陽離子雙子表面活性劑凝聚相萃取分離甲基橙的研究

楊光，王瑞娟，張建強，劉瑞雪，陳榮源，曹霞，方少明

鄭州輕工業大學 材料與化學工程學院，河南 鄭州 450001

0 引言

隨著我國染料工業的不斷發展，其生產廢水已導致嚴重的水環境污染。測定水環境中的染料濃度并控制水環境污染就顯得相當重要。但是，染料在水環境中的含量通常較低，大多數實驗室檢測方法都無法直接對水樣進行分析,需進行檢測前的預處理(濃縮富集)。目前常用的預處理方法有液液萃取、微孔膜液液萃取、固相微萃取、超臨界流體萃取、超聲萃取等[1-6]。但是，這些常用的萃取技術也存在一定的問題，如液液萃取常使用有機溶劑[1]，微孔膜液液萃取存在記憶效應[2]，固相微萃取使用的材料價格昂貴[3]，超臨界流體萃取操作條件苛刻[4]，超聲萃取受功率限制等等。因此，建立一種高效、綠色環保、操作簡便、成本低廉的水體有機污染物染料預處理方法成為研究熱點。

近年來，基于表面活性劑的微萃取技術深受研究者的歡迎，主要包括濁點萃取(Cloud Point Extraction, CPE)技術[7]和凝聚萃取(Coacervation Extraction, CAE)技術[8]。CPE技術是以表面活性劑的增溶作用和非離子表面活性劑的濁點(CP)現象為基礎，在非離子表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度(cmc)時，形成能增溶富集目標物的膠束；當溫度大于CP時，引起相分離，得到富集目標物的濃縮相和表面活性劑單體水溶液。作為一種新型萃取技術,CPE具有操作簡便、環境污染小、萃取效率高、費用低廉等優點，目前已應用于食品、醫藥、農藥、工業廢水、化妝品等樣品的預處理[9-16]。但是，商品化的非離子表面活性劑大多是混合物，這增加了分析檢測的難度；另外，其在萃取熱穩定性較差的化合物時具有一定的局限性。近年來，新興的CAE技術可以很好地克服CPE技術的上述缺點。CAE技術使用離子表面活性劑，通過加入電解質、改變pH值、添加相反電荷的兩親分子等方式誘導發生液液相分離，其中膠體成分富集的一相叫作凝聚相(coacervate)，與其平衡共存的另一相叫作稀釋相。相較于CPE技術，CAE技術使用的離子表面活性劑成分確定、易于檢測。另外，基于離子表面活性劑的凝聚相可以通過范德華力、疏水作用、靜電作用、π-離子作用、氫鍵等與有機污染物發生相互作用，能給予有機污染物更多的結合位點。因此，凝聚相因具有豐富的聚集結構(如層狀結構[18]、三維網狀結構[19-20]、蠕蟲狀膠束纏結結構[21]等)，可以作為多功能性溶劑[17]有效地萃取大量極性和非極性化合物。

目前，有關CAE技術用于水體有機污染物染料預處理的實例較少[22-25]，尚未建立一種成熟的萃取技術。因此，基于前期研究基礎[20-21]，本研究以季銨鹽陽離子雙子表面活性劑1,6-二(十二烷基二甲基)溴化二銨(12-6-12)、苯甲酸鈉(NaBz)和羧甲基纖維素鈉(NaCMC)為原料，構筑具有不同微觀結構的凝聚相，并考查在陽離子染料亞甲基藍(MB)共存時，其對水溶液中陰離子染料甲基橙(MO)的萃取效率和選擇性，探討凝聚相萃取水體有機污染物的萃取機制，以期為水環境有機污染物檢測的預處理技術提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

12-6-12，根據文獻[26]報道的方法合成和純化；NaCMC (M.W.250 000(DS=1.2)，1500～3100 mPa·s)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司產；NaBz，分析純，國藥集團化學試劑有限公司產；MO、MB，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司產；D2O(純度99.9%)，薩恩化學技術(上海)有限公司產。

Quanta 650型掃描電子顯微鏡(SEM)，美國FEI公司產；Multiskan Sky型紫外可見分光度計，賽默飛世爾科技(中國)有限公司產；ADVANCE III HD 600型核磁共振光譜儀(NOESY)，德國布魯克公司產；KQ2200B型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產。

1.2 SEM測試

將待測凝聚相樣品(12-6-12/NaBz、12-6-12/NaBz/NaCMC、12-6-12/NaBz/MO和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO)滴于干凈的硅片上，立即用液氮冷凍以完整保留凝聚相的微觀結構；將冷凍樣品于-58 ℃、真空條件下凍干以除去多余的水；在所得干燥樣品表面噴Au(1～2 nm)，完成樣品的制備。SEM測試的工作電壓為20 kV。

1.3 紫外可見(UV-Vis)光譜測試

凝聚相樣品的制備：用微量注射器分別吸取一定體積的0.2 mol/L 12-6-12溶液、0.5 mol/L NaBz溶液(或5.0 g/L NaCMC溶液)，再加入一定體積的去離子水，定容至4.0 mL，振蕩搖勻，靜置分層。

