正负离子表面活性剂对混合体系双水相的萃取探究

1、正负离子表面活性剂对混合体系双水相的萃取探究张秉乾（青岛科技大学 化学与分子工程学院）摘要： 在一定温度下，通过对不同浓度双水相吸光度的测定, 研究了SDS/CTAB/H2O/Na2SO4混合系统双水相对罗丹明B的萃取作用。结果表明：溶液的配比是能否出现双水相的关键所在。关键词: 双水相; 吸光度; 罗丹明B; 萃取Study on the Extraction in Aqueous Two-phase Systems of Cationic and Anionic Surfactant MixtureZhang Bing-qianAbstract: This study was about

2、the extraction of Rhodamine B in the aqueous two-phase systems of SDS/CTAB/H2O/Na2SO4 mixture on a certain temperature. It was found that the exact composition of the solution is the key point to get the aqueous two-phase systems.Key words: aqueous two-phase system; absorbance; Rhodamine B; extracti

3、on表面活性剂是一类大分子有机化合物，其分子结构特点是具有不对称性。整个分子可分成两部分，一部分亲油的，是非极性基团，叫做疏水基或亲油基；另一部分是亲水的，叫亲水基。因此表面活性剂具有两亲性。在适当的具体条件下，正离子表面活性剂与负离子表面活性剂可以混合使用。混合表面活性剂离子间的相互作用增加了相反电荷的引力，大大促进了两种不同电荷离子间的缔合，在溶液中更易形成胶束，产生更高的表面活性，这种高表面活性必然会引起胶体与界面化学性质的突出表现。双水相体系是指某些物质的水溶液在一定条件下自发分离形成两个互不相溶的水相系统。正负离子表面活性剂混合体系的水溶液在适当条件下能形成双水相，这一发现为正负离子

4、表面活性剂理论性质的研究提出了新的课题。本实验通过研究SDS/CTAB/H2O/Na2SO4混合系统双水相对罗丹明B的萃取作用，揭示影响物质在正负离子表面活性剂双水相中分配系数的主要因素，进而探索萃取机理。1 实验1.1 仪器与试剂cm比色皿4个；干燥器；塑料保鲜膜；剪刀；橡皮筋12个；圆柱形玻璃小瓶12个；玻璃棒4根；长吸管一支；注射器2支；100mL烧杯12个；250ml烧杯2个；100mL容量瓶2个；500mL容量瓶1个；5mL移液管1支；1mL移液管1支；10mL移液管2支；刻度尺1把；洗耳球2个；SDS（P.C.）；CTAB（P.C.）；Na2SO4（P.C.）；罗丹明B；蒸馏水。1

5、.2 实验方法1、配制溶液：（1）用电子天平准确称取14.243g Na2SO4固体，于100mL烧杯中加入一定量蒸馏水溶解，将磁子放入，放在磁力加热搅拌器上加热搅拌，使其充分溶解后转移至500mLmol/L的Na2SO4溶液。 mol/L的Na2SO4溶液40-50mL倒入100mL烧杯中，并将烧杯置于磁力加热搅拌器上加热搅拌。缓慢加入SDS，使其溶解。全部溶解后转移至100mL容量瓶中，加Na2SO4mol/L的SDS溶液，备用。mol/L的CTAB溶液。2、配制双水相：（1）用移液管移取2.1mL SDS和7.9mL CTAB于100mL小烧杯中，再滴加5滴罗丹明B。用玻璃棒快速搅匀，立

6、即倒入圆柱形小瓶中，用塑料保鲜膜及橡皮筋封口，记录样品现象。（2）按照步骤（1）依表1比例移取溶液，配制其他11组混合液。并放入40恒温箱中恒温。（3）观察双水相形成过程，双水相达到平衡后，记录下各个小瓶样品现象。表1 SDS/CTAB体积比例表Table 1 The volume of SDS & CTAB序号123456789101112SDS体积/mLCTAB体积/mL3、吸光度的测定：（1）取出1个出现双水相的圆柱形小瓶，用直尺测量上下相高度，记作h1、h2。（2）调节分光光度计。打开仪器开关，预热20min。将灵敏度调至1档，波长为553nm，将暗箱盖打开，调节透光率为0。将

7、盛有蒸馏水的比色皿放入暗箱，盖上箱盖，调节透光率为100。再打开箱盖调0，再盖上箱盖调100。反复调节。cm比色皿中，测其吸光度；若溶液颜色深，较粘稠，则先称量100mL小烧杯中质量，去皮。再将溶液放入，记下质量m1。加一定量蒸馏水稀释，再记下质量m2。将稀释后溶液倒入比色皿中，测其吸光度。吸光度在0.2-0.7之间即可，若吸光度大于0.4，继续稀释至吸光度在0.2-0.7范围内，记录吸光度值，并计算其稀释倍数。（4）按步骤3测下相吸光度及稀释倍数并记录。（5）将所有出现双水相的体系按照步骤3、4用同一分光光度计测出并记录它们的吸光度及稀释倍数。（6）关闭电源，整理仪器。1.3 分光光度计的使

8、用（1）预热仪器。为使测定稳定，将电源开关打开，使仪器预热20分钟，为了防止光电管疲劳，不要连续光照。预热仪器时和在不测定时应将比色皿暗箱盖打开，使光路切断。（2）选定波长。根据实验要求，转动波长调节器，使指针指示所需要的单色光波长。（3）固定灵敏度档。根据有色溶液对光的吸收情况，为使吸光读数为0.2-0.7，选择合适的灵敏度。为此，旋动灵敏度档，使其固定于某一档，在实验过程中不再变动。一般测量固定在“1”档。（4）调节“0”点。轻轻旋动调“0”电位器，使读数表头指针恰好位于透光度为“0”处。（此时比色皿暗箱盖是打开的，光路被切断，光电管不受光照）（5）调节T=100%。将蒸馏水（或空白溶液或

