CC BY
10
УДК 544.77
Букина А.В., Мурашова Н.М.
ОБРАТНЫЕ МИКРОЭМУЛЬСИИ В СИСТЕМЕ ЛЕЦИТИН - БУТАНОЛ-1 - ГЕПТАН -ВОДА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Букина Альбина Вячеславовна - студент 4-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии; [email protected].
Мурашова Наталья Михайловна - кандидат химических наук, доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены микроэмульсии на основе ПАВ природного происхождения лецитина как перспективные наноструктурированные среды для химической технологии. Определены области существования таких микроэмульсий, содержащих и не содержащих экстрагент, предложены составы микроэмульсий для выщелачивани. Изучена возможность проведения процесса микроэмульсионного выщелачивания меди с помощью разработанной микроэмульсии.
Ключевые слова: микроэмульсия, лецитин, наноструктурированные среды, химическая технология
REVERSE MICROEMULSIONS IN THE LECITHIN - BUTANOL - HEPTANE -WATER SYSTEM FOR CHEMICAL TECHNOLOGY
Bukina A.V., Murashova N.M.
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russian Federation
This paper describes microemulsions based on surfactant of natural origin lecithin as a prospective nanostructured media for chemical technology. Regions of the existence of these microemulsions containing and not containing extractant are determined, compositions of microemulsions for leaching are proposed. The possibility to carry out the process of microemulsion leaching of copper using the developed microemulsion is studied. Key words: microemulsion, lecithin, nanostructured media, chemical technology
Микроэмульсии - это термодинамически устойчивые изотропные дисперсии масла и воды, содержащие капли нанометрового размера, стабилизированные поверхностно-активным
веществом (веществами). Благодаря способности солюбилизировать одновременно водо- и маслорастворимые вещества их используют во многих областях химии и химической технологии - в качестве среды для проведения каталитических реакций, экстракции, синтеза наночастиц, процессов полимеризации и электрохимического осаждения [1]. В таких процессах чаще всего используют микроэмульсии на основе синтетических ПАВ -ионных (таких как Аэрозоль ОТ, цетилтриметиламмоний бромид, додецилсульфат натрия), а также неионных (Тритон Х 100, ПАВ группы Твин и Спан). Эти поверхностно-активные вещества позволяют получить микроэмульсии, подходящие для решения определённых технологических задач. Однако, их недостатками зачастую являются токсичность используемого ПАВ, его высокая стоимость и сложность утилизации.
Для замены синтетических ПАВ, может быть использован лецитин. Лецитин - это природное поверхностно-активное вещество, которое относится к классу фосфолипидов, преимущественно содержащее фосфатидилхолин. Благодаря своей структуре лецитин способен образовывать различные наноструктуры - жидкие кристаллы, липосомы, органогели. В присутствии соПАВ (алифатических спиртов, карбоновых кислот, аминов) могут быть
получены микроэмульсии лецитина. Благодаря биосовместимости компонентов микроэмульсии лецитина предлагается использовать в медицине в качестве системы для трансдермальной доставки лекарственных веществ и при создании косметических средств [2]. Микроэмульсии на основе лецитина могут служить в качестве наноструктурированных сред для процессов «зелёной» химии.
Представляет интерес разработка составов микроэмульсий лецитина для выделения и разделения веществ, например, для микроэмульсионного выщелачивания металлов. Микроэмульсионное выщелачивание - это процесс извлечения металлов из частиц твёрдого сырья с помощью микроэмульсии, содержащей экстрагент.
Целью данной работы является определение областей существования микроэмульсий в системе лецитин - бутанол-1 - гептан - вода, содержащих экстрагент - капроновую кислоту, и изучение возможности их применения для выщелачивания цветных металлов на примере меди.
Источником лецитина для получения микроэмульсий был фосфолипидный концентрат «Мослецитин», содержащий 97 % фосфолипидов, в том числе 22 % фосфатидилхолина. Растворителем послужил гептан. В качестве алифатического спирта для получения микроэмульсии выбран бутанол-1.