凝聚相體系萃取染料樣品的制備：用微量注射器分別吸取一定體積的0.2 mol/L 12-6-12溶液、0.5 mol/L NaBz溶液(或5.0 g/L NaCMC溶液)，以及一定體積、一定濃度的MO(或MB)染料溶液，再加入一定體積的去離子水，定容至4.0 mL，振蕩搖勻，靜置分層。

UV-Vis光譜測試：測試一系列濃度的MO(或MB)染料溶液的紫外可見吸光度及凝聚相萃取染料后下清液(稀釋相)的紫外可見吸光度。測試波長范圍為200～800 nm，測試溫度為室溫。

1.4 二維(2D)NOESY測試

以D2O為溶劑配制12-6-12/NaBz/MO懸浮液(MO濃度 0.1 mmol/L, 12-6-12濃度50 mmol/L，NaBz濃度0.25 mol/L)，超聲溶解均勻并靜置分層，取上層凝聚相加入核磁管，進行2D NOESY測試。測試溫度為室溫。

2 結果與討論

2.1 12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相的結構表征

以12-6-12、NaBz和NaCMC為研究對象，通過調控它們之間的靜電吸引作用、疏水相互作用、氫鍵作用等分子間相互作用，分別構筑12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相。采用SEM對凝聚相的微觀結構進行表征，結果如圖1所示。

圖1 凝聚相的SEM照片Fig.1 SEM images of coacervate

由圖1可見，12-6-12/NaBz凝聚相為線型膠束纏結的網絡結構，12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相為三維網絡結構。這表明加入水溶性聚電解質NaCMC后，凝聚相結構發生了變化。分析其原因可能是，未加入NaCMC時，12-6-12在有機鹽NaBz的誘導下，發生由膠束向線型膠束、線型膠束纏結網絡結構的轉變[21]；加入NaCMC后，由于NaCMC是高分子化合物，且帶有負電荷的羧酸基團重復單元，在溶液中可與帶正電荷的12-6-12親水頭基發生靜電吸引作用，而12-6-12分子中的兩個疏水基團又可以發生疏水相互作用從而形成三維網絡結構[20]。

2.2 12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對染料的萃取效率和選擇性

2.2.1MO溶液和MB溶液的濃度-吸光度標準曲線表征圖2為不同濃度MO溶液和MB溶液的UV-Vis吸收光譜。由圖2可見，隨著MO溶液和MB溶液濃度的增加，紫外可見吸光度逐漸增強；MO溶液紫外吸收最大波長為460 nm，MB溶液紫外吸收最大波長為664.6 nm。選擇圖2a)中最大紫外吸收波長460 nm處的吸光度對MO溶液濃度作圖，得出MO溶液濃度-吸光度標準曲線(圖3a))；通過線性擬合得出標準曲線線性方程A=11.686C+0.018，其中A為吸光度，C為濃度/(mmol·L-1)。選擇圖2b)中最大紫外吸收波長664.6 nm處的吸光度對MB溶液濃度作圖，得出MB溶液濃度-吸光度標準曲線(圖3b))；通過線性擬合得出標準曲線線性方程A=45.305C+0.012 22。

圖3 MO溶液和MB溶液濃度-吸光度標準曲線Fig.3 Concentration absorbance standard curve of MO solutions and MB solutions

2.2.212-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MO的萃取效率在離心管中分別配制MO初始濃度C0為0.03 mmol/L的12-6-12/NaBz/MO和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO混合物，將懸浮液靜置12 h，其數碼照片如圖4a)、b)所示。由圖4a)、b)可見，兩種混合物靜置12 h后分為上下兩層，其中上層為凝聚相(富集分析物MO)，下層為稀釋相(下清液)，表明12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相均對MO具有較好的萃取效果。不同12-6-12濃度下稀釋相的UV-Vis吸收光譜如圖5所示。由圖5可見，隨著12-6-12濃度的增加，稀釋相的吸光度逐漸降低。繼續增加12-6-12濃度，12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC兩個體系均發生沉淀。根據前述MO標準曲線線性方程可得,不同12-6-12濃度時稀釋相中MO的平衡濃度Ce。再根據公式：萃取效率=(C0-Ce)/C0×100%，可以得到不同12-6-12濃度時凝聚相對MO的萃取效率，結果如圖6所示。由圖6可知，隨著12-6-12濃度增加，兩個凝聚相的萃取效率均逐漸增加；當12-6-12濃度為50 mmol/L時，萃取效率均達到100%。

圖4 不同混合物的數碼照片Fig.4 Digital photos of different mixtures

圖5 不同12-6-12濃度下稀釋相的UV-Vis吸收光譜Fig.5 UV-Vis absorption spectra of diluted phase at different concentrations of 12-6-12

圖6 不同12-6-12濃度時凝聚相對MO的萃取效率Fig.6 Extraction efficiency of coacervate relative to MO at different 12-6-12 concentrations