9、纯试剂）的比色皿座架中的第一格内，有色溶液放在其他格内，把比色皿暗箱盖子轻轻盖上，轻动光亮调节器，使透光度T=100%，即表头指针恰好指在T=100%处。（6）测定。轻轻拉动比色皿座架拉杆，使有色溶液进入光路，此时表头指针所示为该有色溶液的吸光度A，读数后，打开比色皿暗箱盖。（7）关机。实验完毕，切断电源，将比色皿取出洗净，并将比色皿座架及暗箱用软纸擦净。2 结果与讨论2.1 实验结果室温：27.9 a 图1 2.4mL SDS和7.6mL CTAB 形成的双水相Fig. 1 The aqueous two-phase systems of 2.4mL SDS & 7.6mL CTAB

10、表2 恒温前后实验现象记录表Table 2 The phenomenon before & after the experiment on a constant temperature序号恒温前现象恒温后现象1粉红色悬浊液同实验前无明显变化2粉红色悬浊液同实验前无明显变化3粉红色悬浊液同实验前无明显变化4粉红色悬浊液液体分上下两相，上相分别红色乳状物且体积较大，下相为澄清溶液体积较小5粉红色悬浊液液体分上下两相，上相分别红色乳状物且体积较大，下相为澄清溶液体积较小6粉红色悬浊液液体分上下两相，上相分别红色乳状物且体积较大，下相为澄清溶液体积较小7粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化8粉红

11、色粘稠乳状液同实验前无明显变化9粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化10粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化11粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化12粉红色粘稠乳状液同实验前无明显变化表3 出现双水相实验数据记录表Table 3 The behavior of the aqueous two-phase systems序号h1/cmh2/cmA1A2m1/gm2/g456分配系数D：萃取效率E：100%式中，n1和n2为稀释倍数表4 双水相对罗丹明B的萃取作用Table 4 The extraction of Rhodamine B in the aqueous two-phase systems

12、序号分配系数D萃取效率E/%4562.2 理论分析图2图 2 为 SDS/CTAB/H 2 O 系统含 Na 2 SO 4 时的拟三元相图。在相图中存在两个 ATPS 区，根据各区表面活性剂配比的差异，分别称为阴离子双水相区( ATPSa 与阳离子双水相区( ATPSc 。对于 ATPSa 区，由于阴离子表面活性剂 SDS 过 量， 混合表面活性剂带负电；对于 ATPSc 区，阳离子表面活性剂 CTAB 过量，混合表面活性剂带正电。由于两个 ATPS 区的双水相组成及微观结构的差异，它们的萃取分离行为是不同的。 图3 罗丹明B的结构式Fig. 3 The structure of Rhodam

13、ine B 根据图 3 罗丹明B的结构式，分子中有亲水基与疏水基。靠疏水基与表面活性剂有序组合体的疏水区的亲和作用，罗丹明B易于被萃取到 ATPS 的富表面 活性剂相中，所以ATPSa区与ATPSc区双水相对罗丹明B均具有萃取作用。对于SDS/CTAB/H2O/Na2SO4的双水相系统，其pH在中性范围，罗丹明B在ATPS中以两性离子形式存在。但由于N上的正电荷受两个基团的屏蔽作用，正电作用减弱，相对地羧基上的负电荷作用增强,整个罗丹明B离子表现为带负电，它更易于同阳离子双水相区带正电的有序组合体结合，所以罗丹明B在阳离子双水相中的分配系数远远高于在阴离子双水相中分配系数。在阴离子双水相中，带

14、负电的罗丹明B与带负电的有序组合体间有静电排斥作用，但由于罗丹明B的净负电性很弱，所以这种排斥作用不足以完全克服两者疏水基间的亲和作用，不能使罗丹明B从富表面活性剂相上完全挣脱出来，而只是部分地降低两者之间的结合程度， 所以ATPSa区对罗丹明B仍具有一定的萃取作用，但较ATPSc区较弱。2.2 讨论在此次实验的12个圆柱形小瓶中，只有CTAB过量的阳离子双水相区中的4、5、6号小瓶内出现双水相，其中4号的效果最好，阴离子双水相区内则全没出现。由此可知，在阴离子区的配比设计的不合适。前几个小瓶加入罗丹明B搅拌完以后没有迅速放入恒温水浴中恒温，可能因此影响到了双水相的生成。在测定双水相的吸光度时，随着温度的下降，液体逐渐凝固，会使得吸光度增大，所以在测定时要迅速。另外，在配制溶液的过程中，SDS出现少量泡沫，导致实际配制的溶液与理论间存在一定误差；CTAB随配制时间的增加黏度增大，在移取过程中会有部分残留，用蒸馏水反复洗涤可以减少误差，但还是无法完全避免误差，从而影响实验的测定结果。3 结论1、物质带负电，其在阳离子表面活性剂混合双水相体系中的分配系数就大。该结果验证了阴离子双水相系统富表面活性剂相有序组合体带负电;阳离子双水相系统富表面活性剂相有序组合体带正电。2、萃取率与分配系数成正比，分配系数越大，萃取率越高。3、表面活性剂的浓度和配比是形成双水相的关键，其中配比为的溶液