Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Wydział Technologii Chemicznej Rozprawa doktorska Wydzielanie kwasu cytrynowego w procesach ekstrakcyjnych i membranowych Mgr inż. Piotr Gajewski Promotor: Dr hab. inż. Mariusz B. Bogacki Poznań

2 Część teoretyczna Produkcja kwasu cytrynowego Rys historyczny Zastosowanie kwasu cytrynowego Metoda fermentacyjna otrzymywania kwasu cytrynowego Wstęp Źródła węgla Biochemia produkcji kwasu cytrynowego Poziom azotu i fosforu Wpływ ph Wpływ natlenienia układu Wpływ zawartości metali Przygotowanie podłoża do fermentacji Wydzielanie kwasu cytrynowego po etapie fermentacji Wydzielenie biomasy Metoda klasyczna wydzielania kwasu cytrynowego Metoda bezcytrynianowa Metody wydzielania kwasów organicznych Metody ekstrakcyjne Parametry charakteryzujące proces ekstrakcji Wpływ rozpuszczalnika na proces ekstrakcji kwasów organicznych Wpływ związku aktywnego na proces ekstrakcji Ekstrakcja kwasu cytrynowego Zastosowanie procesów membranowych Membrany ciekłe Podział membran ciekłych Mechanizm transportu

3 5.2. Charakterystyka i zastosowanie polimerowych membran inkluzyjnych Wpływ matrycy polimerowej na transport związków przez polimerowe membrany inkluzyjne Wpływ rodzaju oraz zawartości plastyfikatora na transport związków przez polimerowe membrany inkluzyjne Wpływ rodzaju zastosowanego przenośnika na transport związków przez polimerowe membrany inkluzyjne Wpływ stężenia przenośnika oraz mechanizm transportu związków przez polimerowe membrany inkluzyjne Inne parametry prowadzenia procesu: temperatura, skład fazy zasilającej i odbierającej Właściwości polimerowych membran inkluzyjnych: stabilność i selektywność Transport związków organicznych przez polimerowe membrany inkluzyjne Model matematyczny transportu Część doświadczalna Właściwości fizykochemiczne kwasu cytrynowego Odczynniki Przebieg eksperymentu Proces ekstrakcyjny Proces membranowy Kalibracja oznaczania kwasu cytrynowego metodą pomiaru przewodnictwa Oznaczanie kwasu cytrynowego metodą miareczkowania alkacymetrycznego i spektrofotometryczną Ekstrakcja kwasu cytrynowego Dyskusja wyników Modelowanie matematyczne procesu ekstrakcji Podsumowanie Proces membranowy

4 10.1. Wpływ plastyfikatora na transport kwasu cytrynowego Wpływ ONPOE na transport kwasu cytrynowego Wpływ TBP na transport kwasu cytrynowego Wpływ braku plastyfikatora na transport kwasu cytrynowego Wpływ stężenia przenośnika na transport kwasu cytrynowego Wpływ temperatury na transport kwasu cytrynowego Wpływ grubości membrany na transport kwasu cytrynowego Stabilność oraz zdjęcia SEM Podsumowanie Spis oznaczeń wraz z jednostkami Streszczenie Abstract Spis tabel Spis rysunków Załączniki Dorobek naukowy

5 Część teoretyczna 1. Produkcja kwasu cytrynowego 1.1. Rys historyczny Kwas cytrynowy po raz pierwszy wydzielony został z owoców cytryny w 1784 roku, przez szwedzkiego chemika Carla Scheele. Szybko znalazł on zastosowanie w przemyśle i w związku z rozwijającym się zapotrzebowaniem, w 1826 roku, w Anglii uruchomiona została pierwsza komercyjna instalacja produkująca kwas cytrynowy w oparciu o jego wydzielanie z soku cytryny. Była to pierwsza i podstawowa metoda przemysłowa otrzymywania kwasu cytrynowego. Ze względu na jego rosnący popyt rozpoczęto poszukiwania innych metod jego otrzymywania. Jedną z pierwszych propozycji była synteza z 1,3-dichloroacetonu. Jednakże, ze względu na zbyt wysoki koszt substratu w porównaniu do otrzymanego produktu, jak również z uwagi na problemy związane z samą syntezą, zrezygnowano z tej metody 1. Kolejnym ważnym etapem było odkrycie w 1893 roku grzybów zdolnych do akumulacji kwasu cytrynowego w pożywce. Od tego momentu rozpoczęły się intensywne badania nad poszukiwaniem odpowiednich mikroorganizmów zdolnych do produkcji kwasu cytrynowego w procesie fermentacyjnym. Po raz pierwszy w skali przemysłowej zastosowano fermentację z wykorzystaniem grzybów Aspergillus niger w Belgii w roku W procesie tym, zastosowano tak zwaną metodę fermentacji powierzchniowej. Od tego momentu otrzymywanie kwasu cytrynowego z soku cytryny ustępować zaczęło miejsca procesom fermentacyjnym 1. Kolejnym etapem mającym istotny wpływ na produkcję kwasu cytrynowego było opracowanie, w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku, metody fermentacji wgłębnej. Po wielu modyfikacjach, jest to obecnie podstawowa metoda produkcji tego kwasu na świecie. W procesie tym, jako źródło węgla, wykorzystuje się głównie melasę trzcinową i buraczaną 1. Na przełomie lat 70-tych i 80-tych stworzono podstawy metody wykorzystującej drożdże z gatunku Candida w procesie fermentacji 1. Zaletą tej metody jest możliwość 1 Kristiansen B.; Mattey M.; Linden J.; Citric Acid Biotechnology, Taylor & Francis

6 wykorzystania zarówno n-alkanów, melasy, jak również innych źródeł węgla. W fermentacji tej czas prowadzenia procesu oraz osiągana wydajność zbliżona jest do procesu z zastosowaniem grzybów Aspergillus niger. Metoda wykorzystująca n-alkany nie wyparła jednak metody wgłębnej, ze względu na wyższe koszty zakupu surowca w porównaniu do melasy oraz konieczność intensywniejszego natlenienia układu, co stanowi większy problem technologiczny 1,3. W latach 90-tych opracowano nową metodę produkcji kwasu cytrynowego tak zwany proces Koji. Jest on odpowiednikiem fermentacji powierzchniowej prowadzonej na podłożu stałym. Głównym źródłem węgla w tym przypadku jest skrobia, celuloza oraz różne cukry powstające, jako odpady stałe po przetwórstwie owoców. Ze względu na niską wydajność procesu fermentacji jest on prowadzony w małej skali, głównie w Japonii gdzie został wynaleziony 1,2. W ostatnich latach pojawia się coraz więcej badań dotyczących produkcji kwasu cytrynowego z różnego rodzaju źródeł węgla. Prace te prowadzone są głównie pod kątem wykorzystania surowców odpadowych takich jak np. glicerol. W procesie tym wykorzystywane są drożdże z gatunku Candida lipolytica. Metody, przemysłowe w tym przypadku, nie zostały jeszcze w pełni opracowane 1,2, Zastosowanie kwasu cytrynowego Kwas cytrynowy jest jednym z najpopularniejszych i najczęściej stosowanych kwasów organicznych w przemyśle. Jego produkcja przekracza 1,7 mln ton rocznie, i cały czas wzrasta 1,2. Swoje główne zastosowanie, około 75% całego zapotrzebowania, znajduje on przede wszystkim w przemyśle spożywczym (Tabela 1) 2,3. Drugi, co do wielkości jego użytkowania, w ilości około 10%, jest przemysł farmaceutyczny. Pozostałe gałęzie przemysłu zużywają łącznie około 15% kwasu cytrynowego. W przemyśle spożywczym i farmaceutycznym kwas cytrynowy wykorzystywany jest, jako związek konserwujący, regulator ph, związek nadający smak oraz antykoagulant. W pozostałych gałęziach przemysłu wykorzystywane są również jego dobre właściwości, jako związek regulujący ph oraz związek kompleksujący i maskujący wiele metali, w 2 Dhillon, G. S.; Brar, S. K.; Verma, M.; Tyagi, D.; Recent advences in citric acid bioproduction and recovery, Food Bioprocess. Technol., 2011, 4, Grewal, H. S.; Kalra, K. L.; Fungal production of citric acid, Biotechnol. Advence., 1995, 13,

7 szczególności metali katalizujących proces utleniania, na przykład żelazo. Pochodne estrowe kwasu cytrynowego wykorzystywane są w przemyśle tworzyw sztucznych, jako plastyfikatory. W ostatnich latach znajduje on również coraz większe zastosowanie w obróbce metali, gdzie jest używany, jako środek usuwający tlenki metali z powierzchni. Jest on również wykorzystywany w przemyśle garbarskim, fotograficznym, ceramicznym i wielu innych 2,4. Pomimo różnorodnego zastosowania kwasu cytrynowego i jego pochodnych w tak różnorodnych gałęziach przemysłu, nadal poszukiwane są nowe obszary, gdzie kwas ten mógłby znaleźć zastosowanie. Tabela 1. Zastosowanie kwasu cytrynowego. Na podstawie 1,2. Przemysł Zastosowanie Udział spożywczy farmaceutyczny pozostałe związek nadający smak, konserwant, regulator kwasowości związek nadający smak, związek buforujący, antyutleniacz, związek kompleksujący metale, antykoagulant związek buforujący, związek kompleksujący metale około 70-75% około 10-12% około 15-18% 2. Metoda fermentacyjna otrzymywania kwasu cytrynowego 2.1. Wstęp Kwas cytrynowy, ze względu na swoje właściwości, znajduje zastosowanie w bardzo wielu, różnorodnych gałęziach przemysłu, a jego roczna produkcja sięga milionów ton. Stawia to kwas cytrynowy w czołówce produkowanych kwasów organicznych, co bardzo sprzyja intensywnemu rozwojowi różnorakich metod jego produkcji. W tym celu cały czas poszukuje się alternatywnych źródeł węgla, prowadzi się badania nad zastosowaniem różnorakich organizmów żywych pod kątem zdolności do akumulacji kwasu cytrynowego oraz poszukuje się tańszych i wydajniejszych metod wydzielania kwasu z brzeczki pofermentacyjnej. Z jednej strony sprzyja to rozwojowi produkcji i daje możliwość stosowania wielu rozwiązań technologicznych, z drugiej strony wymaga to 4 Soccol, C. R.; Vandenberghe, L. P. S.; Rodrigues, C.; Pandey, A.; New perspectives for citric acid production and application, Bioprocess Eng., 2006, 44,

8 jednakże bardzo ścisłego określenia warunków prowadzenia fermentacji oraz przebadania, w zależności od zastosowanej metody fermentacji czy użytych mikroorganizmów, wpływu poszczególnych parametrów na proces Źródła węgla Dobór odpowiedniego źródła węgla jest istotnym parametrem wpływającym na proces fermentacji. Dla grzybów Aspergillus niger, w przypadku fermentacji powierzchniowej, głównym substratem do produkcji kwasu cytrynowego jest melasa trzcinowa lub buraczana powstająca jako odpad w procesie produkcji cukru 1,2,3. W przypadku fermentacji wgłębnej, jako źródło węgla mogą być używane substraty o wyższej czystości, takie jak zhydrolizowana skrobia, glukoza, cukier rafinowany lub nieoczyszczony czy skondensowany syrop buraczany lub trzcinowy 5,6. Zastosowanie surowców o większej czystości pozwala na polepszenie wydajności, skrócenie czasu trwania procesu oraz uproszczenie etapu wydzielania kwasu cytrynowego po fermentacji 1. Substraty te są jednakże droższe od melasy. W przypadku zastosowania skrobi, konieczna jest jej wstępna, częściowa hydroliza do cukrów prostych. Dlatego też, obecnie melasa trzcinowa i buraczana jest najpowszechniej stosowanym surowcem, ze względu na jej niską cenę i dostępność w porównaniu do pozostałych substratów. Grzyby Aspergillus niger mogą być również wykorzystane w procesie fermentacji na pożywce stałej 7,8,9. Zaletą tej metody jest wykorzystanie tanich źródeł węgla (różnego typu odpady) oraz wyższa odporność mikroorganizmów na warunki prowadzenia procesu, natomiast jej wadą jest niższa wydajność oraz dłuższy czas prowadzenia hodowli. W przypadku drożdży Candida lipolytica możliwe jest zastosowanie, jako źródła węgla n-alkanów, olei oraz tłuszczy 1,10,11,12. W przypadku użycia n-alkanów proces ten był 5 Hossain, M.; Brooks, J. D.; Maddox, I. S.; The effect of the sugar source on citric acid production by Aspergillus niger, Appl. Microbiol. Biotechnol., 1984, 19, Pazouki, M.; Felse, P. A.; Sinha, J.; Panda, T.; Comparative studies on citric acid production by Aspergillus niger and Candida lipolytica using molasses and glucose, Bioprocess Eng., 2000, 22, Gąsiorek, E.; Effect of operating conditions on biomass growth during citric acid production by solid-state fermentation, Chemical Papers, 2008, 62, Hang, Y. D.; Woodams, E. E.; Solid state fermentation of apple pomace for citric acid production, MIRCEN J., 1986, 2, Kareem, S. O.; Akpan, I.; Alebiowu, O. O.; Production of citric acid by Aspergillus niger using pineapple waste, Malaysian J. Microbiol., 2010, 6, Crolla, A; Kennedy, K. J.; Optimization of citric acid production from Candida lipolytica Y-1095 using n- paraffine, J. Biotechnol., 2001, 89, Finogenova, T. V. Morgunov, I. G. Kamzolova, S. V.; Chernyavskaya, O. G.; Organic acid production by yeast Yarrowialipolytica: A review of prospect, Appl. Biochem. Micro., 2005, 41,

