Сулы екі фазалы жүйелер: қасиеттері мен қолданылуы
Aqueous two-phase system
Су тамшықты жүйелер (ABS) – органикалық еріткіштерге экологиялық балама. Бұл жүйелер металдарды, наноқұрылымдарды бөлуге, қоршаған ортаны тазалауға қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сулы екі фазалы жүйелер (ABS) немесе сулы екі фазалы жүйелер (ATPS) дәстүрлі органикалық су эрюкіштерімен жүзеге асырылатын экстракция жүйелеріне таза балама болып табылады. ABS екі полимер, бір полимер және бір космотропты тұз, немесе екі тұз (бір хаотропты тұз және екіншісі космотропты тұз) тиісті концентрацияларда немесе белгілі бір температурада араластырылған кезде қалыптасады. Екі фазаның құрамында негізінен су және ұшпайтын компоненттер болады, бұл ұшпалы органикалық қосылыстарды болдырмайды. Олар көп жылдар бойы биотехнологиялық қолданыстарда денатурацияламаушы және қауіпсіз бөлу ортасы ретінде қолданылып келеді. Жақында ATPS-ті сынап және кобальт сияқты металл иондарын, көміртекті нанотүтіктерді бөлуге, қоршаған ортаны қалпына келтіруге, металлургиялық қолданыстарға және реакциялық орта ретінде пайдалануға болатыны анықталды.
Aqueous biphasic systems (ABS) or aqueous two phase systems (ATPS) are clean alternatives for traditional organic water solvent extraction systems. ABS are formed when either two polymers, one polymer and one kosmotropic salt, or two salts (one chaotropic salt and the other a kosmotropic salt) are mixed at appropriate concentrations or at a particular temperature. The two phases are mostly composed of water and non volatile components, thus eliminating volatile organic compounds. They have been used for many years in biotechnological applications as non denaturing and benign separation media. Recently, it has been found that ATPS can be used for separations of metal ions like mercury and cobalt, carbon nanotubes, environmental remediation, metallurgical applications and as a reaction media.
Кіріспе
1896 жылы Бейжеринк алғаш рет агардың, суға ерігіш полимердің, ерігіш крахмал немесе желатинмен «үйлесімсіздігін» байқады. Оларды араластырғанда, екі араласпайтын фазаға бөлінеді. Соңғы зерттеулер көптеген басқа сулы екі фазалы жүйелерді анықтауға әкелді, олардың ішінде полиэтиленгликоль (PEG) – декстран жүйесі ең көп зерттелген. Сулы екі фаза құрайтын басқа жүйелер: PEG – натрий карбонаты немесе PEG және фосфаттар, цитраттар немесе сульфаттар. Сулы екі фазалы жүйелер негізінен биотехнологиялық және химиялық өнеркәсіптерде өңдеудің бастапқы кезеңдерінде қолданылады.
In 1896, Beijerinck first noted an 'incompatibility' in solutions of agar, a water soluble polymer, with soluble starch or gelatine. Upon mixing, they separated into two immiscible phases. Subsequent investigation led to the determination of many other aqueous biphasic systems, of which the polyethylene glycol (PEG) dextran system is the most extensively studied. Other systems that form aqueous biphases are: PEG sodium carbonate or PEG and phosphates, citrates or sulfates. Aqueous biphasic systems are used during downstream processing mainly in biotechnological and chemical industries.
Екі кезең
Су мен майды бір ыдысқа құйғанда, олар араласпайтындықтан екі қабатқа немесе фазаға бөлінетіні белгілі бір байқау. Жалпы алғанда, сулы (немесе су негізіндегі) ерітінділер полярлы болып келеді де, полярлы емес органикалық еріткіштермен (тамаққа қолданылатын май, хлороформ, толуол, гексан сияқты) араласпайды және екі фазалы жүйе құрайды. Дегенмен, ABS-де араласпайтын екі компонент те су негізінде болады. Ерекше фазалардың қалыптасуына екі компоненттің pH, температурасы және иондық күші әсер етеді, ал ажырау полимердің мөлшері белгілі бір шекті концентрациядан асқанда жүзеге асады (бұл көрсетілген факторларға байланысты анықталады).
It is a common observation that when oil and water are poured into the same container, they separate into two phases or layers, because they are immiscible. In general, aqueous (or water based) solutions, being polar, are immiscible with non polar organic solvents (cooking oil, chloroform, toluene, hexane etc.) and form a two phase system. However, in an ABS, both immiscible components are water based. The formation of the distinct phases is affected by the pH, temperature and ionic strength of the two components, and separation occurs when the amount of a polymer present exceeds a certain limiting concentration (which is determined by the above factors).
PEGdextran жүйесі
"Жоғарғы фаза" көбірек гидрофобты полиэтиленгликольден (PEG) тұрады, ол "төменгі фазаға" қарағанда тығыздығы төмен. "Төменгі фаза" көбірек гидрофильді және тығыз декстран ерітіндісінен құралған. PEG судан қалыпты жағдайда тығыз болғанымен, ол жоғарғы қабатты иеленеді. Бұл оның еріткішті "реттеу" қасиеттеріне байланысты деп саналады, ол артық суды шығарып, төмен тығыздықтағы су ортасын құрайды. PEG-тің полимерлену дәрежесі де фазалық бөлінуге және экстракция кезінде молекулалардың таралуына әсер етеді.
The "upper phase" is formed by the more hydrophobic polyethylene glycol (PEG), which is of lower density than the "lower phase," consisting of the more hydrophilic and denser dextran solution. Although PEG is inherently denser than water, it occupies the upper layer. This is believed to be due to its solvent 'ordering' properties, which excludes excess water, creating a low density water environment. The degree of polymerization of PEG also affects the phase separation and the partitioning of molecules during extraction.
Термодинамикалық модельдеу
Эксперименттік зерттеуден басқа, инженерлік және жобалауда сұйық-сұйық тепе-теңдік жағдайларын сипаттау және болжау үшін жақсы термодинамикалық модель болуы маңызды. Термодинамикалық модельдер үшін жаһандық және сенімді параметрлерді алу үшін, әдетте фазалық тепе-теңдік деректері осы мақсатқа қолайлы. Полимер-тұз жүйелерінде полимер, электролит және су болғандықтан, барлық түрлі өзара әрекеттесулерді ескеру қажет. Бүгінгі күнге дейін NRTL, Chen NRTL, Wilson, UNIQUAC, NRTL NRF және UNIFAC NRF сияқты бірнеше модельдер қолданылды. Барлық жағдайларда аталған модельдер полимер-тұздық сулы екі фазалы жүйелердің байланыс сызығы деректерін сәтті қайта жасай алатыны көрсетілді. Көптеген бұрынғы жұмыстарда модельдеу үшін артық Гиббс функциялары қолданылған.
Besides the experimental study, it is important to have a good thermodynamic model to describe and predict liquid liquid equilibrium conditions in engineering and design. To obtain global and reliable parameters for thermodynamic models usually, phase equilibrium data is suitable for this purpose. As there are polymer, electrolyte and water in polymer/salt systems, all different types of interactions should be taken into account. Up to now, several models have been used such as NRTL, Chen NRTL, Wilson, UNIQUAC, NRTL NRF and UNIFAC NRF. It has been shown that, in all cases, the mentioned models were successful in reproducing tie line data of polymer/salt aqueous two phase systems. In most of the previous works, excess Gibbs functions have been used for modeling.