有关高校化学专业溶剂微胶囊萃取分离的教学方法研究

梁鑫月

[摘           要]  介绍了近年来得到发展的新型分离技术之一 ——溶剂微胶囊萃取分离技术的教学。具体从它的起源、原理制备方法以及应用和发展方面进行介绍，致力于加深对方法的了解，并增强教学的丰富性以及科研创新能力。

[关    键   词]  溶剂微胶囊;萃取;教学;创新

[中图分类号]  G642                    [文献标志码]  A                  [文章编号]  2096-0603（2022）06-0103-03

一、前言

近年来，传统的萃取分离技术已经不满足于当前高校的教学和科研，由于21世纪的分离科学面临着更多新的机遇和挑战，为提高创新能力，提高思维发散性，新的分离技术便成为教学热点。与众多已经完备的技术相同，萃取作为最传统的分离技术之一，也受到新的挑战，主要体现在界面张力大小对混合和分相影响很大、两相的夹带导致二次污染、操作相比不能太大或太小、两相物性有相对高的要求、设备设计和放大相对困难等[1]。一种新的萃取分离技术——溶剂微胶囊萃取技术应运而生，它作为萃取技术与材料科学结合的优势成果，成为分离领域较新的研究方向之一，也是高校科研的方向之一，应加强教育。

二、教學内容

（一）简介微胶囊

微胶囊是一种采用高分子材料作为胶囊壁，包覆气体、液体和固体的微小颗粒，它具有表面积大、体积小、表面性质以及包覆率和形状大小可以调节等优点[2]。国内外各大研究者将其用在溶剂萃取中，之后这项溶剂微胶囊萃取技术得到了迅速发展，不仅解决了以往的问题，还因其独有的优势拥有良好的发展前景。

（二）简介溶剂微胶囊萃取分离原理

溶剂微胶囊萃取是利用微囊化方法在胶囊形成过程中将用于萃取的溶剂包覆于空腔内，使萃取剂由流动相转为固定相。微胶囊是一种新型的仿生膜体，包覆萃取剂的微胶囊作为萃取体系用于分离，使含萃取剂的有机相与被萃取相隔开，可避免发生乳化和有机溶剂的损失，萃取后容易实现相分离和物质的回收[3]。微胶囊球状的半渗透膜使它在分离过程能有相对较小的分散体积和相对较大的表面积，使微小的渗透性分子易于穿过薄膜并在腔内迅速达到平衡，将萃取剂与含待萃取离子的溶液隔离开。在空腔内，两相间的传质过程也由普通溶剂萃取的液-液之间变为固-液之间，有的还能用于气体，这也使此过程的操作更简便，降低萃取设备的复杂性，消除液-液萃取时的放大失真。区别于物理吸附，溶剂微胶囊技术是在制备过程中将萃取溶剂包在空腔内来固定，所以溶剂和萃取剂的稳定性都比较高。

（三）简介微胶囊的制备

1.化学法

（1）界面聚合法：用含不同活性基团的两种单体分别溶于两种不同互不相溶的溶剂中，加入乳化剂，当体系中两种溶液分散后，界面上会形成一层聚合物膜，形成微胶囊[4]。

（2）原位聚合法：在一定条件下，将单体和引发剂直接放置在乳化液滴表面目标位置进行聚合反应，通过化学反应让得到的聚合物膜能包覆在液滴外表面直接形成微胶囊[5]。

（3）锐孔法：将高聚物和被包裹物同时溶解于溶液中，将混合物用微孔装置缓慢注射或滴加到固化剂中迅速固化，形成粒径均匀的微胶囊[6]。

2.物理法

（1）喷雾干燥法：在冷却或加热装置中混合用于形成微胶囊的聚合物和被包裹物形成乳液体系，被热气流雾化成均匀分散的小液滴，干燥脱去溶剂后形成微胶囊[7]。

（2）空气悬浮法：用强气流将在流化床上使被包裹物悬浮在空气中，将准备好的粘稠聚合物溶液涂覆于芯材表面，将溶剂挥高温挥发，形成微胶囊[8]。

（3）静电结合法：将芯材与壁材各制成带相反电荷的气溶胶微粒，通过静电吸引凝结成微胶囊[9]。

（4）挤压法：用亲水胶体溶液与被包裹物混合，再用注射式针头挤压使其能够形成液滴滴于固定液中，针头的直径和通过挤压下落的距离决定微胶囊的形状以及大小[10]。

3.物理化学法

（1）复凝聚法：找到两种或多种电性相异的聚合物，改变混合物温度和酸碱度等因素诱导带相反电荷的聚合物互相吸引形成两相，令胶体凝聚成微胶囊[11]。本方法适用于包裹不溶于水的液体或者固体粉末。

（2）水（油）相分离法：将聚合物溶于水或有机溶剂后使被包裹物分散其中，逐步向体系中加入聚合物的非溶剂，使聚合物凝聚后沉积在被包裹物表面形成微胶囊。

（3）熔化分散冷凝法：将蜡状聚合物融化在其受热时将被包裹物分散在液凝态蜡中并形成液滴，待体系冷却形成微胶囊。

（四）简介溶剂微胶囊的优缺点

1.溶剂微胶囊的优点

避免了传统溶剂萃取的乳化和分相问题，能防止萃取剂流失，萃取容量高且溶剂稳定性好，胶囊的壁材选择范围很宽。由于溶剂微胶囊不仅具有溶剂萃取的性质，即溶剂萃取的选择性好、容量大的特点，还可以解决液-液萃取对两相物性要求较高的问题。因此，在金属离子分离、有机酸萃取、药物及油品分离等方面均体现出优良的性能[12]。可以引导师生对其优点有更深入的思考，利用其优点创新应用。