9 rozwijany intensywnie w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych 1 XX wieku (włącznie z powstaniem instalacji przemysłowych). Nie wszedł on jednak na stałe do produkcji ze względu na znaczną ilość produkowanego kwasu izocytrynowego przez te drożdże oraz duży wzrost ceny tego źródła węgla w latach siedemdziesiątych. W przypadku zastosowania grzybów Candida lipolytica możliwe jest również zastosowanie cukrów prostych 11,13, jako źródła węgla. W tym przypadku, w porównaniu do grzybów Aspergillus niger, uzyskuje się zbliżoną wydajność procesu, ale w przypadku grzybów Candida lipolytica powstaje, jako produkt uboczny kwas izocytrynowy. Innym źródłem węgla, które można wykorzystać do produkcji kwasu cytrynowego jest glicerol 14,15,16. Może on być przekształcany do kwasu cytrynowego oraz innych kwasów przy użyci drożdży Yarrowia lipolytica 17,18. Obecnie nie jest to proces prowadzony na skalę przemysłową, ale ze względu na bardzo szybko rozwijający się przemysł produkcji biopaliw, i znaczne ilości odpadowego glicerolu powstającego na etapie transestryfikacji oleju, surowiec ten okazać się może, w przyszłości, jednym z podstawowych źródeł węgla wykorzystywanym w procesie otrzymywania kwasu cytrynowego. Kolejnym źródłem węgla są odpady stałe 7, takie jak wytłoki z trzciny cukrowej, otręby, odpady po przetwórstwie owoców 8,9,19, czy celuloza 20. W celu przetwórstwa tego typu odpadów wykorzystywana jest metoda fermentacji na podłożu stałym (Solid State 12 Kamzolova, S. V.; Morgunov, I. G.; Aurich, A.; Perevozikova, O. A.; Shishkanova, N. V.; Stottmeister, U.; Finogenova, T. V.; Lipase secretion and citric acid production in Yarrowia lipolytica yeast grown on animal and vegetable fat, Food Technol. Biotechnol. 2005, 43, Antonucci, S.; Bravi, M.; Rubbico, R.; Michele, A.; Verdone, N.; Selectivity In citric acid production by Yarrowia lipolytica, Enzyme Microb. Tech., 2001, 28, Kamzolova, S. V.; Anastassiadis, S. G.; Fatyhkova, A. R.; Golovchenko, N. P.; Morgunov, I. G.; Strain and process development for citric acid production from glycerol-containing waste of biodiesel manufacture, Appl. Microbiol. Biot., 2010, Rywińska, A.; Rymowicz W.; Marcinkiewicz M.; Valorization of raw glycerol for citric acid production by Yarrowia lipolytica yeast, Electron. J. Biotechnol., 2010, 13, Rywińska A.; Juszczyk P.; Wojtatowicz M.; Rymowicz W.; Chemostat study of citric acid production from glycerol by Yarrowia lipolytica, J. Biotechnol., 2011, 152, Levinson, W. E.; Kurtzman C. P.; Kuo T. M.; Characterization of Yarrowia lipolytica and related species for citric acid production from glycerol. Enz. Microb. Technol., 2007, 41, Papanikolaou, S.; Muniglia, L.; Chevalot, I.; Aggelis, G.; Marc, I.; Yarrowia lipolytica as a potential producer of citric acid from raw glycerol. J. Appl. Microbiol., 2002, 92, Tran, C. T.; Mitchell, D. A.; Pineapple waste a novel substrate for citric acid production by solid-state fermentation, Biotechnol. Lett., 1995, 17, Mussatto, S. I.; Teixeira, J. A.; Lignocellulose as raw material in fermentation processes, Appl. Microbiol. Biot., 2010,

10 Fermentation SSF). W tym celu najczęściej wykorzystywane są grzyby z gatunku Aspergillus niger. Zaletą tego procesu jest dostępność oraz stosunkowo niska cena źródeł węgla, jak również większa odporność grzybów na warunki środowiska. Niestety wadami tego procesu są niższa wydajność oraz dłuższy czas prowadzenia fermentacji. W przypadku zastosowania celulozy, konieczna jest jej wcześniejsza hydroliza do cukrów prostych. Jednakże dostępność i cena tego surowca pozwalają przypuszczać, że w przyszłości może stać się on jednym z podstawowych substratów w procesie fermentacji Biochemia produkcji kwasu cytrynowego Nadprodukcja kwasu cytrynowego u różnych gatunków grzybów jest wynikiem zakłócenia cyklu Krebsa cyklu kwasów trójkarboksylowych (Rysunek 1). Powstaje on w skutek niskiej aktywności enzymów odpowiadających za jego konwersję do dalszych produktów. Proces ten jest uwarunkowany genetycznie, ale jego intensyfikacja następuje przy odpowiednio dobranych warunkach fermentacji. Istotną rolę odgrywa tu odpowiednio niska zawartość kationów metali takich, jak żelazo czy mangan jak również temperatura, napowietrzenie czy odpowiednie ph brzeczki fermentacyjnej 1,2,3. Pełen mechanizm akumulacji kwasu cytrynowego zarówno w przypadku grzybów Aspergillus niger, jak również drożdży Yarrowia lipolytica, mimo bardzo wielu badań, nie został jeszcze w pełni wyjaśniony. Wiąże się to z faktem, że na rekcje wewnątrzkomórkowe wpływa bardzo wiele czynników takich jak: natlenienie układu, zawartość mikroelementów w układzie (jonów metali, związków azotu czy fosforu), temperatura, ph, stężenie cukrów, obecność dwutlenku węgla w układzie, zastosowany szczep grzybów i wiele innych, co powoduje, że cały układ jest niezwykle skomplikowany. Dodatkowo otrzymywane przez różnych autorów wyniki są dość rozbieżne. Na ich podstawie można jedynie wysnuć pewne ogólne wnioski dotyczące wpływu poszczególnych czynników na przebieg procesu fermentacj. 10

11 H 2 O + Szczawiooctan O NADH + H + H 3 C COO - C CH 2 COO - C O Syntaza cytrynianowa Cytrynian COO - H 2 C HO C COO - H 2 C COO - Akonitaza H C COO - HO Izocytrynian COO - CH 2 C H COO - NAD + NAD + Dehydrogenaza jabłczanowa Dehydrogenaza izocytrynianowa NADH + H + + CO 2 HO Jabłczan COO - C H CH 2 COO - O COO - C CH 2 α-ketoglutaran CH 2 COO - Fumaraza Dehydrogenaza α-ketoglutaranowa NAD + + CoA H 2 O O - OC Fumaran C H H C COO - FADH 2 Dehydrogenaza bursztynianowa FAD CoA COO - Tiokinaza bursztynianowa CH 2 CH 2 COO - GTP Bursztynian S GDP + P i C CH 2 O CH 2 Bursztynylo-CoA COO - NADH + H + + CO 2 Rysunek 1. Cykl Krebsa. NAD - dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy, NADH - forma aktywna dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego, CoA - koenzym A, GDP - guanozyno difosforan, GTP - guanozyno trifosforan, FAD - dinukleotyd flawinoadeninowy (forma utleniona), FADH2 - dinukleotyd flawinoadeninowy (forma zredukowana), na podstawie Poziom azotu i fosforu Ważnym elementem mającym wpływ na proces fermentacji jest odpowiednia zawartość związków azotu i fosforu 3,27,21,22,23. Zbyt mała ich zawartość powoduje słabszy 21 Bayraktar, E.; Mehmetoglu, U.; Production of citric acid using immobilized conidia of Aspergillus niger, Appl. Biochem. Biotech., 2000, 87, Klasson, T. K.; Clausen, E. C.; Gaddy, J. L.; Continous fermentation for the production of citric acid from glucose, Appl. Biochem. Biotech.,1989, 20, Pintado, J.; Murado, M. A.; Gonzalez, M. P.; Miron, J.; Pastrana, L.; Joint effect of nitrogen and phosphorus concentrations on citric acid production by different strains of Aspergillus niger grown on an effluent, Biotechnol. Lett., 1993, 15,

12 wzrost grzybni w początkowym etapie fermentacji, natomiast zbyt duża ich zawartość powoduje intensyfikację procesów wzrostu biomasy w późniejszym etapie fermentacji oraz powstawanie większej ilości produktów ubocznych i tym samym zmniejszenie wydajności fermentacji 3. W przypadku związków azotu najczęściej stosowane są siarczan(vi) i azotan(v) amonu, azotan(v) sodu i potasu oraz inne związki tego typu. Najczęściej stosowane w przemyśle są sole amonowe, ze względu na zdolność kationu NH 4 + do inhibitowania jednego z etapów konwersji kwasu cytrynowego do dalszych związków w cyklu Krebsa. Również konsumpcja soli amoniowych podczas fazy wzrostu skutkuje spadkiem ph, co sprzyja produkcji kwasu cytrynowego w dalszym etapie fermentacji 4. W przypadku związków fosforu pokazane zostało, że najlepsze właściwości ma diwodorofosforan(v) potasu. Dodatek odpowiedniej ilości związków fosforu i azotu, jest również związany z wyjściową ich zawartością w pożywce fermentacyjnej. W przypadku stosowania prostych substratów takich jak cukier, skrobia i inne, kontrola zawartości tych związków jest prosta i sprowadza się do dodania odpowiedniej ilości poszczególnych soli do pożywki. Natomiast w przypadku stosowania bardziej złożonych substratów takich jak melasa konieczna jest znajomość zawartości poszczególnych soli w pożywce przed procesem fermentacji. W przypadku zastosowania melasy buraczanej lub trzcinowej, substrat ten zawiera już znaczne ilości związków azotu i fosforu, co powoduje brak konieczności dodawania dodatkowej ilości tych związków. Problemem w tym przypadku jest natomiast to, że melasa może w bardzo dużym stopniu różnić się między sobą zawartością poszczególnych związków. Wymaga to kontroli pod kątem zawartości poszczególnych soli. Bayraktar i Mehmetoglu 21 pokazali, że w przypadku grzybów Aspergillus niger najlepsze rezultaty otrzymano w przypadku, gdy stężenie azotu, w postaci NH 4 NO 3, w etapie wzrostu wynosiło 0.05 g/dm 3. Natomiast na etapie produkcji najlepsze rezultaty otrzymano dla stężenia NH 4 NO 3 w zakresie g/dm 3. Dalsze zwiększanie zawartości azotu skutkowało zmniejszeniem wydajności produkcji kwasu cytrynowego. Zawartość związków fosforu w istotny sposób wpływa na wzrost oraz morfologię grzybni. Zbyt mała jego zawartość skutkuje spadkiem rozwoju grzybni w fazie wzrostu, natomiast zbyt duża zawartość powoduje jej zbyt intensywny rozwój i w efekcie spadek wydajności produkcji 1. 12

13 2.5. Wpływ ph Ważnym parametrem, mającym istotny wpływ na produkcję kwasu cytrynowego jest ph. Dobór odpowiedniego ph wiąże się z wyborem gatunku grzybów użytych do fermentacji, zastosowanym źródłem węgla, oraz z tym, czy jest to faza wzrostu czy produkcji kwasu cytrynowego. W przypadku grzybów Aspergillus niger, w etapie fazy wzrostu stosowane jest ph na poziomie około 5 2. W fazie produkcji kwasu cytrynowego najlepsze rezultaty uzyskuje się natomiast przy ph=2 1,2,3. Tak niskie ph uzyskuje się przez zakwaszenie substratów do ph około 5-7 (melasa) lub (cukry proste), a następnie rozpoczęcie procesu fermentacji. W wyniku produkcji kwasu cytrynowego następuje szybki spadek ph do wartości około 2. Tak niskie ph nie pozwala na rozwój innych organizmów żywych, które mogłyby zakłócać proces fermentacji. Na tym etapie wzrost ph powyżej 4.5 skutkuje nawet 80% spadkiem wydajności produkcji kwasu cytrynowego 27, jak również zwiększoną intensywnością produkcji kwasu szczawiowego. Również spadek ph poniżej 2 nie jest korzystny. W przypadku grzybów Yarrowia lipolytica najlepszą wydajność uzyskuje się dla ph w zakresie 6-7 na etapie fazy wzrostu 24 oraz ph w zakresie 5-6 dla etapu produkcji kwasu cytrynowego 14,24. Utrzymanie stałej wartości ph na poziomie około 5-6, podczas fazy produkcji wymaga zobojętniania powstającego kwasu cytrynowego Wpływ natlenienia układu Kolejnym, niezwykle istotnym parametrem, silnie wpływającym na proces produkcji kwasu cytrynowego, jest napowietrzenie układu 4. Odpowiednia aeracja wpływa na poziom wzrostu mikroorganizmów, dostarcza tlen, który jest wymagany do syntezy cząsteczki kwasu cytrynowego oraz usuwa powstający dwutlenek węgla z brzeczki fermentacyjnej. W szczególności, znacznie większa ilość dostarczanego tlenu jest wymagana w przypadku produkcji kwasu cytrynowego ze związków nie zawierających atomów tlenu w swojej cząsteczce lub zawierających go w małej ilości np.: oleje, alkany, itp. Odpowiednie napowietrzenie układu fermentacyjnego jest istotne również ze względu na regulację temperatury brzeczki, utrzymywanie odpowiedniej wilgotności oraz regulację stężenia związków lotnych powstających podczas fermentacji Moeller, L.; Strehlitz, B.; Aurich, A.; Zehnsdorf, A.; Bley, T.; Optimization of citric acid production from glucose by Yarrowia lipolytica, Eng. Life. Sci., 2007, 7,