Для получения микроэмульсии смешивали рассчитанные количества лецитина, бутанола-1 и, при необходимости, экстрагента. Смешивание
компонентов проводились при комнатной температуре до полного растворения лецитина. Затем в образец добавляли воду. Область существования микроэмульсии определяли путем добавления в исходный образец объемом 5 мл порций дистиллированной воды объемом 20 мкл до появления устойчивого помутнения и последующего расслоения микроэмульсии.
Определение температурной устойчивости микроэмульсий проводили в термостате в интервале температур от 20 до 80°С с шагом 5°С, термостатирование проводили в течение 10 минут.
Выщелачивание проводилось в закрытой колбе при соотношении массы твердой фазы (г) и объема жидкой фазы (мл) 1:50 при температуре 80С при одновременном ультразвуковом диспергировании с мощностью 26,2 Вт с помощью ультразвукового диспергатора УЗГ 13-0.1/22. и механическом перемешивании со скоростью 1000 об-мин-1 на магнитной мешалке.
Длительность процесса выщелачивания составила 5 часов. В ходе выщелачивания каждый час отбирались пробы микроэмульсии объемом 2 мл для определения содержания меди. Для удаления взвешенных частиц твердой фазы пробы центрифугировали со скоростью 8000 об-мин-1 в течение 15 минут в центрифуге ОПН-8. Для реэкстракции меди пробы микроэмульсии смешивали с водным раствором азотной кислоты с концентрацией 10 мас. %. Соотношение объемов раствора кислоты и микроэмульсии составило 3:1. Для завершения процесса реэкстракции образцы выдерживали не менее 24 часов при комнатной температуре. Определение содержания меди в реэкстракте проводили фотометрически, по окрашиванию с купризоном.
Солюбилизационную емкость в системах лецитин
- бутанол-1 - гептан - вода определяли при разных концентрация смеси ПАВ (лецитин+бутанол) в органической фазе (от 5 до 80 мас. %) при соотношении лецитин:бутанол в смеси ПАВ - 1:1 и 1:2. Полученные результаты приведены на рисунке 1. Наиболее широкой областью существования обладает микроэмульсия в системе лецитин - бутанол - гептан
- вода, содержащая 15 и 20 мас. % ПАВ при соотношении лецитин:бутанол = 1:1.
Для сравнения с гептаном в качестве растворителя был выбран толуол. Как видно на рисунке 1 микроэмульсии на основе толуола имеют меньшую солюбилизационную емкость по воде, чем микроэмульсии на основе гептана, при соотношении смеси ПАВ равному 1:1 и 1:2.
Для дальнейшего исследования была выбрана микроэмульсия в системе лецитин - бутанол-1 -гептан - вода, содержащая 15 и 20 мас. % ПАВ при соотношении лецитин:бутанол = 1:1. Часть спирта в этих системах (от 10 до 50 %) от массы спирта заменяли на экстрагент - капроновую кислоту. Экстрагента был выбран, как один из возможных для извлечения цветных металлов микроэмульсиями на
основе додецилсульфата натрия [3]. Результаты по солюбилизации воды представлены на рисунке 2.
О -1-1-I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—I
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 С(лецитин+бутанол), масс.%
Рис. 1. Зависимость максимального содержания воды в
микроэмульсии от концентрации смеси ПАВ(лецитин+спирт) в гептане (1,2) и в толуоле (3,4). Смесь ПАВ: 1,3 - лецитин+бутанол-1 (1:1); 2,4 -лецитин+бутанол-1 (1:2).
9 у
з -7 --
2 - - I
1 -О -1-1-1-1-(-1-1
О 10 20 30 40 50
С(к апр. кислоты в смеси со спиртом), лласс.% ■ 15% 0 20%
Рис. 2. Зависимость максимального содержания воды от содержания капроновой кислоты в смеси со спиртом при соотношении смеси ПАВ лецитин:бутанол=1:1 и концентрации смеси ПАВ 15 и 20 мас.%.
