Аквабифазные системы: свойства, применение и моделирование фазового равновесия.
Aqueous two-phase system
Аква-двухфазные системы (ABS/ATPS): экологичная альтернатива экстракции растворителями. Разделение металлов, нанотрубок, очистка воды и реакционная среда.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Водные двухфазные системы (ABS) или водные двухфазные системы (ATPS) являются экологически чистой альтернативой традиционным системам экстракции с использованием органических растворителей. ABS формируются при смешивании двух полимеров, одного полимера и одной космотропной соли, или двух солей (одной хаотропной соли и одной космотропной соли) в соответствующих концентрациях или при определенной температуре. Обе фазы в основном состоят из воды и нелетучих компонентов, что исключает использование летучих органических соединений. Они на протяжении многих лет успешно применяются в биотехнологии в качестве не денатурирующих и безопасных сред для разделения. В последнее время было установлено, что ATPS могут использоваться для разделения ионов металлов, таких как ртуть и кобальт, углеродных нанотрубок, для восстановления окружающей среды, в металлургии, а также в качестве реакционной среды.
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.
Введение
В 1896 году Бейеринк впервые отметил «несовместимость» растворов агара, водорастворимого полимера, с растворимым крахмалом или желатином. При смешивании они разделялись на две несмешивающиеся фазы. Последующие исследования позволили установить существование многих других водных двухфазных систем, среди которых система полиэтиленгликоль (ПЭГ) – декстран является наиболее изученной. Другими системами, формирующими водные двухфазные системы, являются: ПЭГ – карбонат натрия или ПЭГ с фосфатами, цитратами или сульфатами. Водные двухфазные системы используются на стадии последующей переработки, главным образом в биотехнологической и химической промышленности.
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.
Два этапа
Обычно наблюдается, что при смешивании масла и воды в одной емкости они разделяются на две фазы или слоя, поскольку они несмешиваются. Водные (или на водной основе) растворы, будучи полярными, не смешиваются с неполярными органическими растворителями (растительное масло, хлороформ, толуол, гексан и т.д.) и образуют двухфазную систему. Однако в ABS оба не смешиваемых компонента имеют водную основу. Образование отчетливых фаз зависит от pH, температуры и ионной силы компонентов, а разделение происходит, когда концентрация полимера превышает определенный предел (который определяется указанными факторами).
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).
Система PEGdextran
"Верхняя фаза" формируется более гидрофобным полиэтиленгликолем (PEG), который имеет меньшую плотность, чем "нижняя фаза", состоящая из более гидрофильного и плотного раствора декстрана. Несмотря на то, что PEG сам по себе плотнее воды, он занимает верхний слой. Это, как полагают, связано с его способностью упорядочивать растворитель, что приводит к исключению избыточной воды и созданию водной среды с низкой плотностью. Степень полимеризации PEG также влияет на разделение фаз и распределение молекул в процессе экстракции.
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.
Термодинамическое моделирование
Помимо экспериментального исследования, важно иметь хорошую термодинамическую модель для описания и прогнозирования условий жидкостно-жидкостного равновесия при инженерных расчетах и проектировании. Для получения глобальных и надежных параметров термодинамических моделей обычно используют данные о фазовом равновесии. Поскольку в полимерно-солевых системах присутствуют полимер, электролит и вода, необходимо учитывать все различные типы взаимодействий между ними. К настоящему времени применялись такие модели, как NRTL, Chen NRTL, Wilson, UNIQUAC, NRTL NRF и UNIFAC NRF. Показано, что во всех случаях указанные модели успешно воспроизводят данные изотерм связывания для полимерно-солевых водных двухфазных систем. В большинстве предыдущих работ для моделирования использовались избыточные функции Гиббса.
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.