14 Aeracja układu wiąże się również bardzo silnie z jego reologią. Ze względu na to, że wprowadzane powietrze musi być doprowadzone w stopniu zapewniającym równomierne dostarczenie tlenu i odbiór dwutlenku węgla w całym układzie, wymagane jest odpowiednie mieszanie brzeczki. Kubicek 25 wraz ze współpracownikami pokazał, że krytyczne stężenie tlenu wyrażone w postaci DOT wynosi 9-10% dla fazy wzrostu oraz 12-13% dla fazy produkcji. Pokazał on również, że wraz ze wzrostem wartości DOT rośnie wydajność produkcji kwasu cytrynowego osiągając maksimum dla wartości równej 90%. Nawet chwilowe przerwanie natleniania układu skutkuje bardzo szybkim zahamowaniem produkcji kwasu cytrynowego. Natomiast zbyt intensywne natlenianie układu może prowadzić do wzrostu produkcji biomasy kosztem spadku wydajności produkcji kwasu cytrynowego 7. Również zbyt silna aeracja brzeczki fermentacyjnej prowadzi do zbyt intensywnego usuwania dwutlenku węgla, który w małym stężeniu jest wykorzystywany przez mikroorganizmy, jako substrat do produkcji karboksylazy pirogronianowej jednego z enzymów szlaku glikolitycznego 27. Zbyt intensywne napowietrzenie jest możliwe w zasadzie tylko w skali laboratoryjnej, natomiast w przypadku instalacji przemysłowych jest ono technicznie trudne do zrealizowania Wpływ zawartości metali Zawartość jonów metali jest jednym z podstawowych czynników wpływających na wydajność procesu fermentacji. Pokazane zostało, że jony metali takich, jak żelazo, mangan, magnez czy wapń wpływają w istotny sposób na aktywność wielu enzymów takich, jak fosforofruktikinaza, glukokinaza oraz wielu innych 1,26,27. Wpływ poszczególnych jonów w znacznym stopniu zależy od rodzaju zastosowanych grzybów, ich szczepów jak również od metody fermentacji. Pokazane zostało, że takie metale jak cynk(ii), żelazo(ii), miedź(ii), magnez(ii), wapń(ii) kobalt(ii) czy mangan(ii) w istotny sposób wpływają na wydajność procesu fermentacji. Związane jest to z tym, że wiele enzymów w swoim składzie zawiera metale, i ich obecność w brzeczce w istotny sposób wpływa na poszczególne reakcje wewnątrzkomórkowe ukierunkowując metabolizm mikroorganizmów w odpowiednią stronę. 25 Kubicek, C. P.; Zehentgruber, O.; El-Kalak, H.; Rohr, M.; Regulation of citric acid production by oxygen: effect of dissolved oxygen tension on adenylate levels and respiration in Aspergillus niger, J. Appl. Microbiol. Biotechnol., 1980, 9, Kubicek, C. P.; Rohr, M.; The role of the tricarboxilic acid cycle in citric acid accumulation by Aspergillus niger, European J. Appl. Microbiol. Biotechnol., 1978, 5, Papiagianni, M.; Advences in citric acid fermentation by Aspergillus niger: Biochemical aspects, membrane transport and modeling, Biotechnol. Adv., 2007, 25,

15 Analizując wpływ poszczególnych jonów metali na produkcję kwasu cytrynowego przez grzyby zauważyć można dość spore rozbieżności pomiędzy wynikami badań otrzymanymi przez poszczególnych autorów. Wiąże się to z tym, że w przeciągu wielu lat badań stosowanych było wiele różnych szczepów grzybów, które charakteryzowały się różną odpornością na poszczególne metale. W przypadku fermentacji wgłębnej, przy użyciu grzybów Aspergillus niger, jednym z najsilniej inhibitujących produkcję kwasu cytrynowego metali jest mangan(ii). W wielu publikacjach pokazane zostało, że jego obecność, już na poziomie poniżej 1 ppm, powoduje wyraźny spadek produkcji kwasu cytrynowego 27,28,29,30,31. Wiąże się to z wpływem jonów manganu na metabolizm komórek mikroorganizmów. Kolejnym jonem metalu mającym istotny wpływ na produkcję kwasu cytrynowego jest Fe(II). W przypadku tego jonu, zalecane jest jego stężenie na poziomie kilku ppm 27,28 w przypadku grzybów Aspergillus niger oraz mg/g, jako stężenie wewnątrzkomórkowe 32, lub μm, jako stężenie roztworu 33 w przypadku grzybów Yarrowia lipolityca. Jony żelaza, ze względu na to, że wchodzą w skład bardzo wielu enzymów, odgrywają niezwykle istotną rolę w metabolizmie komórek grzybów, co w istotny sposób wpływa na kierunki metabolizmu komórkowego i w znacznym stopniu decyduje o produkcji kwasu cytrynowego. Dopuszczalna zawartość jonów żelaza w znacznym stopniu zależy od użytego szczepu grzybów oraz obecności jonów innych metali 2. Zbyt duże stężenie jonów żelaza prowadzi jednakże do znacznego spadku wydajności produkcji kwasu cytrynowego. 28 Guilherme, A. A.; Pinto, A. S.; Rodrigues, S.; Optimization of trace metals concentration on citric acid production by Aspergillus niger NRRL 2001, Food Bioprocess. Technol., 2008, 1, Gupta, S.; Sharma, C. B.; Biochemical studies of citric acid production and accumulation by Aspergillus niger mutants, J. Microbiol. Biotechnol., 2002, 18, Taha, E. E. M.; El-Zainy, T. A.; The mutual influence of methanol and trace elements on the mycological production of citric acid, Arch. Microbiol., 1959, 33, Wallrath, J.; Schmidt, M.; Weiss, H.; Correlation between manganese-deficiency, loss of respiratory chain complex I activity and citric acid production in Aspergillus niger; Arch. Microbiol., 1992, Finogenova, T. V.; Kamzolova, S. V.; Dedyukhina, E. G.; Shishkanova, N. V.; Ilchenko, A. P.; Morgunov, I. G.; Chernyavskaya, O. G.; Sokolov, A. P.; Biosynthesis of citric and isocitric acid from ethanol by mutant Yarrowia lipolytica N1 under continous cultivation, Appl. Microbiol. Biotechnol., 2002, 59, Anastassiadis, S.; Kamzolova, S. V.; Morgunov, I. G., Rehm, H. J.; Comperative study of the effect of iron on citrate-producing yeast growing on different substrates, Appl. Microbiol.,

16 W przypadku jonów takich metali jak Zn(II), Cu(II) czy Ca(II) pokazane zostało, że ich pewne stężenie, na poziomie od kilku (cynk 28,34 ) do kilkudziesięciu (miedź 2,34, wapń 35 ) miligramów wpływa pozytywnie na produkcję kwasu cytrynowego. Jak zostało pokazane, wpływ poszczególnych jonów metali odgrywa niezwykle istotną rolę na produkcję kwasu cytrynowego, dlatego też wymagana jest pełna kontrola ich zawartości w brzeczce fermentacyjnej. Poszczególne szczepy grzybów charakteryzują się różną tolerancją na różne jony metali. Również sposób prowadzenia fermentacji odgrywa znaczną rolę przy ustalaniu optymalnych stężeń związków metali. Najbardziej czułą na zawartość jonów metali metodą jest fermentacja wgłębna. Fermentacja powierzchniowa oraz na podłożu stałym charakteryzuje się wyższą odpornością, co związane jest z ograniczonym dostępem związków metali do powierzchni, gdzie odbywa się hodowla. W celu regulacji stężenia szkodliwych związków metali, do pożywki dodaje się heksacyjanożelazian(ii) potasu, K 4 [Fe(CN) 6 ], lub inne związki, które kompleksują większość szkodliwych jonów 1,36. Możliwa jest również hodowla mikroorganizmów na pożywkach o wysokiej czystości takich jak cukier rafinowany itp. gdzie dodaje się ściśle określoną ilość poszczególnych związków metali do brzeczki, ale ze względu na wysokie ceny tego typu źródeł węgla metoda ta nie znalazła zastosowania Przygotowanie podłoża do fermentacji Istotnym czynnikiem mającym wpływ na proces fermentacji kwasu cytrynowego jest odpowiednie przygotowanie pożywki. Sposób przygotowania podłoża do fermentacji zależy od jego pochodzenia. Jest to jeden z ważniejszych etapów produkcji kwasu cytrynowego, który wywiera istotny wpływ na proces fermentacji i w znacznym stopni decyduje o jego wydajności 1. W przypadku melasy, występują spore różnice w zawartości poszczególnych związków w zależności od tego czy używana jest melasa buraczana czy trzcinowa. Również dla danego typu melasy występują znaczne różnice w zależności od jej pochodzenia, sposobu obróbki itp. Dlatego sposób przygotowania tego podłoża musi być odpowiednio dobrany do potrzeb. Pierwszym etapem obróbki melasy jest usunięcie szkodliwych związków metali. W tym celu zastosowane może być kilka różnych 34 Benuzzi, D. A.; Segoia, R. F.; Effect of copper concentration on citric acid productivity by an Aspergillus niger strain, Appl. Biochem. Biotechnol., 1996, 61, Pera, L. M.; Callieri, D. A.; Influence of calcium on fungal growth and citric acid production during fermentation of sugarcane molasses-based medium by a strain of Aspergillus niger, J. Microbiol. Biotechnol., 1999, 15, Clark, D. S.; Submerged citric acid fermentation of sugar beet molasses, Appl. Biol., 1962, 1,

17 związków kompleksujących 37, ale jednym z najpopularniejszych jest heksacyjanożelazian(ii) potasu, K 4 [Fe(CN) 6 ] 1,36,. Ze względu na to, że związek ten kompleksuje większość mikroelementów zawartych w pożywce, zarówno tych szkodliwych jak i pożytecznych, jego ilość musi być ściśle określona. W typowym procesie stosuje się go w ilości od 200 do 1000 mg na litr roztworu (około 300 g melasy). W takich warunkach około 80-85% całkowitej zawartości metali zostaje wytrącona, 7-14% występuje w postaci skompleksowanej, a 7-10% pozostaje w postaci wolnej w pożywce. Typowo heksacyjanożelazian(ii) potasu dodawany jest przed procesem sterylizacji, ale może być dodany zarówno, przed jak i po lub tylko po procesie sterylizacji. Zamiast heksacyjanożelazianu(ii) potasu stosowana może być również sól sodowa kwasu etylenodiaminotetraoctowego (EDTA). Po usunięciu jonów metali, może być wymagane uzupełnienie tych mikroelementów, które są niezbędne do prawidłowego wzrostu grzybni. Kolejnym etapem przygotowania podłoża do fermentacji jest jego sterylizacja. Ma ona na celu zniszczenie organizmów żywych w postaci bakterii, grzybów itp. zawartych w melasie. Jest to konieczne ze względu na to, że obecność takich organizmów jak bakterie z grupy Bacillus czy Escherichia Coli, nawet w niewielkiej ilości powodują spadek wydajności procesu fermentacji o ponad 50% 1. W związku z silnym napowietrzaniem układu, spora ilość bakterii dostaje się również wraz z dostarczanym powietrzem. Dlatego oprócz sterylizacji termicznej do roztworu dodaje się małe ilości innych związków hamujących rozwój niepożądanych bakterii, takich jak formalina czy pochodne furanu. Jest to istotne w początkowym etapie fermentacji, w trakcie wzrostu. W późniejszym etapie niskie ph środowiska w znacznym stopni ogranicza rozwój innych organizmów w brzeczce. W celu sterylizacji używane mogą być również antybiotyki, promieniowanie UV lub gamma, ultradźwięki i inne metody, ale nie znalazły one zastosowania w przemyśle ze względów na zbyt wysoki koszt ich stosowania 1. W przypadku prowadzenia fermentacji wgłębnej z zastosowaniem rafinowanego lub surowego cukru trzcinowego czy buraczanego, który zawiera w zasadzie czystą sacharozę, nie jest wymagane stosowanie tak rozwiniętych technik przygotowania podłoża. Ze względu na to, że substrat ten jest wysokiej czystości, nie przeprowadza się jego sterylizacji, ewentualnie rozpuszcza się go w gorącej wodzie (85-90ºC). W procesie tym przygotowany roztwór cukru (15-22%) wzbogaca się o potrzebne składniki odżywcze 37 Kundu, S.; Panda, T.; Majumbar, S. K.; Guha, B.; Bandyopadhyay K. K.;Pretreatment of Indian cane molasses for increased production of citric acid, Biotechnol. Bioeng., 1984, 26,

18 umożliwiające wzrost grzybni, takie jak NH 4 NO 3, KH 2 PO 4, MgSO 4 i inne oraz zakwasza do ph około Następnie prowadzi się fermentację na tak przygotowanym podłożu. Zastosowanie czystych cukrów ma również swoje zalety na etapie późniejszego wydzielania kwasu cytrynowego z roztworu pofermentacyjnego. Niestety wadą tego źródła węgla jest wysoka cena. Podobnymi zaletami jak cukier, charakteryzują się syropy. Nie wymagają one sterylizacji i są wysokiej czystości. Niestety sprawiają one znacznie większe problemy z przechowywaniem, a świeże dostępne są tylko w krótkim okresie roku. Innym substratem, który wymaga odmiennego sposobu przygotowania przed procesem fermentacji jest skrobia. Jest ona dobrym źródłem węgla do procesu fermentacji, ze względu na wysoką czystość i dostępność. Przed procesem fermentacji poddawana jest ona częściowej hydrolizie. Grzyby Aspergillus niger wydzielają enzymy, które rozkładają skrobię na cukry proste podczas fermentacji, dlatego całkowita jej hydroliza nie jest wymagana. W tym przypadku wymagany jest również dodatek związków odżywczych w trakcie przygotowywania pożywki. Stosowana jest tutaj również sterylizacja roztworu w temperaturze około 120ºC przez 0.5-1h. 3. Wydzielanie kwasu cytrynowego po etapie fermentacji Kolejnym etapem produkcji kwasu cytrynowego, który w istotny sposób wpływa na całkowity koszt produkcji, jest jego wydzielanie po procesie fermentacji 1,38. Proces ten przeprowadza się w kilku etapach. W pierwszym z nich następuje wydzielenie biomasy z roztworu. Następnie z tak przerobionej brzeczki wydziela się kwas cytrynowy w postaci soli wapniowej. Kryształy cytrynianu wapnia oczyszcza się, a następnie roztwarza w kwasie siarkowym(vi) w celu uzyskania roztworu kwasu cytrynowego. Następnie, z tak powstałego roztworu, odparowuje się wodę, w celu uzyskania kryształów kwasu cytrynowego Wydzielenie biomasy W przypadku zastosowania metody powierzchniowej produkcji kwasu cytrynowego, po etapie fermentacji oddzielany jest roztwór pofermentacyjny, a pozostałość biomasy przemywana jest gorącą wodą w celu odzyskania reszty kwasu cytrynowego 1. Etap przemywania jest w tym przypadku konieczny ze względu na to, że w 38 Pazouki, M; Panda, T.; Recovery of citric acid review, Bioprocess Eng., 1998, 19,

