萃取的原理过程及应用

摘 要

萃取是在两个液相间进行。大部分萃取采用一个是水相。另一个是有机相。但有机相易使蛋白质等生物活性物质变性。最近，发现有一些高分子水溶液（如分子量从几千到几万的聚乙二醇硫酸盐水溶液）可以分为两个水相，蛋白质在两个水相中的溶解度有很大的差别。故可以利用双水相萃取过程分离蛋白质等溶于水的生物产品。 例如用聚乙二醇（PEG Mr为6000）/磷酸钾系统从大肠杆菌匀浆中提取β-半乳糖苷酶。这是一个很有前途的新的分离方法，特别适用于生物工程得出的产品的分离。

萃取技术是一种分离技术，主要用于物质的分离和提纯，这里将介绍几种常用的萃取技术，有溶剂萃取、双水相萃取、凝胶萃取三种，本文将分别从它们的原理、过程及应用三方面介绍，这些技术广泛应用于分析化学、原子能、冶金、电子、环境保护、生物化学和医药等领域。

关键字 溶剂萃取 双水相萃取 凝胶萃取 原理 过程 应用

目 录

摘要--------------------------------------------------- 1

目录--------------------------------------------------- 2

一、 溶剂萃取------------------------------------------ 3

1 原理-------------------------------------------- 3

2 过程-------------------------------------------- 5

3 应用-------------------------------------------- 5

二、 双水相萃取---------------------------------------- 6

1 原理-------------------------------------------- 6

2 过程-------------------------------------------- 7

3 应用-------------------------------------------- 8

三、 凝胶萃取------------------------------------------ 8

1 原理-------------------------------------------- 8

2 过程-------------------------------------------- 10

3 应用-------------------------------------------- 11

参考文献----------------------------------------------- 11

第一章溶剂萃取

利用在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解度的不同，从而达到分离的目的。溶剂对需分离组分有较高的溶解能力，分离过程纯属物理过程。

溶质：被萃取的物质

原溶剂：原先溶解溶质的溶剂

萃取剂：加入的第三组分

萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的溶解度

1、原理

溶剂萃取法也称液—液萃取法，简称萃取法。萃取法由有机相和水相相互混合，水相中要分离出的物质进入有机相后，再靠两相质量密度不同将两相分开。有机相一般由三种物质组成，即萃取剂、稀释剂、溶剂。有时还要在萃取剂中加入一些调节剂，以使萃取剂的性能更好。从氰化物溶液中萃取有色金属氰络物一般用高分子有机胺类，如氯化三烷基甲胺（N263）、稀释剂为高碳醇、溶剂是磺化煤油。水相即是要处理的废水。

溶剂萃取

利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中。经过反复多次萃取，将绝大部分的化合物提取出来。

分配定律是萃取方法理论的主要依据，物质对不同的溶剂有着不同的溶解度。同时，在两种互不相溶的溶剂中，加入某种可溶性的物质时，它能分别溶解于两种溶剂中，实验证明，在一定温度下，该化合物与此两种溶剂不发生分解、电解、缔合和溶剂化等作用时，此化合物在两液层中之比是一个定值。不论所加物质的量是多少，都是如此。用公式表示。

CA/CB=K

CA.CB分别表示一种化合物在两种互不相溶地溶剂中的摩尔浓度。K是一个常数，称为“分配系数”。

有机化合物在有机溶剂中一般比在水中溶解度大。用有机溶剂提取溶解于水的化合物是萃取的典型实例。在萃取时，若在溶解度，常可提高萃取效果。

要把所需要的水溶液中加入一定量的电解质（如氯化钠），利用“盐析效应”以降低有机物和萃取溶剂在水溶液中的化合物从溶液中完全萃取出来，通常萃取一次是不够的，必须重复萃取数次。利用分配定律的关系，可以算出经过萃取后化合物的剩余量。

