Устройство для экстракционного вымораживания органических веществ из жидких сред

Полезная модель используется для выделения химических соединений, в т.ч. органических, из одной жидкости в другую, в т.ч. из водных сред и наоборот. Указанный технический результат достигают тем, что устройство реализует способ экстракционного вымораживания (ЭВ): выделение органических соединений из водной среды в органический растворитель путем экстракции в сочетании с вымораживанием. Устройство состоит криоэкстракционного модуля с охлаждаемым криостатом, термоэлектрическими элементами, блоком управления, регулятором мощности, термопарой, дозатором для подачи хладоагента в криостат и системой понижения атмосферного давления над экстрагируемым образцом, находящимся в экстракционной емкости. Предлагаемое устройство позволяет осуществлять контролируемый, программируемый режим охлаждения и формирования кристаллической фазы образца, в т.ч. с применением хладоагента и системы удаления растворенных газов. Варьируя условия ЭВ, например, рН водного раствора, позволяет концентрировать целевые компоненты, как в жидком экстракте, так и в твердой фазе льда.

Устройство предназначено для реализации способа экстракционного вымораживания (ЭВ) [1] с целью выделения растворенных природных и техногенных органических веществ из одной жидкости в другую, в том числе из вододосодержащих объектов и может быть использовано в аналитической химии, химической технологии, химической токсикологии, биохимии, парфюмерии, гидрохимии, экологии и т.д.

Известны способ направленной низкотемпературной кристаллизации и устройство [2, 3], основанные на концентрировании растворенных неорганических и органических компонентов в жидкой части пробы при частичном замораживании исследуемого образца воды. Однако данный способ имеет ряд серьезных недостатков:

- не позволяет устранить ионный фон и растворенные неорганические вещества, что имеет важное значение при исследовании минеральных, загрязненных, сточных и технологических вод;

- не позволяет удалять из раствора (концентрата) коллоидные частицы при изучении дисперсных систем;

- не обладает селективностью выделения тех или иных целевых веществ;

- требует применения сложного лабораторного оборудования для контроля степени кристаллизации образца во избежание полного его затвердевания.

Известен способ жидкостной экстракции [4, 5], в котором для извлечения органических веществ из воды применяют экстракцию в органический растворитель. Однако данный способ имеет тоже ряд серьезных недостатков;

- экстракция неосуществима в случае использования неограниченно смешивающегося с водой растворителя-экстрагента (ацетонитрил, низкомолекулярные спирты, ацетон и т.п.);

- для выделения гидрофильных органических соединений требуется дополнительная, многократная экстракция, ее сочетание с выпариванием, сорбцией и др. методами;

- для хорошо растворимых органических соединений (низкомолекулярные жирные кислоты, фенолы, амины и др.) необходима предварительная химическая модификация исходной пробы перед экстракцией (например, дериватизация, высаливание и др.), что может сопровождаться нежелательными химическими превращениями и существенно осложняет технологию.

Целью было улучшение технологических и экономических показателей, исключение многостадийности, существенное снижение термического воздействия на исследуемую пробу, возможность применения водорастворимых экстрагентов (органических растворителей), повышение степени извлечения.

Поставленная задача решается путем создания криоэкстракционного модуля, схема которого представлена на рис.], использующего принцип экстракционного вымораживания [1]. Процедура проведения экстракционного вымораживания по способу [1] предусматривала помещение приготовленной смеси исследуемой пробы с экстрагентом в заданной пропорции (в пробирке или иной экстракционной емкости) в морозильную камеру холодильника и последующего охлаждения приготовленной смеси до кристаллизации водной части. В результате, в выделяющийся в отдельную жидкую фазу добавленный незамерзающий органический растворитель переходят извлекаемые целевые вещества, в т.ч. органические. Вместе с тем, в результате такого нерегулируемого варианта ЭВ образующийся лед имеет поликристаллическую структуру со множеством трещин, куда за счет капиллярных сил втягивается довольно значительная часть получаемого экстракта. По этой причине не удается снизить долю экстрагента в исходной смеси с пробой ниже 25%. Решить эту проблему позволили реализация в заявляемом устройстве возможности регулируемого режима охлаждения пробы системой термоэлектрических элементов (управляя их мощностью) в условиях оперативного постоянного контроля температуры образца, а также возможности управления движением фронта кристаллизации за счет регулируемого уровня охлаждающей жидкости, в которой находится исследуемая проба.