19 pozostałej biomasie zawarte jest około 15% kwasu cytrynowego. Po 1-1.5h przemywania roztwór wodny dodawany jest do roztworu pofermentacyjnego. Pozostałość biomasy poddawana jest kolejnemu myciu z niewielką ilością wody i ogrzewana przy pomocy pary wodnej do około 100ºC. Następnie tak powstała pulpa jest filtrowana. Roztwór wodny zawierający około 2-4% kwasu cytrynowego dodawany jest do roztworu pofermentacyjnego i całość kierowana jest do dalszych etapów oczyszczania. Pozostała biomasa zawierająca do 0.2% kwasu cytrynowego jest suszona i używana, jako wysokobiałkowa pożywka. Przy zastosowaniu metody fermentacji wgłębnej, oddzielenie biomasy od pozostałej części brzeczki jest zdecydowanie trudniejsze w porównaniu z metodą fermentacji powierzchniowej 1,2,38. W tym przypadku, po etapie fermentacji, brzeczkę podgrzewa się przez około 25 minut do temperatury 75ºC. W tym czasie następuje częściowa koagulacja protein. Następnie tak przygotowana zawiesina jest filtrowana. W tym przypadku, jeżeli biomasa ma być w przyszłości wykorzystana, jako źródło białka, użyte filtry muszą być wykonane z materiału, który może zostać strawiony, np. celulozy. Po odfiltrowaniu biomasy, roztwór poddawany jest dalszym procesom wydzielania kwasu cytrynowego. Jeżeli podczas procesu fermentacji powstały pewne ilości kwasu szczawiowego, jako produktu ubocznego, musi on być usunięty z brzeczki. Najczęściej stosuje się dodatek wodorotlenku wapnia, w celu zmiany ph do poziomu w temperaturze 70-75ºC. W tych warunkach następuje wytrącenie szczawianu wapnia, który następnie może zostać odfiltrowany. Kwas cytrynowy w tym przypadku pozostaje w roztworze w formie soli jedno-wapniowej. Usunięcie kwasu szczawiowego z roztworu polepsza proces filtracji cytrynianu wapnia w późniejszym etapie oczyszczania. Tak przygotowany roztwór z brzeczki pofermentacyjnej zostaje poddany dalszemu procesowi oczyszczania. Zastosować można kilka metod: klasyczną metodę strąceniową, ekstrakcję rozpuszczalnikową, adsorpcję/absorpcję na żywicach jonowymiennych lub przy użyciu obecnie badanych metod takich jak, ultra- i nanofiltracja, elektrodializa czy membrany ciekłe Metoda klasyczna wydzielania kwasu cytrynowego Podstawową metodą wydzielania kwasu cytrynowego z roztworów pofermentacyjnych po oddzieleniu biomasy jest wytrącenie cytrynianu trójwapniowego, który jest nierozpuszczalny w wodzie 1,2,38 (Rysunek 2). W tym celu do roztworu dodawany 19

20 jest wodorotlenek wapnia w odpowiedniej proporcji. W celu uzyskania odpowiednio dużych i wysokiej czystości kryształów cytrynianu wapnia, do roztworu kwasu cytrynowego dodawany jest stopniowo roztwór wodorotlenku wapnia o stężeniu kg/m 3, w temperaturze około 90ºC, do ph nieznacznie poniżej 7. Proces neutralizacji kwasu trwa około minut, a w wyniku nieznacznej rozpuszczalności cytrynianu wapnia część kwasu cytrynowego, na poziomie maksymalnie do 4-5% jest tracona. Jeżeli proces wytrącania cytrynianu wapnia został przeprowadzony prawidłowo, większość zanieczyszczeń pozostaje w roztworze. Odfiltrowany cytrynian wapnia przemywa się następnie gorącą wodą (około 10m 3 wody o temperaturze 90ºC na tonę kwasu cytrynowego) do momentu wymycia pozostałych resztek cukru, chlorków i uzyskania bezbarwnego odcieku. Następnie cytrynian wapnia rozpuszcza się w roztworze kwasu siarkowego(vi) o stężeniu około 60-70% w celu odzyskania kwasu cytrynowego i wydzielenia siarczanu wapnia. Po odfiltrowaniu gipsu roztwór zawierający 25-30% kwasu cytrynowego, jest odparowywany próżniowo w temperaturze poniżej 40ºC w celu uniknięcia karmelizacji. Niestety wadą tej metody jest konieczność zastosowania znacznej ilości wodorotlenku wapnia i kwasu siarkowego(vi) w celu najpierw wytrącenia cytrynianu wapnia a następnie odzyskania kwasu cytrynowego. Na tym etapie powstaje również znaczna ilość odpadowego gipsu oraz roztworów pozostałych po procesie. W celu wydzielenia około jednej tony kwasu cytrynowego, potrzebne jest około 600 kg wodorotlenku wapnia, 800 kg kwasu siarkowego(vi) oraz 18 m 3 wody, a w wyniku procesu oczyszczania otrzymuje się około tony odpadowego gipsu Metoda bezcytrynianowa W latach 80-ych została opracowana i uruchomiona w Polsce oraz na Słowacji metoda bezcytrynianowa wydzielania kwasu cytrynowego po procesie fermentacji 1. Warunkiem zastosowania tej metody było użycie czystych substratów, takich jak cukier rafinowany, do procesu biosyntezy. W technologii tej (Rysunek 3), ilość zanieczyszczeń jest znacznie ograniczona, co umożliwia bezpośrednie oczyszczenie brzeczki pofermentacyjnej. W pierwszym etapie oczyszczania oddzielana jest biomasa przez filtrowanie. Następnie dodawane są odpowiednie związki koagulujące oraz węgiel aktywny w celu wydzielenia pozostałych protein, a powstały osad jest odfiltrowany. W kolejnym etapie roztwór poddawany jest ultrafiltracji oraz wymianie jonowej na żywicach jonowymiennych w celu usunięcia soli mineralnych. W taki sposób oczyszczony roztwór kwasu cytrynowego jest zatężany, krystalizowany i osuszany w sposób identyczny jak w 20

21 metodzie klasycznej. Część roztworu, która pozostaje po etapie krystalizacji jest zawracana z powrotem do instalacji. W ten sposób można zawracać kwas cytrynowy trzykrotnie, następnie pozostałość po etapie krystalizacji zawiera już znaczne ilości zgromadzonych zanieczyszczeń i musi być oczyszczana w sposób klasyczny. Przy użyciu tej metody wydzielić można około 80% zawartości kwasu cytrynowego, natomiast pozostała część musi być oczyszczana w sposób klasyczny. 21

22 Fermentacja Częściowa koagulacja białek Ogrzewanie do 70 st.c Woda Filtracja grzybni grzybnia Ca(OH) 2, 70 C ph= Wytrącanie szczawianu Rozdział Szczawian wapnia Ca(OH) 2, 95 C ph~7 Wytrącanie cytrynianu wapnia Płukanie wodą 90 C Filtracja Odpady filtracyjne H 2 SO 4 Roztwarzanie kwasem siarkowym (VI) Filtracja Odpady gipsowe Oczyszczanie węglem aktywnym lub oczyszczanie jonowymienne Odparowanie Kondensat Krystalizacja Filtracja Recyrkulacja roztworu macierzystego Suszenie, pakowanie Rysunek 2. Schemat wydzielania kwasu cytrynowego z roztworu pofermentacyjnego przy zastosowaniu klasycznej metody strąceniowej 1. 22

23 Fermentacja Woda Separacja grzybni Grzybnia Koagulant Ziemia okrzemkowa Wytrącenie protein Filtracja Wytrącenie protein Para wodna Zagęszczanie próżniowe Kondensat Koagulant Węgiel aktywny, Woda Ziemia okrzemokowa Klarowanie Filtracja Osad Oczyszczanie Wymiana jonowa Roztwór Para wodna Zagęszczanie próżniowe Kondensat Krystalizacja Krystalizacja 50% roztwór kwasu cytrynowego Filtracja Kryształy kwasu cytrynowego Suszenie, pakowanie Rysunek 3. Schemat wydzielania kwasu cytrynowego z roztworu pofermentacyjnego przy zastosowaniu metody bezcytrynianowej 1. 23

24 4. Metody wydzielania kwasów organicznych 4.1. Metody ekstrakcyjne Jedną z metod eksperymentalnych, badanych pod kątem wydzielania kwasów organicznych z roztworów, w tym również kwasu cytrynowego, jest ekstrakcja rozpuszczalnikowa. W metodzie tej znajduje zastosowanie szereg różnego typu związków aktywnych ekstrahentów jak również rozpuszczalników. Do najczęściej stosowanych ekstrahentów kwasów organicznych należą: aminy 39,40,41, ciecze jonowe 42, estry organiczne kwasu fosforowego(v) 43,44 oraz pochodne fosfonowe 45,46,47. Jako rozpuszczalniki stosowane są różne związki, poczynając od polarnych, takich jak ketony 45,47 czy alkohole 39,42,45,48 poprzez związki o małej polarności, takie jak toluen 45,47 do rozpuszczalników niepolarnych takich jak n-alkany 43,47. Badane są również mieszaniny różnego typu rozpuszczalników 49 w celu określenia ich wpływu na proces ekstrakcji. Znaczna część badań poświęcona jest również kinetyce ekstrakcji poszczególnych kwasów organicznych 48,50,51. Na podstawie trzymanych wyników, podjęto próby wyznaczenia 39 Kislik, V.; Eyal, A.; Competitive complexation/solvation theory of solvent extraction: general statements, acid extraction by amines, influence of active solvents and temperature, J. Chem. Technol. Biotechnol., 78, Quin, W.; Li, Z.; Dai, Y.; Extraction of monocarboxylic acids with trioctylamine: equilibriua and correlation of apparent reactive equilibrium constant, Ind. Eng. Chem. Res., 2003, 42, Qin, W.; Cao, Y.; Luo, X.; Liu, G.; Dai, Y.; Extraction mechanism and behavior of oxalic acid by troctylamine, Sep. Purif. Technol., 2001, 24, Keshav, A.; Wasevar, K. L.; Chand, S.; Uslu, H.; Reactive extraction of propionic acid using aliquat-336 in 2-octanol: linear solvation energy relationship (LSER) modeling and kinetics study, Chem. Biochem. Eng. Q., 2010, 24, Roy, B. C.; Alam, M. J.; Goto, M.;Extraction equilibrium of monocarboxylic acids in aqueous solution by using tributyl phosphate in decane, J. Appl. Sci., 2006, 6, Bilgin, M.; Birman, I.; Separation of propionic acid by diethyl carbonate, diethyl malonate or diethyl fumarate and the synergistic effect of phosphorus compounds and amines, Fluid Phase Equilibr, 2010, 292, Bilgin, M.; Arisoy, C.; Kirbaslar, I.; Extraction equilibria of propionic and butyric acids with tri-noctylphosphineoxide/diluent systems, J. Chem. Eng. Data, 2009; 54; Hano, T.; Matsumoto, M.; Ohtake, T.; Sasaki, K.; Hori, F.; Kawano, Y.; Extraction equilibria of organic acids with tri-n-octylphosphineoxide, J. Chem. Eng. Jpn., 1990, 23, Kumar, S.; Babu, B. V.; Extraction of pyridine-3-carboxylic acid using 1-dioctylphosphoryloctane (TOPO) with different diluents: equilibrium studies, J. Chem. Eng. Data, 2009, 54, Jun, Y.; Huh, Y. S.; Hong, W. H.; Hong, J. K.; Kinetics of the extraction of succinic acid wit tri-noctylamine in 1-octanol solution, Biotechnol. Prog., 2005, 21, Marinova, M.; Kyuchoukov, G.; Albet, J.; Molinier, J.; Malmary, G.; Separation of tartaric and lactic acids by means of solvent extraction; Sep. Purif. Technol.; 2004; 37; Poposka, F. A.; Prochazka, J.; Tomovska, R.; Nikolovski, K.; Grizo, A.; Extraction of tartaric acid from aqueous solutions with tri-iso-octylamine (Hostarex A 324). Equilibrium and kinetics, Chem. Eng. Sci., 2000, 55,

