盐析及双水相萃取法分离尼古丁水溶液的研究

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尼古丁在农业和医药行业中有许多的用途,研究从水溶液中分离提取尼古丁具有重要的商业价值。然而从水溶液中分离提取尼古丁采用的液液萃取法中存在有机溶剂有毒和易燃易爆的问题。因此本论文采用具有成本低、对环境友好以及分离生物分子的高选择性和高收率特点的盐析法和双水相萃取法进行分离尼古丁水溶液的研究。主要研究内容如下:(1)使用六种不同的无机盐(Na Cl、KCl、Na Br、KBr、Na2CO3和Na2SO4)作为盐析介质,系统地评估盐类型对盐析分离尼古丁的影响。在298.15 K和大气压下通过实验获得了(尼古丁+盐+水)三元溶液的相图,使用经验方程测定了浊点曲线和平衡系线的相关性。后者用于计算尼古丁的分配系数和回收率,分配系数为5.79至1325.82,回收率为75.81%至99.70%。分析了阴离子的盐析能力:CO32–>SO42–>Cl–>Br–,遵循Hofmeister序列、化合价和水合自由能理论。然而,阳离子(K+>Na+)表现出与Hofmeister序列相反的顺序,这归因于Na+与尼古丁氮的强相互作用。EEV与两相区域的大小具有一致性,可以评估盐析能力。温度和p H的升高增强了尼古丁―Na2SO4系统的盐析效应。热力学函数计算表明熵增是尼古丁分离过程的驱动力。(2)使用三种可生物降解的有机盐(C6H5Na3O7、C4H4Na2O4、HCOONa)代替无机盐研究盐析分离尼古丁的可行性。在298.15 K和大气压下通过实验获得了(尼古丁+盐+水)三元溶液的相图,并测定了相图中浊点曲线和平衡系线的相关性。根据平衡系线计算尼古丁的分配系数和回收率,分配系数为3.45至124.24,回收率为79.57%至98.61%。用化合价和吉布斯水合自由能理论解释了阴离子促进相分离的能力:C6H5O73->C4H4O42->HCOO-。盐的EEV和两相区域的大小一致,可以准确评估相分离能力。温度升高和碱性环境有利于尼古丁―C6H5Na3O7体系的相分离,计算热力学函数表明熵增促进了尼古丁在水溶液中的去溶剂化作用。(3)建立由Na2SO4/C6H5Na3O7+乙醇/正丙醇/异丙醇+水组成的双水相系统,研究其对尼古丁的分离性能。在298.15 K和大气压下通过实验获得了(醇+盐+水)三元溶液的相图,进行了相关性测定,而且相图中的浊点曲线数据与文献中的数据比较显示出良好的相似性。分析了盐和醇对相分离过程的影响:盐阴离子促进两相形成的能力为C6H5O73->SO42-,遵循化合价和水合自由能理论;醇的相分离效果为正丙醇>异丙醇>乙醇,可以用醇水溶液的界面张力和醇的沸点清楚地解释。系统的EEV值可以评估相分离能力,其与两相区域的大小一致。研究了醇/盐类型、相组成、温度和p H等因素对尼古丁分离过程的影响。最佳条件是在298.15 K和p H=10时,使用30 wt%正丙醇+15 wt%C6H5Na3O7+55 wt%水组成的ATPS得到尼古丁的分配系数为73.18,回收率为98.69%。在这些条件下,尼古丁通过一个由熵增控制的吸热且自发的过程优先迁移到正丙醇富集相。本论文在深入研究无机盐盐析特性和作用机理的基础上,使用可生物降解的有机盐代替无机盐,优化了盐析法在毒性和环境问题方面的表现,继而使用盐析法中效果优异的盐构建醇―盐双水相系统,获得了分离尼古丁的最佳条件,避免了盐的大量使用及其导致的环境影响,以期为大规模工业化液―液提取尼古丁提供一定的基础数据和理论支撑。
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