设：V为原溶液的体积

w0为萃取前化合物的总量

w1为萃取一次后化合物的剩余量

w2为萃取二次后化合物的剩余量

w3为萃取n次后化合物的剩余量

S为萃取溶液的体积

经一次萃取，原溶液中该化合物的浓度为w1/V；而萃取溶剂中该化合物的浓度为(w0-w1)/S；两者之比等于K，即：

w1/V =K w1=w0 KV

(w0-w1)/S KV+S

同理，经二次萃取后，则有

w2/V =K 即

(w1-w2)/S

w2=w1 KV =w0 KV

KV+S KV+S

因此，经n次提取后:

wn=w0 ( KV )

KV+S

单级萃取：使含溶质的溶液（h）和萃取剂（L）解出混合，静止后分成两层。

多级萃取：是工业生产最常用的萃取流程，分离效率高，产品回收率高，溶剂用量少。

当用一定量溶剂时，希望在水中的剩余量越少越好。而上式KV/(KV+S)总是小于1，所以n越大，wn就越小。也就是说把溶剂分成数次作多次萃取比用全部量的溶剂作一次萃取为好。但应该注意，上面的公式适用于几乎和水不相溶地溶剂，例如苯，四氯化碳等。而与水有少量互溶地溶剂乙醚等，上面公式只是近似的。但还是可以定性地指出预期的结果。

水相与一完全或部分不相溶的有机相密切接触后，水相中的溶质转入有机相，并在两相中重新分配的过程。由于它能有效地从含量很低的铀矿浸出液中分离、富集和提纯原子能工业中应用的铀。

分配比、萃取率和分离系数 物质M在水相和有机相之间的重新分配服从能斯脱(Nernst)分配定律，即在一定温度下：

Kd＝[M]0/[M]

[M]0、[M]分别表示平衡时溶质在水相和有机相中的浓度，Kd为分配系数。当含有溶质的两相溶液接近于理想溶液，且溶质在两相中的分子状态相同，温度一定时，Kd为常数。

2、过程

溶剂萃取的工艺过程，除了萃取和反萃取这两个主要工序以外，还包括负载有机相的洗涤和贫有机相再生两个工序。

由有机萃取剂、添加剂和有机溶剂（稀释剂）组成的有机相，从溶液（或矿浆）中萃取铀，萃余水相在回收有机相后尾弃；负载铀的有机相采用洗涤剂，通过洗涤去除部分杂质；然后用反萃取剂把铀转入水相，得到反萃取成品液，用于制备铀化合物产品。如果反萃取过程中还有部分杂质留在有机相中，需要采用其它试剂（再生剂）使这些杂质转入水相，同时使有机相再生，达到可以返回萃取的目的。萃取-洗涤-反萃取-再生-萃取，加上从水相中回收有机相，这就是溶剂萃取工艺的全部过程。每个具体的工艺流程，可以根据实际情况的需要，决定采用全部或部分工序。

3、应用

萃取剂在使用过程中，有机相必须能够再生和反复使用，才有工业应用的价值。溶于水相的溶质与有机溶剂接触后，经过物理或化学作用，部分或几乎全部转移到有机相的过程。又称液液萃取。是一种分离技术，主要用于物质的分离和提纯，具有装置简单、操作容易的特点，既能用来分离、提纯大量物质，更适合于微量或痕量 物质的分离、富集，广泛应用于分析化学、原子能、冶金、电子、环境保护、生物化学和医药等领域。

溶剂萃取法广泛地应用于冶金和化工行业中。在黄金行业中，用溶剂萃取法提取纯金、银已有许多研究，在国外，其成熟技术已经工业应用多年。用萃取法从含氰废水中提取铜、锌的研究也多有报导。

在我国，1997年由清华大学和山东省莱州黄金冶炼厂合作完成了萃取法从氰化贫液中分离铜的工业试验，取得了较好的效果。

第二章双水相萃取

利用物质在不相溶的，两水相间分配系数的差异进行萃取的方法。

1、原理

某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可以形成两相，并且在两相中水分均占很大比例，即形成双水相系统（aqueous two-phase system,ATPS）。利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质，Albertsson于20世纪50年代后期开发了双水相萃取法（aqueous two-phase extraction），又称双水相分配法。20世纪70年代,科学家又发展了双水相萃取在生物分离过程中的应用，为蛋白质特别是胞内蛋白质的分离和纯化开辟了新的途径。