25 mechanizmów ekstrakcji jak również określenia struktury oraz składu powstających kompleksów Parametry charakteryzujące proces ekstrakcji W celu opisu procesu ekstrakcji, wykorzystywany jest szereg różnych parametrów. Umożliwiają one scharakteryzowanie tego procesu, porównywanie wyników z danymi literaturowymi, jak również dostarczają poglądowych informacji na temat składu kompleksu czy wydajności procesu ekstrakcji. W ogólnym przypadku proces ekstrakcji kwasów organicznych można opisać, jako reakcję kompleksowania pomiędzy kwasem a ekstrahentem z przeniesieniem kompleksu w głąb fazy organicznej. Na przykładzie trzeciorzędowej aminy i jednoprotonowego kwasu, reakcję tę można opisać następującym równaniem: aha aq + br 3 N org = (HA) a (R 3 N) borg, a=0,1..n, b=0,1..m, (1) gdzie: aq oznacza fazę wodną, natomiast org fazę organiczną Stała równowagi reakcji kompleksowania wyraża się następującym wzorem: [(HA) a (R 3N) b] org K ext, a, b. a b (2) [HA] [R N] aq Analizując dane eksperymentalne wygodnie jest posługiwać się takimi parametrami jak: wydajność ekstrakcji E, współczynnik podziału D oraz współczynnik naładowania fazy organicznej Z: 3 org [ ] n m a b HA org [ HA] aq [ R3N ] org E a Kext, a, b, (3) [ HA] [ HA] tot a 1 b 1 tot a HA aq R3 N HA HA n m org org D a K ext, a, b, (4) HA aq a 1 b 1 aq a HA R N HA n m org aq 3 org Z a Kext, a, b. (5) R N [ R N] 3 tot a 1 b 1 3 tot b b 51 Nikhade, B. P.; Moulijn, J. A.; Pangarkar, V. G.; Extraction of citric acid from aqueous solutions with Alamine 336: equilibrium and kinetics, J. Chem. Technol. Biotechnol., 2004, 79, Tamada, J. A.; Kertes, A. S.; King, C. J.; Extraction of carboxylic acids with amine extractants. 2. Chemical interactions and data interpretation of data, Ind. Eng. Chem. Res., 1990, 29,

26 Powyższe wyrażenia ulegają znacznemu uproszczeniu w pewnych szczególnych przypadkach. Na przykład, gdy w fazie organicznej powstaje pojedynczy kompleks, gdzie stosunek HA do R 3 N wynosi a:1, naładowanie fazy organicznej (5) można przekształcić do postaci: Z ext, a,1 a aq a aq ak ext, a,1 H 3 A (6) 1 K H A 3 A w szczególnym przypadku gdy stosunek HA do R 3 N wynosi 1:1, naładowanie fazy organicznej (5) można przekształcić do postaci: 1 Z Z K ext,1,1 H 3 A aq (7) Wpływ rozpuszczalnika na proces ekstrakcji kwasów organicznych Rodzaj zastosowanego rozpuszczalnika pełni niezwykle istotną rolę w procesie ekstrakcji kwasów organicznych. Duże znaczenie odgrywa jego budowa chemiczna, a przede wszystkim obecność różnych grup funkcyjnych. Rozpuszczalniki zawierające w swojej budowie atomy posiadające wolne pary elektronowe, takie jak atomy tlenu czy chloru, charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami w porównaniu do rozpuszczalników nieposiadających tego typu atomów w cząsteczce. Rozpuszczalniki aromatyczne są również stosowane do ekstrakcji kwasów organicznych, ale w mniejszym stopniu, co wiąże się ze słabszymi oddziaływaniami pomiędzy elektronami pierścienia aromatycznego a grupami karboksylowymi ekstrahowanego kwasu. Dobrą ilustracją tego mogą być badania przeprowadzone przez T. Kirscha oraz G. Maurera, w których pokazano wpływ takich rozpuszczalników jak toluen 53,54, keton metylowo izobutylowy (MIBK) 53,55 53 Kirsch, T.; Ziegenfuss, H.; Maurer, G.; Distribution of citric, acetic and oxalic acid between water and organic solutions of tri-n-octylamine, Fluid Phase Equilibr, 1997, 129, Kirsch, T; Maurer, G.; Distribution of binary mixtures of citric, acetic and oxalic acid between water and solutions of tri-n-octylamine. Part I. Organic solvent toluene, Fluid Phase Equilibr, 1997, 131, Kirsch, T; Maurer, G.; Distribution of binary mixtures of citric, acetic and oxalic acid between water and solutions of tri-n-octylamine. Part II. Organic solvent methylisobutylenketon, Fluid Phase Equilibr, 1998, 142,

27 oraz chloroform 53,56 na ekstrakcję kwasu cytrynowego oraz mieszanin kwasów cytrynowego, octowego i szczawiowego. T. Kirsch oraz G. Maurer 53 badając ekstrakcję kwasu cytrynowego za pomocą tri-noktyloaminy w toluenie, MIBK oraz chloroformie wykazali, że wartość współczynnika podziału D dla MIBK oraz chloroformu zmienia się w zakresie od 0.01 do 100 natomiast dla toluenu zmienia się w zakresie od 0.01 do 1 w zależności od stężenia aminy w fazie organicznej oraz kwasu w fazie wodnej. Dla niskich stężeń ekstrahentu w fazie organicznej różnice pomiędzy poszczególnymi rozpuszczalnikami są stosunkowo niewielkie, niemniej układają się w kolejności MIBK > chloroform > toluen. Wynika to z faktu, że dla niskich stężeń TOA bardzo szybko następuje wysycenie fazy organicznej. MIBK daje w tym przypadku trochę lepsze rezultaty, ze względu na możliwość przeładowania fazy organicznej i powstawanie kompleksów, gdzie na jedną cząsteczkę ekstrahentu przypadają dwie cząsteczki kwasu. W przypadku wyższych stężeń aminy w fazie organicznej, wyniki układają się w kolejności chloroform > MIBK > toluen, przy czym różnice pomiędzy chloroformem i MIBK są niewielkie natomiast toluen daje w tym przypadku wartości współczynnika podziału około 100 razy mniejsze. Wyniki te pokazują, że rozpuszczalniki aktywne znacznie lepiej nadają się do ekstrakcji kwasu cytrynowego w porównaniu do toluenu. Również przeprowadzone przez A. Senola 57,58 badania ekstrakcji kwasu pirogronowego oraz pikolinowego (Rysunek 4) potwierdzają istotny wpływ budowy rozpuszczalnika na proces ekstrakcji. W badaniach tych przeprowadzono ekstrakcję kwasu pirogronowego i pikolinowego z zastosowaniem samych rozpuszczalników: alkoholu benzylowego, MIBK, 1,2-dichloroetanu (DCE), ksylenu (tylko kwasy pirogronowy) oraz toluenu (tylko kwas pikolinowy) (Rysunek 4A) oraz rozpuszczalników z dodatkiem tri-noktyloaminy (Rysunek 4B). W przypadku obydwu kwasów i ekstrakcji bez dodatku ekstrahentu, współczynnik podziału malał w szeregu: alkohol benzylowy > MIBK > 1,2- dichloroetan toluen ksylen. Natomiast w przypadku zastosowania rozpuszczalników z 56 Kirsch, T; Maurer, G.; Distribution of binary mixtures of citric, acetic and oxalic acid between water and solutions of tri-n-octylamine. Part III. Organic solvent chloroform, Fluid Phase Equilibr, 1998, 146, Senol, A.; Influence of conventional diluents on amine extraction of picolinic acid, Sep. Purif. Technol, 2005, 43, Senol, A.; Influence of diluent on amine extraction of pyruvic acid, Chem. Eng. Process., 2006, 45,

28 dodatkiem aminy kolejność ta zmieniała się w szeregu alkohol benzylowy > 1,2- dichloroetan MIBK > toluen ksylen. A) B) Rysunek 4. Zależność współczynnika podziału D od stężenia początkowego kwasu organicznego w fazie wodnej. Ekstrakcja za pomocą samych rozpuszczalników (A) oraz z dodatkiem aminy o stężeniu C NR3 =0.0413M (B)., - alkohol benzylowy,, - MIBK,, - DCE, x - ksylen (kwas pirogronowy), + - toluen (kwas pikolinowy). Symbole otwarte odpowiednio oznaczają kwas pirogronowy a zamknięte pikolinowy. Opracowano na podstawie 57,58. Badania przeprowadzone przez I. Inci oraz H. Uslu 59,60,61 ekstrakcji kwasów organicznych (kwasy glukonowy 60, propionowy 61, glikolowy 59 ) z zastosowaniem chlorku trioktylometyloamoniowego, jako ekstrahentu oraz szeregu rozpuszczalników (heksan, cykloheksan, 2,2,4-trimetylopentan, 1-butanol, 1-propanol, MIBK, octan etylu) wykazały, że rozpuszczalniki aktywne dają znacznie lepsze rezultaty w porównaniu do rozpuszczalników niesolwatujących. W przypadku kwasu glukonowego najlepsze rezultaty otrzymano przy zastosowaniu MIBK i nieznacznie gorsze dla 1-butanolu, jako rozpuszczalników (brak danych dla 1-propanolu). W przypadku kwasu propionowego najlepsze rezultaty otrzymano dla MIBK oraz octanu etylu, ale pozostałe rozpuszczalniki 59 Inci, I.; Uslu, H.; Extraction of Glycolic Acid from Aqueous Solutions by Trioctylmethylammonium Chloride and Organic Solvents, J. Chem. Eng. Data, 2005, 50, Inci, I.; Uslu, H.; Ayhan, S. T.; Partitioning of Gluconic Acid between Water and Trioctylmethylammonium Chloride and Organic Solvents, J. Chem. Eng. Data, 2005, 50, Inci, I.; Uslu, H.; Ayhan, S. T.; (Liquid + liquid) equilibria of the (water + propionic acid + Aliquat organic solvents) at T = K, J. Chem. Thermodynamics, 2007, 39,

29 dawały jedynie nieznacznie gorsze rezultaty (brak danych dla 1-propanolu i 1-butanolu). W przypadku kwasu glikolowego najlepszym rozpuszczalnikiem okazał się 1-propanol a następnie w kolejności MIBK i 1-butanol. Jak widać na powyższych przykładach, dla wszystkich ekstrahowanych kwasów, lepsze rezultaty otrzymano z zastosowaniem rozpuszczalników aktywnych takich jak alkohole czy MIBK. Jednakże widać również wpływ budowy kwasu na stopień ekstrakcji. Kwasy bardziej hydrofilowe zawierające w swojej budowie, obok grupy karboksylowej, grupy hydroksylowe znacznie lepiej są ekstrahowane w układach z rozpuszczalnikami aktywnymi aniżeli w układach z rozpuszczalnikami nieaktywnymi. Natomiast kwasy mniej hydrofilowe są już tylko nieznacznie lepiej ekstrahowane przez rozpuszczalniki aktywne w porównaniu do nieaktywnych. Istotne znaczenie w procesie ekstrakcji ma tworzenie wiązań wodorowych oraz dzięki temu różnorodnych asocjatów rozpuszczalnika z kompleksem. D. Yankov 62 i współpracownicy oraz M. Marinova 63 i współpracownicy badali wpływ dekanolu, jako modyfikatora, na proces ekstrakcji kwasu mlekowego 62 oraz winowego 62,63 z zastosowaniem tri-n-oktyloaminy jako związku aktywnego i dodekanu jako inertnego rozpuszczalnika. Jak pokazane zostało w powyższych pracach, wraz ze wzrostem zawartości dekanolu w fazie organicznej, następuje bardzo szybki wzrost wydajności procesu ekstrakcji. Autorzy pokazali, że w przypadku ekstrakcji kwasu mlekowego, zmiana zawartości dekanolu w zakresie od 0 do 70% v/v, przy stałej zawartości trioktyloaminy 30% v/v powoduje wzrost wartości współczynnika podziału od około 0 do około 14. Dla ekstrakcji kwasu winowego, gdzie zmieniano zawartość dekanolu w zakresie 5 85% v/v (stała zawartość TOA 5% v/v) wykazano, że wartość procentu ekstrakcji wzrasta od wartości około 2% do ponad 90%. Również w przypadku zastosowania pochodnych fosforowych takich jak fosforan tributylu (TBP) czy tlenek trioktylofosfiny (TOPO), jako ekstrahentów kwasów organicznych, widać wyraźny wpływ rozpuszczalnika na proces ekstrakcji. M. Bilgin 45 wraz ze współpracownikami badali ekstrakcję kwasu propionowego oraz masłowego przy użyciu tlenku tri-n-oktylofosfiny, jako ekstrahentu oraz szeregu rozpuszczalników 62 Yankov, D.; Molinier, J.; Albet, J.; Malmary, G.; Kyuchoukov, G.; Lactic acid extraction from aqueous solutions with tri-n-octylamine dissolved in decanol and dodecane; Biochem. Eng. J.; 2004; 21; Marinova, M.; Kyuchoukov, G.; Albet, J.; Molinier, J.; Malmary, G.; Separation of tartaric and lactic acids by means of solvent extraction; Sep. Purif. Technol.; 2004; 37;