同樣地，考查了12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MB的萃取效果，其數碼照片如圖4c)、d)所示。由圖4c)、d)可見，上下兩層顏色基本一致且均呈藍色，結合UV-Vis吸收光譜測試結果可知，兩個體系對MB均沒有明顯的萃取效果。

2.2.312-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MO的萃取選擇性在離心管中分別配制MO和MB的C0均為0.030 mmol/L的12-6-12/NaBz/MO/MB(C12-6-12=50 mmol/L，CNaBz=0.25 mol/L)和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO/MB(C12-6-12=50 mmol/L，CNaBz=0.25 mol/L，CNaCMC=1 g/L)混合物，將懸浮液靜置12 h，分離凝聚相和稀釋相，其數碼照片分別如圖4e)、f)所示。由圖4e)、f)可見，兩個體系上層凝聚相均為墨綠色，下層稀釋相均為藍色。上層的墨綠色主要是由于被凝聚相萃取的黃色MO與藍色MB相遇所致，而下層為MB的顏色。兩個體系稀釋相的UV-Vis吸收光譜如圖7所示。由圖7可見，吸收光譜上只存在MB的特征峰而不見MO的特征峰，表明兩個體系均對MO有良好的萃取效果而對MB無明顯的萃取效果。根據前述標準曲線線性方程及萃取效率,可以計算兩個凝聚相對MO和MB的萃取效率，其中12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MO的萃取效率分別為89.1%和92.3%，而對MB的萃取效率均接近0。這表明當陽離子染料MB存在時，兩個凝聚相均能夠選擇性地萃取陰離子染料MO；另外，12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對MO的萃取選擇性稍高于12-6-12/NaBz凝聚相。根據文獻[20]的研究結果，在12-6-12和NaBz濃度相同的條件下，12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相的體積大于12-6-12/NaBz凝聚相，因此前者能夠提供更多的相互作用位點，從而可以萃取更多的MO分子；此外，凝聚相微觀結構的不同也可能會對MO萃取量有一定的影響。

圖7 12-6-12/NaBz/MO/MB和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO/MB稀釋相的UV-Vis吸收光譜Fig.7 UV-Vis absorption spectra of 12-6-12/NaBz/MO/MB and 12-6-12/NaBz/NaCMC/MO/MB diluted phases

2.3 12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對陰離子染料MO的萃取機制探討

為了闡明凝聚相中表面活性劑和陰離子染料MO的相互作用機制，利用SEM和2 D NOESY分別對凝聚相的微觀結構和分子相互作用位點進行表征，結果如圖8、圖9所示。

由圖8可見，加入MO后，12-6-12/NaBz/MO凝聚相仍形成蠕蟲狀膠束纏結網絡結構，12-6-12/NaBz/NaCMC/MO凝聚相仍形成三維網絡結構，表明MO分子參與了凝聚相的形成。

圖8 12-6-12/NaBz/MO和12-6-12/NaBz/NaCMC/MO凝聚相的SEM照片Fig.8 SEM images of 12-6-12/NaBz/MO and 12-6-12/NaBz/NaCMC/MO coacervate

由圖9可見，MO分子的3-H、4-H和5-H質子與表面活性劑12-6-12的e-H質子存在交叉峰;另外，MO分子的1-H質子與表面活性劑12-6-12的a-H、b-H質子也存在交叉峰，表明這些質子的距離小于0.5 nm，即在12-6-12/NaBz/MO凝聚相中，12-6-12的疏水碳鏈與MO的兩個甲基空間相關，且12-6-12的親水頭基與MO的苯環空間相關。上述結果表明，一些MO分子通過苯環結構嵌入12-6-12膠束內核，而另一些MO分子則吸附在膠束表面。

圖9 12-6-12/NaBz/MO體系的2D NOESY譜圖Fig.9 2D NOESY spectrum of the 12-6-12/NaBz/MO mixtures

3 結論

本文以12-6-12、NaBz和NaCMC為原料構筑了兩種微觀結構不同的凝聚相，并將其用于萃取分離水介質中的染料MO，得出如下結論：

1)12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相對陰離子染料MO均具有良好的萃取效果，對陽離子染料MB沒有萃取效果；當C12-6-12=50 mmol/L時，兩個凝聚相對MO的萃取效率均達到100%。

2)當12-6-12/NaBz和12-6-12/NaBz/NaCMC凝聚相萃取同等濃度的MO和MB時，兩個體系對MO的萃取效率分別為89.1%和92.3%，表明在陽離子染料MB存在時，兩個凝聚相對陰離子染料MO都有良好的萃取選擇性。

3)凝聚相萃取MO的萃取機制可能是，12-6-12/NaBz凝聚相中加入MO后，一些MO分子通過苯環結構嵌入12-6-12膠束內核，另一些MO分子吸附在膠束表面參與了三維網絡結構凝聚相的形成。

本研究結果可為拓展CAE預處理技術在水環境有機污染物檢測領域的應用提供理論參考。