水相

通常,水相是由各種金屬離子組成的水溶液。在萃取過程中,水相作為被萃取溶液,水相的料液可以是礦物原料浸出液、工業污水或其他需要淨化的溶液,是萃取作業的加工對象。

基本介绍

  • 中文名:水相
  • 外文名:aqueous phase
  • 領域:工程
溶解性,影響溶解度的因素,極性,原子半徑,雙水相系統,介紹,兩相,聚乙二醇-右旋糖酐體系,優點,

溶解性

溶解性溶解度(英語:Solubility)是指定溫、定壓時,每單位飽和溶液中所含溶質的量;也就是一種物質能夠被溶解的最大程度或飽和溶液的濃度。通常用體積莫耳濃度、質量百分濃度或“每100公克溶劑能溶解的溶質重”表示之。溶解度主要取決於溶質溶劑中的溶解平衡常數(溶度積)、溫度極性、和壓強。相同溶質在不同溶劑下的溶解度不盡相同;相同溶劑在不同溶質下的溶解度不盡相同;即便是相同的溶質和溶液,在不同的環境因素下溶解度也不盡相同。
當溶質分子進入溶液時,因為分子可以自由移動,有些分子會碰撞到未溶解的晶體表面,並被吸引回到晶體表面析出,此即為結晶或沉澱。在分子不斷溶解和結晶的過程中,當溶解速率和結晶速率相等時,稱為溶解平衡。達到溶解平衡的溶液稱為飽和溶液,此時溶質的濃度定義為溶解度。濃度低於溶解度的溶液稱為未飽和溶液;在某些特殊環境下,會產生濃度大於溶解度的溶液,稱為過飽和溶液
如果一種溶質對溶液的溶解度很高,我們就說這種物質是可溶的;如果溶解度不高,稱這種物質是微溶的;如果溶解度極低,則稱這種物質是不溶難溶的。在台灣,可溶、微溶、難溶這三種狀態分別以體積莫耳濃度
做為分野。在中國大陸,將每100mL溶劑溶質的溶解度小於0.01g的物質稱為難溶物質,在0.01~1之間的為微溶,1~10為可溶,10以上為易溶。

影響溶解度的因素

極性

參見:極性溶劑
因為共價鍵原子間的電負度差異,使各原子對鍵結電子對的吸引力不盡相同。而當所有的吸引力造成的極矩無法平衡時,我們稱分子具有極性。極性與物質溶解性的關係可以被概括為“相似相溶”:極性溶劑能夠溶解離子化合物以及能離解的共價化合物,而非極性溶劑則只能夠溶解非極性的共價化合物。這是因為極性分子和極性溶劑可以以靜電力結合互溶,而非極性分子和非極性溶劑則以凡德瓦力相互作用力形成紊亂的分子混合物。常見的範例包括:
  • 食鹽,是一種離子化合物,它能在中溶解,卻不能在乙醇中溶解。
  • 油脂,是一種非極性的共價化合物,他不能在中溶解,卻反而在乙醇中溶解。
  • 若將不能互溶的水及非極性溶劑放在一起,它們不會形成均一的混合物,反而會分離為兩層,或形成看起來像牛奶一樣的乳濁液

原子半徑

參見:稀有氣體
稀有氣體間的吸引力主要為凡德瓦力。由於極化性的增加以及電離能的減少,此力會與原子半徑呈正相關。因此,隨著原子序增加,稀有氣體原子在水中的溶解度也增加。如極難溶於水,但能很好地溶於水中。

雙水相系統

雙水相系統(英語:Aqueous two-phase system)對於傳統有機相-水相溶劑萃取來說是個全新的替代品。
當兩種聚合物、一種聚合物與一種親液或是兩種鹽(一種是離散且另一種是親液鹽)在適當的濃度或是在一個特定的溫度下相混合在一起時就形成了雙水相系統。這兩相大多數情況下由水與非揮發性成分組成,因此避免了揮發性有機成分的使用。多年來,他們作為非至變性且溫和的分離介質被套用於生物技術領域。最近,他們被用於金屬離子分離、環境修復、冶金套用並作為一種反應介質。

介紹

在1896年,馬丁努斯·威廉·拜耶林克首次發現由一種水溶性聚合物——瓊脂與可溶性澱粉白明膠所組成的溶液是“互不親和”的。經混合,他們被分成了兩個不混溶的。 後續的科學研究使得更多其他的雙水相系統被發現,其中研究最多的是聚乙二醇(PEG)-右旋糖酐系統。其他可以形成雙水相的系統有:PEG-碳酸鈉或PEG與磷酸鹽檸檬酸鹽硫酸鹽。雙水相系統主要在生物技術與化學工業方面被用於下游處理

兩相

倒入同一個容器,我們很容易觀察到他們相互分為兩層,因為他們是不混溶的。通常情況下,水(或水性)溶液是極性的,與非極性有機溶劑(三氯甲烷甲苯己烷等)是不相混溶的,並會形成一個兩相體系。然而,在一個雙水相系統中,兩種不混溶的成分都是水性的。
兩個截然不同相的形成受到兩種組分pH溫度離子強度的影響,且當一種聚合物的量超過一個確定的極限濃度(由以上因素決定)時,兩相才會發生分離。

聚乙二醇-右旋糖酐體系

“上相”是由更加疏水性的聚乙二醇(PEG)所形成,此相較“下相”的密度小,下相由更加親水性且密度大的右旋糖酐溶液組成。
儘管聚乙二醇天生就比水密度大,它卻仍占據著上層。這被證實是因為它的溶劑“排序”性質,這會排除更多的水分,製造出一個低水密度的環境。聚乙二醇的聚合度亦會影響相分離以及萃取時分子的分配係數。

優點

雙水相系統是一個十分出色的方法,用以進行從粗製細胞濃縮物或其他混合物中萃取蛋白質/以及其他易變性生物分子的操作。此項技術經常在酶技術領域用於工業或實驗室生產酶。
  • 雙水相系統提供了溫和的操作條件,可以不傷害或使得不穩定/易變性生物分子變性
  • 較用於溶劑萃取的水-有機溶劑系統來說,雙水相系統的界面應力(在兩層界面處)遠低於前者,使得被萃取的分子受到的傷害更小。
  • 聚合物層穩定了被萃取的蛋白質分子,有利於在兩相中的一層中增加目標蛋白質濃度,達到更有效地萃取效果。
  • 可以研發出一些特定的系統(藉由變化因素,例如溫度、聚合度特定離子的濃度)以促進特定化合物的富集到其中兩相中之一。有時,為了達到更好的萃取效果,可以同時搭配離子交換樹脂使用。
  • 迅速達到相分離並分離出化合物。這使得在內源蛋白酶降解目標分子之前就完成對他們的萃取。
  • 可以很易控制地放大這些系統,從實驗室規模的裝備到可以處理工業生產要求的裝備。實現他們可能需要使用連續蛋白質-萃取過程。
通過添加與目標酶配對的配體到聚合物上,可使得選擇特異性進一步提高。這會使得酶會優先結合到聚合物上,增加了萃取的效率。
然而有一個很大的劣勢就是涉及的材料費用,即為了達到萃取目的而所用到的高純度右旋糖酐。然而,其他低價的替代品,例如精製程度不那么高的右旋糖酐、羥丙基澱粉衍生物與高鹽溶液亦可被使用。

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