30 (kerozyna, toluen, alkohol oleilowy, alkohol izoamylowy, octan cykloheksylu, eter metylowo tertbutylowy (MTBE), MIBK). W badaniach tych wykazano, że zarówno w przypadku kwasu propionowego jak i masłowego, same rozpuszczalniki są w stanie, w różnym stopniu, ekstrahować powyższe kwasy organiczne. Dla obydwu kwasów zdolność do ich ekstrakcji układała się w szeregu MTBE > alkohol isoamylowy MIBK > octan cykloheksylu > toluen alkohol oleilowy > kerozyna. W celu przebadania wpływu TOPO, jako ekstrahentu wykonano badania w zakresie stężeń od 0,05-0,9 mol/dm 3 z zastosowaniem wymienionych wcześniej rozpuszczalników. Dla niskich stężeń TOPO w fazie organicznej wartość współczynnika podziału, dla obydwu badanych kwasów, układała się w szeregu alkohol isoamylowy > MTBE > MIBK > octan cykloheksylu > alkohol oleilowy > toluen > kerozyna. Natomiast dla wyższych stężeń TOPO w fazie organicznej uzyskane wyniki układały się w kolejności MTBE > MIBK > octan cykloheksylu toluen > alkohol isoamylowy kerozyna > alkohol oleilowy. Jak można zauważyć, wraz ze wzrostem stężenia TOPO w fazie organicznej, w przypadku obydwu alkoholi nastąpiła zmiana ich położenia w szeregu. Wiąże się to z tym, że dla tych alkoholi wzrost współczynnika podziału wraz ze wzrostem zawartości TOPO był bardzo mały i w przybliżeniu równy współczynnikowi podziału uzyskanym dla samego rozpuszczalnika. Natomiast w przypadku pozostałych rozpuszczalników następował szybki wzrost stopnia ekstrakcji wraz ze wzrostem stężenia ekstrahentu. Jak widać również w tym przypadku rozpuszczalniki aktywne dały zdecydowanie lepsze rezultaty w porównaniu do rozpuszczalników inertnych. Zastosowanie rozpuszczalników aktywnych w procesie ekstrakcji kwasów organicznych, w przypadku znacznego nadmiaru kwasu w fazie wodnej w stosunku do ekstrahentu, umożliwia przeładowanie fazy organicznej i powstanie kompleksów, gdzie na jedną cząsteczkę ekstrahentu przypadają dwie i więcej cząsteczek kwasu organicznego. J. A. Tamada i współpracownicy w swoich pracach 64,65 przebadali wpływ szeregu rozpuszczalników na ekstrakcję kwasów organicznych (kwas octowy, mlekowy, fumarowy, bursztynowy, maleinowy). Na tej podstawie autorzy wykazali, że aktywne rozpuszczalniki protyczne lepiej stabilizują powstawanie kompleksu o stosunku kwasu do ekstrahentu równym 1:1 w porównaniu do aktywnych rozpuszczalników aprotycznych. 64 Tamada, J. A.; Kertes, A. S.; King, C. J.; Extraction of carboxylic acids with amine extractants. 1. Equilibria and law of mass action modeling, Ind. Eng. Chem. Res., 1990, 29, Tamada, J. A.; Kertes, A. S.; King, C. J.; Extraction of carboxylic acids with amine extractants. 2. Chemical interactions and data interpretation of data, Ind. Eng. Chem. Res., 1990, 29,

31 Wiąże się to z ich zdolnością do tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy atomem tlenu grupy karboksylowej a atomem wodoru rozpuszczalnika, co w znacznym stopniu stabilizuje powstający kompleks. Powstawanie tego typu kompleksów wykazali również G. M. Barrow i E. A. Yerger 66, którzy za pomocą badań spektroskopowych IR wykazali istnienie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczką kwasu octowego a chloroformem (Rysunek 5). Dlatego też rozpuszczalniki protyczne w bardzo dobrym stopniu nadają się do ekstrakcji kwasów organicznych w zakresie stężeń, gdzie powstają kompleksy o składzie 1:1. C H 3 O O - HCCl 3 HN + R3 Rysunek 5. Struktura kompleksu powstającego pomiędzy trietyloaminą a kwasem octowym w chloroformie zaproponowana przez G. M. Barrowa i E. A. Yergera 66. W przypadku powstawania, w fazie organicznej, kompleksów o stosunku kwasu organicznego do ekstrahentu równym p:1 (gdzie p>1), lepsze rezultaty wykazują rozpuszczalniki aktywne aprotyczne 64,65. Wynika to z faktu, że w przypadku rozpuszczalników protycznych powstawanie wiązania wodorowego pomiędzy ekstrahowanym kwasem a rozpuszczalnikiem, bardzo mocno stabilizuje kompleks o składzie 1:1 co jednocześnie destabilizuje powstawanie kompleksu 2:1. W przypadku rozpuszczalników aprotycznych stabilizacja kompleksu 1:1 nie jest tak silna i dzięki temu powstawanie kompleksów o składzie 2:1 jest ułatwione. Dlatego też w przypadku znacznego nadmiaru kwasu organicznego w stosunku do ekstrahentu, gdy istnieje możliwość przeładowania fazy organicznej, lepsze rezultaty ekstrakcji otrzymuje się dla rozpuszczalników aktywnych aprotycznych w porównaniu do rozpuszczalników protycznych. Omówione powyżej prace przedstawiają tylko małą częścią wszystkich prac dotyczących wpływu rozpuszczalnika na proces ekstrakcji kwasów karboksylowych. Jednakże na podstawie tych i innych prac pokazać można jak istotną rolę odgrywa rozpuszczalnik w procesach ekstrakcji. Jak z przedstawionych publikacji wynika 66 Barrow, G. M.; Yerger, E. A.; Acid-base reactions in non-dissociating solvents. Acetic acid and triethylamine in carbon tetrachloride and chloroform,j. Am. Chem. Soc., 1954,76,

32 solwatacja kompleksu, poprzez oddziaływania rozpuszczalnika z powstającym kompleksem, w istotny sposób wpływa na ekstrakcję kwasów organicznych. Zdolność rozpuszczalnika do oddziaływania z grupami karboksylowymi kwasu powoduje z jednej strony to, że sam rozpuszczalnik może ekstrahować niewielkie ilości kwasu organicznego, z drugiej strony znacznie poprawia ekstrakcję kwasów przy użyciu różnego typu ekstrahentów. We wszystkich przypadkach, niezależnie od zastosowanego ekstrahentu widać wyraźnie, że rozpuszczalniki aktywne znacznie lepiej ekstrahują kwasy organiczne. Na tej podstawie można je uszeregować w malejącej kolejności: MIBK, chloroform, propanol, butanol, alkohol benzylowy > oktanol, dekanol > toluen, ksylen > heksan, cykloheksan, kerozyna, n-heptan. W przypadku zastosowania alkoholi, jako rozpuszczalników, zwrócić należy jednak uwagę na to, że stopień ekstrakcji kwasów karboksylowych maleje wraz ze wzrostem długości łańcucha alkilowego w cząsteczce alkoholu 62,67. Zdolność do oddziaływania rozpuszczalnika z grupami karboksylowymi ma szczególnie duże znaczenie w przypadku ekstrakcji kwasów wielokarboksylowych oraz hydroksykwasów. W tym przypadku najczęściej jedna grupa karboksylowa związana jest z ekstrahentem, a pozostałe mogą być związane z rozpuszczalnikiem, co znacznie poprawia wydajność procesu ekstrakcji. Zastosowanie rozpuszczalników niepolarnych, takich jak np.: n-alkany, powoduje, że ekstrakcja w ogóle nie zachodzi, lub zachodzi w bardzo małym stopniu. Potwierdzają to badania prowadzone przy użyciu różnych tego typu rozpuszczalników 62,63. Pokazane również zostało, że w przypadku zastosowania rozpuszczalników nie zawierających wolnych par elektronowych, już niewielki dodatek rozpuszczalnika polarnego do układu skutkuje poprawieniem wydajności ekstrakcji 62,63. Natomiast istotną wadą stosowania rozpuszczalników o większej polarności jest fakt wzrostu ich rozpuszczalności w fazie wodnej wraz ze wzrostem polarności rozpuszczalnika. Powoduje to jego większe straty podczas procesu ekstrakcji, jak również większy problem z rozdziałem faz po procesie ekstrakcji Wpływ związku aktywnego na proces ekstrakcji W procesach ekstrakcji kwasów organicznych stosowanych jest wiele różnych ekstrahentów będących zasadami Lewisa. Ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne mogą być one protonowane i w takim przypadku tworzyć kompleks w 67 Uslu, H.; Inci, I.; Kirbaslar, I.; Aydin, A.; Extraction of citric acid from aqueous solution by means of a long chain aliphatic quaternary amine/diluent system, J. Chem. Eng. Data, 2007, 52,

33 formie pary jonowej lub też nie ulegać protonowaniu i tworzyć kompleks w postaci solwatu. Najczęściej, jako ekstrahenty wymieniane są trialkiloaminy 58,64,67. Inną dużą grupę ekstrahentów stanowią alkilowe pochodne fosforoorganiczne. Przede wszystkim są to estry kwasu fosforowego(v) 43,68, fosfonowego oraz fosfinowego 45,46. Prowadzone są również badania nad zastosowaniem, jako ekstrahentów kwasów organicznych, czwartorzędowych soli amoniowych 59,60,61. W związku z dużym zainteresowaniem cieczami jonowymi, znaleźć można doniesienia literaturowe dotyczące ich zastosowania do ekstrakcji kwasów karboksylowych, jako rozpuszczalników. Przede wszystkim badania te dotyczą pochodnych imidazoliowych 69,70 oraz fosfoniowych 71. R. Canari oraz A. M. Eyal 72,73,74,75 w swoich pracach, badali wpływ ph na proces ekstrakcji kwasów organicznych. Analizując widma IR stwierdzili oni, że na to czy dany kompleks występuje w postaci pary jonowej czy solwatu wpływ ma wartość stałej zasadowości użytego ekstrahentu oraz anionu ekstrahowanego kwasu. Istotnym czynnikiem jest również zastosowany rozpuszczalnik. Dla kwasu trichlorooctowego 76, który jest dość silnym kwasem spodziewano się powstania kompleksu w postaci pary jonowej. Wykonane widma w podczerwieni wykazały istnienie piku przy długości fali 1680 cm -1, który jest charakterystyczny dla anionu kwasu. Stwierdzono również brak absorbancji przy długości fali 1750 cm -1, co odpowiadałoby niezdysocjowanej cząsteczce kwasu. Podobne badania w przypadku ekstrakcji kwasu mlekowego 75 i octowego Matsumoto, M.; Otono, T.; Kondo, K.; Synergistic extraction of organic acids with tri-n-octylamine and tri-n-butylphosphate; Sep. Purif. Technol.; 2001; 24; Matsumoto, M.; Mochiduki, K.; Kondo, K.; Toxicity of ionic liquids and organic solvents to lactic acidproducing bacteria, J. Biosci. Bioeng., 2004, 98, Matsumoto, M.; Mochiduki, K.; Fukunishi, K.; Kondo, K.; Extraction of organic acids using imidazoliumbased ionic liquids and their toxicity to lactobacillus rhamnosus, Sep. Purif. Technol., 2004, 40, Martak, J.; Schlosser, S.; Phosphonium ionic liquids as new, reactive extractants of lactic acid, Chem. Pap., 2006, 60, Canari, R.; Eyal, A. M.; Selectivity in the extraction of lactic, malic, glutaric and maleic acids from their binary solutions using an amine-based extractant: effect of ph, Ind. Eng. Chem. Res., 2003, 42, Canari, R.; Eyal, A. M.; Selectivity in monocarboxylic acids extraction from their mixture solutions using an amine-based extractant: effect of ph, Ind. Eng. Chem. Res., 2003, 42, Canari, R.; Eyal, A. M.; Effect of Ph on dicarboxylic acids extraction by amine-based extractants, Ind. Eng. Chem. Res., 2003, 42, Canari, R.; Eyal, A. M.;Extraction of carboxylic acids by amine-based extractants: apparent extractant basicity according to the ph of half-neutralization, Ind. Eng. Chem. Res., 2003, 42, Canari, R.; Eyal, A. M.; ph dependence of carboxylic and mineral acid extraction by amine-based extractants: effect of pka, amine basicity and diluent properties, Ind. Eng. Chem. Res., 2995, 34,

34 wykazały, że kwas mlekowy występuje w fazie organicznej w postaci niezdysocjowanej dając jedynie pik przy długości fali 1720 cm -1 natomiast kwas octowy występuje w równowadze pomiędzy formą zdysocjowaną i niezdysocjowaną. W przypadku tego kwasu zaobserwowano zarówno istnienie piku przy długości fali 1573 cm -1 jak również przy 1715 cm -1. Stosując różne ekstrahenty wykazano również, że wraz ze wzrostem zasadowości ekstrahentu rośnie intensywność piku przy 1573 cm -1 i jednocześnie maleje intensywność piku przy 1715 cm -1, co odpowiada przesuwaniu się równowagi w kierunku tworzenia pary jonowej. Uzupełniając powyższe badania o wpływ ph fazy wodnej na proces ekstrakcji pokazano, że w przypadku, gdy ekstrahent jest silniejszą zasadą od anionu kwasu karboksylowego, to w fazie organicznej powstaje kompleks w postaci pary jonowej. Powyższą reakcję można zapisać w postaci ogólnej w następujący sposób: R 3 N + HA (R 3 NH) + A -. (8) W przypadku powstawania tego typu kompleksów, w szczególności dla kwasów wielokraboksylowych przy znacznym nadmiarze ekstrahowanego kwasu w stosunku do ekstrahentu, istnieje możliwość przyłączenia się kolejnej cząsteczki kwasu organicznego poprzez międzycząsteczkowe wiązanie wodorowe 74. Na przykładzie kwasu dikarboksylowego reakcję tą zapisać można, jako: (R 3 NH) + (AH) - + HAH (R 3 NH) + (AH) - HAH. (9) W sytuacji, gdy anion kwasu karboksylowego jest silniejszą zasadą w porównaniu do ekstrahentu jak również w przypadku, gdy zarówno kwas organiczny jak i ekstrahent są słabym kwasem i słabą zasadą, to powstaje układ, gdzie kwas organiczny jest niezdysocjowany i kompleks z ekstrahentem tworzy się poprzez wiązanie wodorowe: R 3 N + AH R 3 N HA. (10) W przypadku, gdy stałe zasadowości anionu kwasu karboksylowego oraz użytego ekstrahentu są porównywalne, w roztworze istnieje równowaga pomiędzy kompleksem w postaci pary jonowej a solwatem. Występowanie tego typu mieszanych kompleksów potwierdzają również badania przeprowadzone przez G. M. Barrowa 77 oraz D. F. DeTara i R. W. Novaka 78 jak również wielu innych autorów W badaniach tych, zastosowano 77 Barrow, G. M.; The nature of hydrogen Bondem Ion-pairs: The reaction of pyridine and carboxylic AIDS in chloroform; J. Am. Chem. Soc.; 1956; 78; Detar, D. F.; Novak, R. W.; Carboxlic acid amine equlibria In nonaqeous solvents; J. Am. Chem. Soc.; 1970; 92;

