УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ЖИДКИХ СРЕД

Устройство относится к реализации способа выделения растворенных природных и техногенных органических веществ из одной жидкости в другую, в том числе из водных объектов и может быть использовано в аналитической химии, химической технологии, химической токсикологии, биохимии, парфюмерии, гидрохимии, экологии и др.
Известно устройство [1], где летучие органические вещества извлекают из пробы воды перегонкой с водяным паром. Используются два варианта: перегонку с паром ведут либо непосредственно из колбы с пробой воды, осуществляя ее кипячение; либо для получения водяного пара и подачи его в пробу применяют парогенератор.
Однако указанный способ имеет ряд недостатков:
- исследуемую пробу воды во время процедуры необходимо греть при +105-110°С во избежание конденсации водяного пара в объем пробы;
- для гидрофильных, хорошо растворимых в воде веществ (низкомолекулярные жирные кислоты, фенолы, амины и др.) требуется значительное превышение объема дистиллята по отношению к исходному образцу (в 5-10 раз) [2], или химическая модификация пробы (изменение рН и т.п.) перед процедурой отгонки, что может вызвать нежелательные химические превращения в системе.
Известен также способ [3], 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 (низкомолекулярные спирты, ацетонитрил, 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 (изменение рН, высаливание и др.), что может сопровождаться нежелательными химическими превращениями.
Технический результат - улучшение экономических показателей, исключение многостадийности, существенное снижение термического воздействия на исследуемую пробу, возможность применения водорастворимых экстрагентов (органических растворителей), повышение степени извлечения.
Это достигается тем, что органические вещества извлекают из одной жидкости (проба), в т.ч. воды, в другую (экстрагент) - органический растворитель (например, ацетон, ацетонитрил, диэтиловый эфир, этанол и др.) или воду (если проба - раствор в органическом растворителе) путем соконденсации в результате перегонки с паром экстрагента.
Устройство состоит из следующих модулей и частей (рис.1): жидкостный насос-дозатор 1, напр. ННР-5001 (ЧССР), подающий экстрагент по тефлоновой трубке 2 и стеклянному капилляру 3 в объем жидкой пробы, находящейся в двугорлой колбе 4, напр. КГУ-2КШ 1000-29/32 ТС ГОСТ 10394-72, насадка 5, напр. типа Н2 КШ 29/32-14/23 ГОСТ 9425-71, с термометром 6, лабораторный холодильник, напр. типа ХПТ-КШ 400 14/23 ГОСТ 9499-70, алонж с отводом для подключения вакуумного насоса 7, напр. типа АИО КШ 14/23-14/23-60 ГОСТ 9425-71, приемная колба для конденсата-экстракта 8, напр. ГрКШ-100-14/23 ТС ГОСТ 10394-72 и электронагреватель 9 (электроплитка).
Для осуществления парофазной экстракции используемый экстрагент должен иметь температуру кипения меньше температуры кипения пробы. Пробу нагревают до температуры кипения, отгонки добавляемого экстрагента. При необходимости для
выделения термически нестойких веществ температуру отгонки можно снизить, понижая давление вакуумным насосом (напр. водоструйным ГОСТ 10696-75) через отвод алонжа. Для повышения устойчивости целевых продуктов или увеличения степени извлечения может быть использована и предварительная модификация пробы (рН, реагенты, высаливающие агенты и т.п.). При парофазной экстракции экстракции в условиях повышенного давления вакуумный насос заменяют на компрессор с соответствующей заменой шлифовых соединений на штуцеры.
Использование устройства осуществляют следующим образом.
Вариант 1:
3
3
Исследуемый образец пробы объемом 300 см помещают в стеклянную колбу 4 устройства, вносят стеклянные капилляры для стимулирования парообразования. Насосом 1 добавляют 10÷50 см растворимого в пробе растворителя-экстрагента (этанол, ацетонитрил, ацетон и др.). Содержимое колбы доводят до кипения нагревателем 9. Отгонку заканчивают, когда объем конденсата в колбе 8 достигнет или на 5-10% превысит объем добавленного экстрагента. Полученный дистиллят содержит извлекаемые из пробы органические вещества. Для повышения степени экстракции процедуру повторяют, предварительно охладив пробу.
Вариант 2:
3
Исследуемый образец пробы объемом 300 см помещают в стеклянную колбу 4 устройства, вносят стеклянные капилляры для стимулирования парообразования. Нагревателем 9 доводят температуру пробы до температуры на 10-15°С выше температуры кипения экстрагента и насосом 1 подают с определенной скоростью в объем пробы по капилляру 3 экстрагент. Используемый экстрагент может быть как растворим, так и нерастворим в пробе. Скорость подачи экстрагента равна или на 5-10% меньше скорости получения дистиллята. Образующийся дистиллят содержит выделяемые из пробы органические вещества. Время сбора конденсата определяется требуемой степенью извлечения и экстракционными характеристиками экстрагента.