Наибольшей солюбилизационной емкостью по воде обладает микроэмульсия, содержащая 20 мас. % ПАВ при соотношении лецитин:бутанол=1:1 и 30 мас. % капроновой кислоты от массы спирта. Для использования в процессе микроэмульсионного выщелачивания металлов можно рекомендовать микроэмульсию, содержащую 20 мас.% ПАВ в соотношении лецитин:бутанол=1:1 и 50 мас.% капроновой кислоты от массы спирта, ввиду большего содержания экстрагента.
Поскольку выщелачивание металлов может проводиться при повышенных температурах, была исследована температурная устойчивость
микроэмульсий в системе лецитин - бутанол-1 -капроновая кислота - гептан - вода при соотношении лецитин:бутанол=1:1, концентрации смеси ПАВ 15 и 20 масс. % и при массовой доле воды 4 %. Зависимость предельной температуры существования от содержания экстрагента представлена на рисунке 5. Было определено, что наиболее высокой передельной температурой существования обладает
микроэмульсиия, содержащая 15 % ПАВ в органической фазе.
Таблица 1. Максимальная температура
существования
Концентрация ПАВ, мас. % Концентрация капроновой кислоты от массы спирта, мас. %
20 30 40 50
15 80 80 >80 >80
20 55 60 60 60
На основе полученных данных можно предложить для микроэмульсионного выщелачивания металлов два состава микроэмульсий: лецитин - бутанол-1 -капроновая кислота - гептан - вода при соотношении лецитин:бутанол=1:1, концентрации смеси ПАВ 15 мас. %, массовой доле воды 4 % и доле капроновой кислоты от массы спирта 40 и 50 мас. %.
Процесс извлечения меди с помощью выбранных составов микроэмульсий проводился из оксидного сырья. Размер частиц оксида меди (II) составил й;р = 3,5 ± 0,5 мкм. Результаты выщелачивания приведены в табл. 2.
Таблица 2. Степень извлечения металлов после выщелачивания микроэмульсией с долей капроновой кислоты от массы спирта 40мас.%
Стоит отметить, что молярная концентрация капроновой кислоты для выбранной системы микроэмульсии, содержащей 40 мас.% экстрагента от массы спирта, составляет 0.18 моль/л, при этом степень извлечения меди после 5 часов выщелачивания составляет 1,35%. Эти данные согласуются, с данными, полученными в работе 3, где
в системе додецилсульфат натрия - бутанол-1 -капроновая кислота - керосин - вода степень извлечения меди при молярной концентрации экстрагента 0,24 моль/л составила 1,9%.
Таким образом, было показано, что одним из вариантов для микроэмульсионного выщелачивания может служить образец состава лецитин - бутанол-1 -капроновая кислота - вода, содержащий 15 мас.% ПАВ при соотношении лецитин:буатнол=1:1 и массовой доле экстрагента от массы спирта от 40 до 50 мас.%. Такая микроэмульсия обладает не только наибольшей солюбилизационной емкостью по воде и наибольшей областью существования по температуре, но и демонстрирует возможность выщелачивания металлов из оксидного сырья сравнимую с микроэмульсиями на основе синтетических ПАВ. Однако для увеличения степени извлечения металлов нужно повысить содержание экстрагента в системе.
Список литературы
1. Мурашова Н.М., Купцова М.Ю. Мицеллы, микроэмульсии и лиотропные жидкие кристаллы как перспективные функциональные наноматериалы для химической технологии // Химическая промышленность сегодня. - 2019. - Т.6. - С.64-69.
2. Мурашова Н.М., Трофимова Е.С., Костюченко М.Ю., Мезина Е.Д., Юртов Е.В. Микроэмульсии и лиотропные жидкие кристаллы лецитина как системы для трансдермальной доставки лекарственных веществ // Российские нанотехнологии. - 2019. - Т.14, № 1-2. - С.69-75.
3. Полякова А.С., Мурашова Н.М., Юртов Е.В. Микроэмульсии в системах додецилсульфат натрия-бутанол-1-экстрагент-керосин-вода для извлечения цветных металлов из оксидного сырья // Журнал прикладной химии. - 2020. - Т.93, № 2. - С.249-256.
Время выщелачивания, час 1 2 3 4 5
Степень извлечения меди, % 0,57 0,78 1,06 1,32 1,35