35 trzecio-rzędowe aminy oraz pirydynę do ekstrakcji kwasów organicznych. Analizując widma IR pokazano, że w zależności od zasadowości ekstrahentu oraz ekstrahowanego kwasu, jak również rodzaju zastosowanego rozpuszczalnika mogą powstawać kompleksy zarówno w postaci pary jonowej jak również w postaci solwatów, a w roztworze istnieje równowaga pomiędzy tymi formami. J. A. Tamada i współpracownicy 64,65 zbadali ekstrakcję kwasów dikarboksylowych (fumarowy, bursztynowy, maleinowy) z zastosowaniem Alaminy 336 jako ekstrahentu. Na podstawie analizy widm IR wykazali oni, że w przypadku kwasu fumarowego, wraz ze zmianą stosunku wyjściowego stężenia kwasu do aminy, w zakresie od 1:1 do 1:4, w fazie organicznej powstają różne kompleksy. W przypadku gdy stężenie aminy i kwasu były porównywalne, w fazie organicznej powstawał kompleks o składzie 1:1, natomiast gdy stężenie aminy w fazie organicznej rosło w stosunku do stężenia kwasu powstawał w coraz większej ilości kompleks o składzie 1:2. Na podstawie analizy widm IR autorzy zaproponowali następujące struktury powstających kompleksów (Rysunek 6). A) O B) O R 3 N + H O R 3 N + H - O O H O H O O O HN + R O - O O HN + R3 Rysunek 6. Struktury kompleksów kwasu fumarowego zaproponowane przez J. A. Tamdę i współpracowników 64,65. Kompleks o stosunku kwasu do aminy równym 1:2 (A) oraz 1:1 (B). Analiza widm IR wykazała występowanie piku przy długości fali 1286 cm -1 pochodzącym od wiązań υ(c-o) i δ(o-h); przy długości fali 1701 cm -1 od wiązań υ(c=o) oraz przy długości fali 1597 i 1635 cm -1 od wiązań υ(coo - ) co sugeruje powstawanie struktury B (Rysunek 6). Wraz ze wzrostem stężenia aminy w fazie organicznej autorzy zaobserwowali spadek intensywności piku przy długości fali 1701 cm -1 υ(c=o), przy jednoczesnym wzroście intensywności piku przy długości fali 1597 cm -1 υ(coo - ) oraz 1286 cm -1 υ(c-o) + δ(o-h). Na tej podstawie zasugerowano, że wraz ze wzrostem 35

36 stężenia ekstrahentu, w fazie organicznej rośnie zawartość kompleksu, gdzie stosunek kwasu do aminy wynosi 1:2 (Rysunek 6A). Analizując w podobny sposób rezultaty otrzymane w przypadku ekstrakcji kwasu bursztynowego oraz maleinowego wykazano, że wraz ze wzrostem stężenia aminy w fazie organicznej, nie następuje przejście od kompleksu 1:1 do 1:2. Wiąże się to z tym, że te dwa kwasy mogą tworzyć silne wewnątrzcząsteczkowe (Rysunek 7A) lub międzycząsteczkowe (Rysunek 7B) wiązanie wodorowe. Autorzy, na podstawie widm IR zasugerowali, że w tym przypadku uprzywilejowaną strukturą jest kompleks z wewnątrzcząsteczkowym wiązaniem wodorowym (Rysunek 7A). Tego typu różnice w ekstrakcji kwasów bursztynowego, fumarowego i maleinowego wynikają z ich budowy strukturalnej. W przypadku kwasu fumarowego konfiguracja wiązania podwójnego w cząsteczce uniemożliwia tworzenie wiązania wodorowego, co w przypadku kwasu maleinowego jest możliwe. Skutkuje to tym, że kwas maleinowy tworzy stabilne wiązanie wodorowe wewnątrz cząsteczki, co uniemożliwia przyłączenie drugiej cząsteczki aminy do kwasu. W przypadku kwasu fumarowego nie może powstać wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe, co umożliwia przyłączenie drugiej cząsteczki aminy do kwasu. W przypadku kwasu bursztynowego, ze względu na brak wiązania wodorowego następuje swobodna rotacja cząsteczki wzdłuż wiązań pomiędzy atomami węgla, co również umożliwia powstanie stabilnej struktury z wewnątrzcząsteczkowym wiązaniem wodorowym. 36

37 A) O H O - O C C O H + NR 3 CH CH B) CH CH R 3 N + H O - C O O C O H H O C O O C - O HN + R 3 Rysunek 7. Struktury kompleksów kwasu maleinowego zaproponowane przez J. A. Tamdę i współpracowników 64,65. Kompleks z wewnątrzcząsteczkowym (A) oraz międzycząsteczkowym (B) wiązaniem wodorowym. Czwartorzędowe sole amoniowe, takie jak Aliquat 336 również zostały przebadane, jako ekstrahenty kwasów organicznych 59,79 z zastosowaniem różnego typu rozpuszczalników. W tym przypadku można oczekiwać powstawania kompleksu na drodze wymiany anionu lub poprzez tworzenie wiązania wodorowego. Powstający kompleks może mieć odpowiednio strukturę pary jonowej lub będzie występować w postaci solwatu. Również i w tym przypadku na to, który z tych kompleksów będzie powstawać wpływ ma różnica w zasadowości pomiędzy anionem pochodzącym od czwartorzędowej soli amoniowej a anionem ekstrahowanego kwasu, jak również ph fazy wodnej użytej w procesie ekstrakcji. W ostatnim czasie coraz większego znaczenia nabiera zastosowanie cieczy jonowych, jako rozpuszczalników w procesach ekstrakcji kwasów karboksylowych Ciecze jonowe są w stanie, nawet bez dodatku ekstrahentów, w dobrym stopniu ekstrahować kwasy organiczne. M. Matsumoto wraz ze współpracownikami badając ekstrakcję kwasu mlekowego 69,70 z użyciem czwartorzędowych pochodnych imidazoliowych pokazał, że zastosowane ciecze jonowe, jako rozpuszczalniki są znacznie mniej toksyczne względem grzybów używanych w procesie fermentacji, w porównaniu do takich rozpuszczalników jak toluen. CH CH 79 Yang, S. T.; White, S. A.; Hsu, S. T.; Extraction of carboxilic acids with tertiary and quarternary amines: Effect of ph.; Ind. Eng. Chem.; 1991; 30;

38 Odmienną grupą ekstrahentów używaną w procesach ekstrakcji kwasów organicznych są związki fosforoograniczne Zastosowane do ekstrakcji kwasów karboksylowych tworzą one kompleksy w postaci solwatu. Związki te są słabszymi zasadami w porównaniu z aminami i w procesie ekstrakcji nie ulegają protonowaniu, dlatego też tworzą kompleksy z kwasami organicznymi poprzez wiązanie wodorowe. Często są one również stosowane, jako modyfikatory zdolności ekstrakcyjnej w procesie ekstrakcji za pomocą amin Ekstrakcja kwasu cytrynowego Ekstrakcja kwasu cytrynowego jest jednym z przykładów ekstrakcji kwasów wielokarboksylowych. Podobnie jak w przypadku innych kwasów organicznych, została ona przebadana zarówno pod kątem stosowanych ekstrahentów 80,81 i rozpuszczalników 67,53,80 jak również zbadany został wpływ temperatury 82 oraz kinetyka 51,83,84 procesu ekstrakcji. Ze względu na to, że kwas cytrynowy posiada trzy grupy karboksylowe, na jego przykładzie w bardzo dobry sposób można przedstawić typowe zachowanie się kwasów wielokarboksylowych w procesach ekstrakcji. K. N. P. Rani i współpracownicy 84 oraz B. P. Nikhade i współpracownicy 51 przeprowadzili badania nad ekstrakcją kwasu cytrynowego z użyciem mieszaniny trzeciorzędowych amin (Alamine 336 ) z zastosowaniem MIBK oraz 1-oktanolu, jako rozpuszczalnika. Jak można zauważyć, zarówno dla MIBK oraz 1-oktanolu (Rysunek 8) następuje bardzo wyraźny wzrost stopnia ekstrakcji wraz ze wzrostem zawartości aminy w fazie organicznej. Dla przebadanego zakresu stężeń kwasu cytrynowego w fazie wodnej, w przypadku obydwu zastosowanych rozpuszczalników, wykazano również, że wartość współczynnika naładowania fazy organicznej Z nie zależy od stężenia aminy w fazie organicznej a zależność Z/(1-Z) od stężenia kwasu w fazie wodnej C aq jest linią prostą. Na 80 Bayazit, S. S.; Uslu, H.; Inci, I.; Comerative equilibrium studies for citric acid by LA-2 or tridodecylamine (TDA), J. Chem. Eng. Data., 2009, 54, Koparan, A.; Guvenc, A.; Kapucu, N.; Mehmetoglu, U.; Calimli, A.; Separation process of citric acid with tertiary amines/diluents in supercritical CO 2, Turk. J. Chem., 2001, 25, Bizek, V.; Horacek, J.; Rericha, R.; Kousova, M.; Amine extraction of hydroxycarboxylic acids. 1. Extraction of citric acid with 1-octanol/n-heptane solutions of trialkylamine, Ing. Eng. Chem. Res., 1992, 31, Poposka, F. A.; Nikolovski, K.; Tomovska, R.; Kinetics, mechanism and mathematical modelling of extraction of citric acid with isodecanol/n-paraffins solutions of trioctylamine, Chem. Eng. Sci., 1998, 53, Rani, K. N. P.; Kumar, T. P.; Murthy, J. S. N.; Sankarshana, T.; Vishwanadham B.; Equilibria, kinetics and modeling of extraction of citric acid from aqueous solutions with alamine 336 in 1-octanol, Sep. Sci. Technol., 2010, 45,

39 tej podstawie stwierdzono, że w fazie organicznej powstaje kompleks, gdzie na jedną cząsteczkę kwasu cytrynowego przypada jedna cząsteczka aminy. Rysunek 8. Izotermy ekstrakcji kwasu cytrynowego dla różnych stężeń Alaminy 336 z zastosowaniem MIBK oraz 1-oktnolu jako rozpuszczalników.,,, x - MIBK;,,, oktanol, - 0%, - 10%, - 20%, x+ - 30% Alaminy 336. Opracowano na podstawie 51,84. Porównując uzyskane w tych pracach wyniki dla poszczególnych rozpuszczalników zauważyć można, że nieznacznie lepsze rezultaty otrzymano dla MIBK w porównaniu do 1-oktanolu. W badaniach tych wykazano również, że zastosowanie samych rozpuszczalników do procesu ekstrakcji powoduje, że ekstrakcja zachodzi w znikomym stopniu (współczynniki podziału na poziomie ( ), dając rezultaty kilkaset razy gorsze w porównaniu do ekstrakcji z zastosowaniem najniższego stężenia aminy. S. S. Bayazit wraz ze współpracownikami 80, prowadzili badania nad ekstrakcją kwasu cytrynowego z wykorzystaniem mieszaniny amin drugorzędowych (Amberlite LA- 2 ) oraz tridodecyloaminy z zastosowaniem szeregu rozpuszczalników (1-oktanol, MIBK, toluen, izooktan, cykloheksan). Stwierdzili oni, podobnie jak K. N. P. Rani 84 oraz B. P. Nikhade 51, istotny wpływ zawartości aminy na proces ekstrakcji. Również w tym 39

40 przypadku, niezależnie od zastosowanego rozpuszczalnika obserwuje się wyraźny wzrost stopnia ekstrakcji wraz ze wzrostem stężenia ekstrahentu w fazie organicznej. Wykazano również, że MIBK oraz 1-oktanol zastosowane, jako rozpuszczalniki dają rezultaty kilkukrotnie lepsze w porównaniu do toluenu, cykloheksanu i izooktanu, co potwierdza wcześniejsze rozważania na temat wpływu rozpuszczalnika na proces ekstrakcji kwasów organicznych. V. Bizek wraz ze współpracownikami 82 przebadali ekstrakcję kwasu cytrynowego za pomocą trioktyloaminy z zastosowaniem mieszaniny 1-oktanolu/n-heptanu, o różnym stosunku objętościowym, jako rozpuszczalnika. Wykazali oni, że wraz ze wzrostem zawartości alkoholu w fazie organicznej następuje wzrost wydajności procesu ekstrakcji, do stężenia alkoholu około 20% v/v. Dla zawartości 1-oktanolu powyżej 20% v/v wzrost stopnia ekstrakcji jest już znikomy i jego wartość kształtuje się na stałym poziomie. V. Bizek 82 wykonując widma IR bezwodnego układu amina-kwas oraz porównując go z układem uzyskanym w procesie ekstrakcji pokazali, że dominującą formą kompleksu w fazie organicznej jest kompleks, gdzie amina jest powiązana z kwasem cytrynowym poprzez wiązanie wodorowe (szerokie pasmo przy długości fali 3400 cm -1 ). Porównując intensywność powyższego pasma uzyskanego dla układu bezwodnego i poekstrakcyjnego, oraz wykonując analizę zawartości wody wykazali oni również istnienie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami ekstrahowanego kwasu a cząsteczkami wody w fazie organicznej, co jest związane z przenoszeniem częściowo uwodnionej formy kwasu cytrynowego do fazy organicznej w procesie ekstrakcji. Niewielki wzrost intensywności pików w zakresie cm -1 pokazuje, że w nieznacznym stopniu powstaje również kompleks w postaci pary jonowej. Znaczna zmiana intensywności pików w zakresie cm -1 związana jest z jednej strony z współekstrakcją wody, natomiast z drugiej strony związane jest to z istnieniem kompleksów o stosunku kwasu do aminy równym 1:1 oraz 1:2. Przy czym kompleks 1:1 istnieje w postaci albo asocjatu z wiązaniem wodorowym albo pary jonowej, z przesunięciem w kierunku wiązania wodorowego, natomiast przyłączenie drugiej cząsteczki aminy odbywa się poprzez stworzenie wiązania wodorowego. V. Bizek wraz ze współpracownikami 82 przebadali również wpływ temperatury na proces ekstrakcji kwasu cytrynowego. Jak można było się spodziewać, wraz ze wzrostem temperatury maleje wydajność procesu ekstrakcji. Na podstawie przeprowadzonych 40

