othmer-Tobias 和Bancroft两个经验式对系线的拟合效果良好，通过质量法得到的系线数据是可靠的。RMSD 值表明NRTL 模型可以成功拟合该离子液体+有机盐双水相体系的系线数据。此外在较低温度下，双水相体系更容易分相，且系线长度和系线斜率绝对值更大。最后，分别比较了两种体系的EEV 和Setschenow-type 方程的ks值，共同得到了盐析能力排序，柠檬酸钠＞柠檬酸铵＞丁二酸钠。

符 号 说 明

c——摩尔分数，%

M——摩尔质量，g·mol-1

N——系线个数

v——测得上下相的质量，g

w——质量分数，%