Вариант 3:
3
В стеклянную колбу 4 устройства помещают 300 см экстрагента, вносят стеклянные капилляры для стимулирования парообразования и нагревают до кипения. Насосом 1 подают пробу. Скорость подачи пробы равна или на 5-10% меньше скорости получения дистиллята. Образующийся дистиллят содержит выделяемые из пробы органические вещества. Время сбора конденсата определяется требуемой степенью извлечения и экстракционными характеристиками экстрагента.
Пример 1.
В колбу 4 устройства поместили 303,5 г раствора уксусной, пропионовой и масляной кислот в дистиллированной воде с массовыми концентрациями 78,9, 73,9 и 75,8 мкг/г соответственно. Жидкостным насосом 1 добавили 30 мл метанола, после чего с помощью нагревателя 9 произвели отгонку метилового спирта. Масса дистиллята составила 44,3 г. Методом газовой хроматографии на хроматографе М-3700 с детектором ионизации в пламени установили, что содержание органических кислот в соконденсате равно: уксусной - 24,6 мкг/г, пропионовой - 58,3 мкг/г, масляной - 107,6 мкг/г.
Пример 2.
В колбу 4 устройства поместили 310,0 г раствора уксусной, пропионовой и масляной кислот в дистиллированной воде с массовыми концентрациями 125,7 мкг/г, 116,7 мкг/г и 107,7 мкг/г соответственно. Жидкостным насосом 1 добавили 10 мл этилового спирта, после чего с помощью нагревателя 9 произвели отгонку этанола. В полученном конденсате методом газовой хроматографии на хроматографе М-3700 с детектором ионизации в пламени установили содержание органических кислот. Пробу охладили, добавили еще 10 мл этилового спирта и процедуру отгонки повторили. Подобным образом
осуществили получение пяти фракций дистиллята. Результаты определения органических кислот в них представлены в табл.1.
Таблица 1Результаты ГЖХ-анализа полученных конденсатов
Порядковый номер фракции-конденсата
Масса конденсата, г
Содержание органических кислот, мкг/г
Уксусная
Пропионовая
Масляная
1
8,0
37,7
99,5
188,8
2
15,8
42,4
103,2
168,1
3
18,0
40,1
97,6
157,8
4
18,3
45,4
91,7
132,3
5
21,5
40,9
88,2
127,7
Пример 3.
В колбу 4 устройства поместили 320,0 г раствора уксусной, пропионовой и масляной кислот в дистиллированной воде с массовыми концентрациями 185,7, 145,7 и 142,6 мкг/г соответственно. После нагрева пробы до температуры 95÷97°С жидкостным насосом 1 ННР-5001 (ЧССР), начали подачу этилового спирта со скоростью 2,0 мл/мин. Сбор дистиллята осуществляли фракциями, меняя через каждые 20 мин приемные колбы. Результаты ГЖХ-определения органических кислот на хроматографе М-3700 с пламенно-ионизационным детектором в полученных фракциях парофазных экстрактов сведены в табл.2.
Таблица 2Результаты ГЖХ-анализа полученных конденсатов
Порядковый номер фракции-конденсата
Масса конденсата, г
Содержание органических кислот, мкг/г
Уксусная
Пропионовая
Масляная
1
39,7
39,1
103,5
129,6
2
51,8
22,9
63,6
66,6
3
49,4
19,2
52,3
53,4
4
52,5
19,3
49,1
45,8
5
50,7
18,6
46,4
42,3
Предлагаемое устройство позволяет:
- выполнить прямое одностадийное извлечение растворенных органических веществ в растворители, в том числе неограниченно смешивающиеся с водой (этанол, ацетонитрил, ацетон и т.п.);
- существенно снизить температурное воздействие (например, на 15-25°С в случае применения этанола при экстракции из воды) на исследуемую пробу в сравнении с традиционным методом перегонки с паром;
- уменьшить материальные, энергетические и трудовые затраты;
- исключить предварительную химическую модификацию пробы воды, в случае если целевыми органическими веществами являются гидрофильные химические соединения;
- повысить степень (эффективность) извлечения целевых органических веществ из воды.
Библиография:
1. Степин Б.Д. Техника лабораторного эксперимента в химии: Учеб. Пособие для вузов. М.: Химия, 1999, с.305-314.
2. Кирюхин В.К., Мелькановицкая С.Г., Швец В.М. Определение органических веществ в подземных водах. М.: Недра, 1976, с.62.
3. 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.