　　双水相萃取的聚合物不相容性：根据热力学第二定律，混合是熵增过程可以自发进行，但分子间存在相互作用力，这种分子间作用力随相对分子质量增大而增大。当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大的分子间的排斥作用与混合熵相比占主导地位，即一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相溶性。

　　可形成双水相的双聚合物体系很多，如聚乙二醇（PEG）/葡聚糖（Dx）,聚丙二醇/聚乙二醇，甲基纤维素/葡聚糖。双水相萃取中采用的双聚合物系统是PEG/Dx，该双水相的上相富含PEG，下相富含Dx。另外，聚合物与无机盐的混合溶液也可以形成双水相，例如，PEG/磷酸钾（KPi）、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于双水相萃取。PEG/无机盐系统的上相富含PEG,下相富含无机盐。

生物分子的分配系数取决与溶质于双水相系统间的各种相互作用，其中主要有静电作用、疏水作用和生物亲和作用。因此，分配系数是各种相互作用的和。

2、过程

双水相的形成

（1）如两种聚合物间存在强的吸引力，则它们结合后存在于一相中；如两种聚合物间有斥力，即某种分子希望在它周围的分子是同种分子而不是异种分子，达到平衡后会形成两相，两种聚合物分处一相。

（2）加入盐分，由于盐析作用，聚合物与盐类溶液也能形成两相。

双水相体系

聚合物的不相溶性：当两种高分子聚合物之间存在相互排斥作用时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成分别富含不同聚合物的两相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相溶性。

双水相中的分配平衡：（1）与溶剂萃取相同，溶质在双水相中的分配系数也用 m=c2/c1表示。

（2）为简便起见，用c1 和c2分别表示平衡状态下下相和上相中溶质的总浓度。

要成功地运用两水相萃取胞内酶，应满足下列条件：

1 欲提取的酶和细胞应分配在不同的相中；

2 酶的分配系数应足够大，使在一定的相体积比时，经过一次萃取，就能得到高的收率；

3 两相用离心机很容易分离。

3、应用

双水相萃取自发现以来，无论在理论上还是实践上都有很大的发展。在最近几年中更为突出。双水相萃取技术已广泛应用于生物化学、细胞生物学、生物化工和食品化工等领域，并取得了许多成功的范例，在若干生物工艺过程中得到了应用，其中最重要的领域是蛋白质的分离和纯化，其应用举例如表所示。

双水相萃取技术可用于多种生活活性物质的分离和纯化，见下表：

注：PEG为聚乙二醇；dextran为葡聚糖。

此外双水相还可用于稀有金属／贵金属分离，传统的稀有金属／贵金属溶剂萃取方法存在着溶剂污染环境，对人体有害，运行成本高，工艺复杂等缺点。双水相技术萃取技术引入到该领域，无疑是金属分离的一种新技术。

第三章凝胶萃取

1、原理

凝胶——是一种高分子胶体微粒的聚合物。微粒经交联键合形成三维网络并与溶剂分子组成的体系。凝胶具有敏感的自我调节能力，受外界影响能发生溶胀和体积收缩。凝胶萃取即利用凝胶的这一特性。凝胶既不是液体，也有别于固体物质，能产生明显的变形和溶胀。凝胶受到外界环境的pH值、温度、电场变化、离子强度等因素的影响，体积发生变化。低温时，大分子溶液中的凝胶能大量吸收水分而膨胀，使溶液得到浓缩；温度升高后，凝胶能释放出所吸的水分而收缩，可重新使用。