Для извлечения растворенных компонентов из воды устройство используется следующим образом. Пробу с добавленным экстрагентом (ацетонитрил, ацетон, спирты, диэтиловый эфир и т.п.), находящуюся в пробирке (экстракционной емкости) 1, помещают в металлическую емкость криостата 2, охлаждаемой термоэлектрическими элементами 3 (ТТЭ, элементы Пельтье). Режим охлаждения задается блоком управления 4.(БУ) через регулятор мощности 5 (РМ). Оперативный контроль температуры обеспечивается термопарой 6 (Т,°С). В отличие от метода направленной низкотемпературной кристаллизации [2, 3] и традиционной схемы экстракционного вымораживания [1] при необходимости в случае проб с повышенной вязкостью для более эффективного удаления растворенного в исходной пробе воздуха может быть использована система понижения атмосферного давления над образцом 7 через пробку пробирки. Дополнительно, в отличие от процедуры проведения экстракционного вымораживания по способу [1], конструкцией предлагаемой модели криоэкстракционного модуля предусмотрено регулирование движением фронта кристаллизации в затвердевающей части образца за счет управляемой подачи охлаждающей жидкости 8 с помощью насоса 9. Охлаждаемый металлический криостат 2 помещен в теплоизолирующую рубашку 10, например, из материала типа пенополистирола (пенопласт), со съемной крышкой. Для более эффективного отведения тепла с тепловыделяющей стороны ТТЭ устройство может быть помещено в холодильник. При необходимости с целью перемешивания охлаждаемого образца в пробирках к стенке криостата крепят вибродвигатель (на рис.1 не указан). В результате, в выделяющийся в отдельную жидкую фазу добавленный незамерзающий органический растворитель переходят извлекаемые вещества.

Предлагаемое устройство позволяет:

выполнить прямое одностадийное извлечение растворенных органических веществ в растворители, в том числе неограниченно смешивающиеся с водой (ацетонитрил, этанол, ацетон и т.п.), что не возможно с помощью жидкостной экстракции [4, 5];

- управлять селективностью экстракции за счет выбора экстрагента и рН среды, что не возможно по методу [2, 3];

существенно снизить температурное воздействие на исследуемую пробу (например, на 40-45°С в случае применения ацетонитрила при ЭВ из воды в сравнении с традиционным методом жидкостной экстракции [4, 5J;

- в отличие от жидкостной экстракции [4, 5] исключить предварительную химическую модификацию пробы воды, в случае если целевыми органическими веществами являются гидрофильные химические соединения (требуется дериватизация);

- повысить степень (эффективность) извлечения целевых органических веществ из воды по сравнению с жидкостной экстракцией [4, 5];

- в отличие от кристаллизационных методов [2, З3], варьируя условия ЭВ, например, рН водного раствора, позволяет концентрировать целевые компоненты, как в жидком экстракте, так и в твердой фазе льда;

- осуществлять контролируемый, программируемый режим охлаждения и формирования кристаллической фазы образца, в т.ч. с применением хладоагента и системы удаления растворенных газов. уменьшить материальные, энергетические и трудовые затраты.

Библиография:

1. Патент РФ на изобретение 2303476 // Способ извлечения органических веществ из водных сред экстракцией в сочетании с вымораживанием. // Бехтерев В.Н. // Б.И. 21, 2007.

2. Химическая энциклопедия. В 5 т.М.: БСЭ, 1990. Т.2. с.525.

3. Бланк А.Б. Аналитическая химия в исследовании и производстве неорганических функциональных материалов. Харьков: Институт монокристаллов, 2005, с.108-141.

4. Карпов, Ю.А. Методы пробоотбора и пробоподготовки [Текст] / Ю.А. Карпов, А.П. Савостин. М.: БИНОМ. Лаборатория изданий, 2003. 243 с.

5. Пилипенко А.Т., Терлецкая А.В., Зульфигаров О.С.Концентрирование органических соединений при анализе вод. В кн.: Концентрирование следов органических соединений. Сборник научных трудов АН СССР «Проблемы аналитической химии». М.: Наука, 1990, т.Х, с.191-211.

Устройство извлечения органических веществ из жидких сред путем экстракционного вымораживания, включающее охлаждаемый криостат с экстракционными емкостями, отличающееся тем, что оно содержит насос для подачи хладоагента в криостат и систему понижения атмосферного давления над экстрагируемым образцом, термоэлектрические элементы, блок управления, регулятор мощности, термопару.