2.溶剂微胶囊的不足

溶剂特有的性质，如腐蚀性、对高分子包覆材料的溶胀性等，制备复杂，如壁材的选择有时难以满足实际需要，耐有机溶剂性能好的壁材较少，对一些含有活性基团萃取剂微胶囊的制备方法也还比较少等。它的不完备之处为高校生物、化学、环境、材料、医学、食品药品等专业的科研提供了新方向，通过了解其发展历程，加强教学可激发师生灵感，改善实际应用问题。

（五）简介溶剂微胶囊的应用和发展

微胶囊的制备和萃取技术近年来取得可观的发展，在国内外很多领域多有应用。有研究者基于乳液和溶液相转移法，以萃取有机酸和氧氟沙星为目的，利用聚砜为微胶囊壁材制备出三辛胺、P204等溶剂微胶囊，使分离出的物质收率大大提高。也使三辛胺有了直接用来进行萃取分离的可能，这是传统的溶剂萃取无法达到的，因为相分离存在一定难度。

Kamio Eiji等[13]利用包覆EHPNA的微胶囊对镧、钐和铒元素进行了萃取实验。结果表明，采用有机磷作为萃取剂时，结合理论可推测出微胶囊萃取过程分三个阶段，表面扩散、表面反应以及内扩散阶段。

袁悦等人[14]采用胶囊化技术制备三辛胺（TOA）的明胶海藻酸钙复合膜胶囊，考察其在硫酸介质中萃取Cr2O72-的传质动力学，通过对渗透系数的测定，得出用于萃取Cr2O72-的最适条件为海藻酸钠质量浓度为0.7%，明胶质量浓度为6%，水油比为3 ∶ 2。

Kazuo Kondo[15]等用包埋有酸性有机磷的微胶囊作为固定相装柱子，来分离稀土元素，取得了较好的分离效果。

李海梅等[16]通过溶剂挥发法合成了聚砜微胶囊，其中，2-乙基己基膦酸单-2-乙基己基脂为芯材，聚醚砜为膜材。经过反复实验，探究不同芯膜比的聚砜微胶囊对铟（Ⅲ）吸附量的影响。结果表明，在温度为25℃、pH=3、芯膜比为1.3 ∶ 1时对铟的吸附效果最好。

封宇等人[17]为解决传统萃取工艺中溶剂损失和乳化等问题，采用溶剂挥发法成功制备了具有囊状结构的含P204萃取剂微胶囊。结果表明，其在较低浓度的铀溶液中的吸附性能较好，当稀释剂为二甲苯、萃取剂浓度为50%时，其对铀的吸附容量可达40 mg/g及以上。

尹娟娟等人[18]制备了包埋萃取剂（磷酸三丁酯）的磁性聚砜微胶囊，并研究了其对对氯苯酚、邻氯苯酚、对硝基苯酚和苯酚的吸附性能。将微胶囊放入含有上述物质的水溶液并于室温振荡，测定不同时间后溶液中上述物质的浓度，计算吸附量。再将吸附酚后的微胶囊放入适量的氢氧化钠溶液中适当震荡，测定其浓度计算脱吸附量。结果表明，上述物质在pH≤6的条件下吸附效果较好。

杨俊鹏等人[19]以β-环糊精为主要原料，采用微胶囊双水相方法萃取莳萝精油。实验表明，传统的水蒸气蒸馏法得到的莳萝精油中香芹酮的含量只有41.56%，而微胶囊双水相萃取出的香芹酮含量可达81.15%，具有较高的选择性和专一性，提高了精油的质量，防止有效成分分解。

骆广生等人[20]应用溶液蒸发制备微胶囊的方法研究实践，并考察了壁材与分散剂的选择对不同萃取剂进行包覆的影响，用含有硅油的聚砜微胶囊对水中挥发性有机污染物（VOC），发现其有良好的分离提取效果。

喻玲玲[21]用制备P25组装微胶囊以轻于水的有机物做内部富集相对污染物中的氯酚进行富集。成功合成了两种表面带有不同电荷的水包油型微胶囊并对水体中普遍含有的低浓度氯酚进行富集，负载金属钯后对富集物进行直接光降解。这也为污染物的处理问题提供了新思路。

也有微胶囊用于气体萃取作为空气清洁材料的实例。如果蔬萃取液微囊，是一种以植物萃取液和贵金属纳米触媒为芯材、以高科技透气材料为壁材形成的微胶囊，用于对空气中甲醛的吸收与分解，功能强于活性炭。

三、总结

上述教学内容条理清晰、框架完整、论证与实例相结合，可加深师生对溶剂微胶囊技术的理解，引导师生思考、总结，增强师生的科研兴趣和跨学科融合教学并深入探究其可应用的范围。如，因其分离与富集的特点，可用于对金属、有机酸、药物和酚类的处理，因其具有良好的保护腔内物质生理活性的作用，进行细微改良甚至可以应用于动植物毒素的富集与分离;因其有效地保护易挥发的组分的优点，或可用于易挥发物质的萃取以提高易挥发萃取剂的利用;对于微胶囊萃取还可以开发对有毒、有害气体吸收方面的应用，用以解决其他分离方法无法解决的难题等。基于以上分析，溶剂微膠囊技术可应用于多种学科领域，有望为高校师生教学、科研提供新思路。

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◎编辑 马燕萍