萃取用凝胶的要求：在一定温度下不溶解、不熔融、不污染溶液，溶胀量大，溶胀和收缩块，易与溶液分离及再生，强度大，寿命长等。

凝胶的相变温度指凝胶的临界温度Tc。

T＜ Tc时，凝胶随着温度的下降而急剧膨胀

T＞ Tc时，凝胶随着温度的上升而急剧收缩

Tc与凝胶的结构、侧基的种类等因素有关。

凝胶的溶胀与收缩机理：

（1）凝胶是由具有弹性的交联高分子组成的三维网络。

（2）在纯水中，带有负电荷的聚合物链由于斥力作用而呈伸展状态，体积大大膨胀；

（3）在盐溶液中，带正电荷的盐离子中和了聚合物链上的负电荷，使斥力消失，凝胶由伸展变为蜷缩，体积大大缩小。

因此，凝胶具有在水中膨胀而在盐溶液中收缩的特性。利用此特性可进行萃取。

引起凝胶体积变化的因素有：pH值、温度、电场效应、溶液组成、金属离子浓度等。

凝胶的性质与它的网络结构及网络所包含的溶剂的性质密切相关：

a 溶剂与聚合物长链的亲和性越好，凝胶的溶胀能力越大；

b 聚合物链上交联点的数量越少，溶胀能力也越大。

凝胶的筛分作用：

（1）凝胶由于其网络结构内部存在着孔隙，对液体中的大小分子有筛分的作用。

(2)原理：凝胶进入溶液后，小分子溶质能进入凝胶内部并占据着内孔隙，中等分子也能进入网络内部的大小适中的孔隙，而大分子溶质仍留在溶液中。因此凝胶作固相萃取剂时，用于分离溶液中大小不同的分子。

凝胶萃取有三种典型工艺：

（1）pH值敏感凝胶萃取

含-COOH、-NH4等基团的聚电解质，可随溶液pH值的变化而解离出氢离子，凝胶内外溶液的离子强度发生改变，破坏了凝胶内的氢键，使交联点减少，凝胶溶胀，孔径变大。

（2）温度明凝胶萃取

温敏性凝胶含有一定比例的疏/亲水基团，温度的改变引起基团的相互作用和氢键的变化，从而使凝胶结构和体积发生改变。

（3）电敏性凝胶萃取

只要凝胶网络上带有电荷，在直流电场下均会发生凝胶的电收缩。即：

– 带正电荷时，在电场下，水分从阳极放出；

– 带负电荷时，在电池下，水分从阴极放出。

此电收缩是可逆的，重新吸水后，凝胶可再次膨胀。

实验证明，在电场中，中性水合凝胶完全不会收缩；阴离子型凝胶在阴极附近有轻微收缩，在阳极附近有明显收缩；阳离子型凝胶则正好相反；凝胶的电收缩率与电流的大小成正比。

2、过程

萃取用凝胶的膨胀特性，常受到一些因素的强烈作用和调节，其中主要的是PH值和温度，因此将凝胶萃取分为PH值敏感型和温度敏感型两类。

A PH值敏感型凝胶萃取

（1） 凝胶投入某一PH值的溶液并发生膨胀；

（2） 滤去膨胀的凝胶的浓缩液；

（3） 凝胶加酸调节PH值，皱缩再生。见下图：

浓液

↑

--------→ --------→

（ 回收凝胶）↑ ∣

冲洗 ∣ ↓

←-------

∣

↓

酸敏凝胶萃取循环步骤

B 温度敏感型凝胶萃取

→ --------→ →浓缩产品

∣

冷却 ∣ ∣加热

恒温 ∣ ∣

溶剂或水← ←-------

温敏凝胶萃取循环步骤

对萃取分离用凝胶的要求：

(1)溶胀量大，再生容易；

(2)溶胀与皱缩过程要快，与溶液分离容易；

(3)对溶质的吸收选择性要高；

(4)强度好，使用寿命长；

(5)不溶解也不熔融、不污染溶液。

3、应用

由于凝胶萃取具有耗能小，萃取剂易再生，设备及操作简单，对物料分子不存在机械剪贴或热力破坏等优点，故适用于从稀溶液中提取有机物或生物制品，如淀粉脱水，发酵液中抗生素的提取以及遗传工程蛋白质的提取等，还可能在一定程度上替代膜分离和凝胶层析等过程。

A 对牛血清、蓝葡聚糖、碱性蛋白酶以及某些激素等溶液进行浓缩

B 对牛血清蛋白和牛血红蛋白的分离

C 糖引起凝胶系统膨胀和收缩

参考文献

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/50d912fe700abb68a982fbd8.html