41 pomiarów, przy założeniu, że w fazie organicznej powstaje kompleks o zawartości kwasu do aminy 1:1 oraz 1:2, wyznaczono wartości entalpii tworzenia poszczególnych kompleksów. Dla kompleksu 1:1 uzyskano wartość ΔH=-40.3 kj/mol natomiast entalpia przyłączenia drugiej cząsteczki aminy do kompleksu wynosiła ΔH=-15.0 kj/mol. Porównując to z typowymi wartościami entalpii wiązania wodorowego, która wynosi kj/mol zauważyć można, że wartość entalpii dla kompleksu 1:1 jest wyższa od typowej wartości entalpii wiązania wodorowego co oznacza, że w układzie istnieje nieznaczna ilość kompleksu w postaci pary jonowej. Natomiast uzyskana wartość entalpii dla przyłączenia drugiej cząsteczki aminy do kompleksu odpowiada typowym wartościom uzyskiwanym dla wiązań wodorowych. I. Inci oraz H. Uslu wraz ze współpracownikami 67 przeprowadzili badania nad ekstrakcją kwasu cytrynowego z zastosowaniem czwartorzędowej soli amoniowej chlorku trioktylometylo amoniowego (TOMAC) z wykorzystaniem różnego typu rozpuszczalników. W badaniach tych, na przykładzie 1-oktanolu, 1-propanolu oraz 1- dekanolu, jako rozpuszczalników pokazany został wpływ długości łańcucha alkilowego w cząsteczce alkoholu na proces ekstrakcji. Uzyskane wyniki pokazują, że wraz ze wzrostem długości łańcucha alkilowego w cząsteczce rozpuszczalnika maleje wydajność procesu ekstrakcji. Autorzy wykazali również, że wraz ze wzrostem stężenia TOMAC w fazie organicznej w zakresie stężeń od 0.36M do 1.77M, następuje wzrost wydajności ekstrakcji niezależnie od zastosowanego rozpuszczalnika. Porównując wartości współczynników podziału dla poszczególnych rozpuszczalników oraz zawartości ekstrahentu w fazie organicznej wykazano, że wraz ze wzrostem stężenia TOMAC od 0.36M do 1.77M (przy stałym początkowym stężeniu kwasu cytrynowego w fazie wodnej równym 0.42M) następuje wzrost współczynnika podziału od 0.71 do 2.33 dla 1-propanolu, od 0.42 do 1.15 dla 1-oktanolu oraz od 0.26 do 0.71 dla 1-dekanolu. Porównując powyższe wartości stwierdzić można, że wartości współczynników podziału dla 1-propanolu są od 1.7 do 2.8 razy wyższe w porównaniu do 1-oktanolu oraz od 2.0 do 3.3 razy wyższe w porównaniu do 1-dekanolu, w zależności od zastosowanego stężenia TOMAC w fazie organicznej. Powyżej przedstawione rezultaty, otrzymane przez I. Inci oraz H. Uslu 67, dotyczące wpływu długości łańcucha alkilowego w cząsteczkach zastosowanych, jako rozpuszczalniki alkoholi potwierdzają wcześniejsze rozważania na temat wpływu rozpuszczalnika na proces ekstrakcji kwasów organicznych. Jak można było się spodziewać uzyskane, przez autorów wyniki pokazują, że wraz ze wzrostem długości 41

42 łańcucha alkilowego w cząsteczce alkoholu, a tym samym wraz ze wzrostem hydrofobowości rozpuszczalnika stopień ekstrakcji maleje. Jest to związane z tym, że kwas cytrynowy w swojej cząsteczce zawiera trzy grupy karboksylowe oraz jedną grupę hydroksylową, co powoduje, że jest on kwasem silnie hydrofilowym. Taka budowa kwasu cytrynowego sprawia, że w procesie ekstrakcji będzie on lepiej solwatowany przez rozpuszczalniki o większej hydrofilowości, co w powyższym przykładzie objawia się uzyskaniem wyższych wartości współczynników podziału z zastosowaniem 1-propanolu w porównaniu do 1-oktanolu czy 1-dekanolu. 5. Zastosowanie procesów membranowych 5.1. Membrany ciekłe W procesie ekstrakcji ciecz-ciecz stosowane są znaczne objętości ekstrahentów oraz rozpuszczalników organicznych. Powoduje to konieczność operowania dużymi ilościami fazy organicznej, która często bywa lotna i łatwopalna, co w znaczny sposób podwyższa koszt tego procesu. Dlatego też dąży się do zminimalizowania objętości fazy organicznej. W wyniku tego, wraz z badaniami nad zastosowaniem procesów ekstrakcyjnych następował bardzo szybki rozwój badań nad wykorzystaniem membran ciekłych, które pozwalają na znaczne ograniczenie objętości fazy organicznej 85. Ważnymi zaletami procesów membranowych są również łatwość w powiększaniu skali, niskie zużycie energii, jak również prostota prowadzenia procesu Podział membran ciekłych Membrany ciekłe można podzielić na wiele sposobów, w zależności od zastosowanego kryterium 86,87,88. Najczęściej stosowanym kryterium jest konfiguracja i w tym przypadku wyróżnić można następujące rodzaje membran (Rysunek 9): a) ciekłe membrany grubowarstwowe - (Bulk Liqud Membrane - BLM), b) ciekłe membrany podparte (immobilizowane) - (Supported Liqud Membrane - SLM), c) ciekłe membrany emulsyjne - (Emmulsion Liqud Membrane - ELM). 85 Noble, R. D.; Stern, S. A.; Membrane separation technology: principles and aplications, Elsevier, Kislik, V. S.; Liquid membranes principles and applications in chemical separation and wastewater treatment, Elsevier Baker, R. W.; Membrane technology and application, John Wiley & Sons, Wódzki, R.; Membrany teoria i praktyka, Fundacja Rozwoju Wydziału Chemii, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Toruń

43 a) Faza zasilająca Membrana Faza odbirająca b) Faza zasilająca Membrana Faza odbierająca c) Faza zasilająca Faza odbierająca Membrana Rysunek 9. Podział membran ciekłych ze względu na ich budowę 86. a - ciekła membrana grubowarstwowa (BLM), b - ciekła membrana podparta (SLM), c - ciekła membrana emulsyjna (ELM). Ciekłe membrany grubowarstwowe (BLM - Rysunek 9a) składają się z dwóch faz wodnych - zasilającej i odbierającej oddzielonych od siebie fazą organiczną niemieszającą się z fazą wodną. W tym przypadku faza organiczna i wodna może być dodatkowo separowana za pomocą porowatego nośnika nasączonego fazą organiczną lub kontakt pomiędzy fazami może odbywać się bez jego obecności. W przypadku ciekłych membran grubowarstwowych, w literaturze znaleźć można wiele informacji na temat różnego typu ich modyfikacji 86 podobnej budowie jak BLM, a mianowicie: ciekłe membrany hybrydowe (HLM), ciekłe membrany typu hollow-fiber (HFLM), hybrydowe systemy multimembranowe (MHS) oraz wiele innych. Ciekłe membrany grubowarstwowe często stosowane są w badaniach laboratoryjnych, gdzie w odpowiednio skonstruowanym naczyniu zapewnia się kontakt pomiędzy dwiema fazami wodnymi oddzielonymi fazą organiczną. Umożliwia to dokładne kontrolowanie parametrów takich jak stężenie przenoszonych związków czy ph faz wodnych podczas procesu transportu. Kolejnym typem membran są ciekłe membrany podparte (SLM - Rysunek 9b) 86. W przypadku tego typu membran, faza organiczna jest immobilizowana w porach nośnika, rozdzielając od siebie w ten sposób dwie fazy wodne. Proces immobilizacji najczęściej przeprowadza się poprzez zanurzenie porowatej matrycy w rozpuszczalniku organicznym, 43

44 zawierającym odpowiednie związki aktywne. W ten sposób następuje wprowadzenie fazy organicznej w porowatą strukturę matrycy. Do ciekłych membran podpartych zalicza się również ciekłe membrany żelowe, membrany jonowymienne oraz polimerowe membrany inkluzyjne. Trzecim typem membran są ciekłe membrany emulsyjne (ELM - Rysunek 9c ). W przypadku tych membran faza odbierająca (wodna) tworzy emulsję z fazą organiczną, która następnie jest rozproszona w fazie zasilającej (wodna). W ten sposób faza zasilająca i odbierająca rozdzielone są fazą organiczną i nie ma bezpośredniego kontaktu pomiędzy dwiema fazami wodnymi. Umożliwia to selektywny transport związków z jednej fazy do drugiej. W przypadku tego typu membran istotna jest stabilność powstających emulsji tak, aby nie następował ich rozpad podczas kontaktu z fazą zasilającą a jednocześnie był możliwy rozdział fazy odbierającej od organicznej po oddzieleniu od fazy zasilającej Mechanizm transportu Ważną rolę w procesach wydzielania związków z zastosowaniem membran ciekłych odgrywa mechanizm transportu. Wpływa on na selektywność membran, jak również na szybkość transportu wydzielanych związków przez membranę. Wyróżnia się pięć głównych mechanizmów transportu, dzięki którym może zachodzić przenoszenie związków przez membrany ciekłe. Należą do nich (Rysunek 10): a) transport prosty (Rysunek 10 A, B), b) transport ułatwiony prosty (Rysunek 10 C), c) współtransport (Rysunek 10 D), d) przeciwtransport (Rysunek 10 E), e) transport aktywny (Rysunek 10 F). A) B) Faza zasilająca Membrana Faza odbierająca Faza zasilająca Membrana Faza odbierająca S S S S S A SA 44

45 C) D) Faza zasilająca S S Membrana SE E S Faza odbierająca A SA A Faza zasilająca S 2+ 2H + Membrana SE 2 2EH S 2+ Faza odbierająca 2H + S 2+ 2H + E) F) Faza zasilająca Membrana Faza odbierająca Faza zasilająca Membrana Faza odbierająca S + SEA A - 2+ red. S S + SEA 2 2A - A - E S + 2A - E S + ox. S 2+ S + S 2+ A - 2A - Rysunek 10. Mechanizmy transportu związków przez membrany ciekłe. Oznaczenia: S - związek przenoszony, A - - anion, E - przenośnik, H + - kation wodorowy. A) transport prosty, B) transport prosty z reakcją po stronie fazy odbierającej, C) transport ułatwiony prosty, D) współtransport, E) przeciwtransport, F) transport aktywny. Na podstawie 86. W przypadku transportu prostego (Rysunek 10A), związek przenoszony rozpuszcza się w fazie organicznej po stronie zasilającej, następnie dyfunduje przez fazę organiczną i rozpuszcza sie po stronie fazy odbierającej. W przypadku tego mechanizmu transportu, przenoszony związek nie bierze udziału w żadnych reakcjach chemicznych, a w stanie równowagi jego stężenia po stronie zasilającej i odbierającej są sobie równe. Modyfikacją tego procesu jest transport dyfuzyjny z reakcją chemiczną po stronie fazy odbierającej (Rysunek 10B). Dzięki zachodzącej reakcji możliwe jest przesunięcie stanu równowagi w kierunku przeniesienia większej ilości związku z fazy odbierającej do zasilającej. Dodatkowo zachodząca reakcja umożliwia uzyskanie lepszej selektywności względem przenoszonych związków. 45

46 Kolejnym typem transportu jest transport ułatwiony - prosty (Rysunek 10C). W przypadku tego mechanizmu przenoszenia, po stronie zasilającej następuje reakcja pomiędzy związkiem przenoszonym z fazy wodnej a przenośnikiem zawartym w fazie organicznej i stworzenie kompleksu pomiędzy nimi, następnie zachodzi transport związku przenoszonego wewnątrz fazy organicznej i rozpad kompleksu po stronie fazy dobierającej. W przypadku tego mechanizmu transportu jednocześnie zachodzić może również transport dyfuzyjny. Dzięki reakcji pomiędzy związkiem przenoszonym a przenośnikiem, możliwe jest w znacznym stopniu sterowanie selektywnością procesu poprzez dobór odpowiedniego przenośnika. Następnym rodzajem transportu jest przeciwtransport (Rysunek 10D). W tym przypadku następuje reakcja, po stronie fazy zasilającej, pomiędzy transportowanym jonem a przenośnikiem. Następnie dany jon jest przenoszony przez membranę na stronę fazy odbierającej, gdzie następuje rozpad kompleksu i uwolnienie jonu. Jednocześnie, w tym samym czasie, z fazy odbierającej do fazy zasilającej w identyczny sposób transportowany jest jon (najczęściej proton) o tym samym znaku, co umożliwia utrzymanie stałej wartości ładunku po stronie fazy zasilającej i odbierającej. Również w przypadku tego mechanizmu transportu możliwe jest sterowanie jego selektywnością poprzez dobór odpowiedniego przenośnika. Kolejnym mechanizmem transportu jest współtransport (Rysunek 10E). W przypadku tego mechanizmu transportu kation i anion znajdujący się po stronie fazy zasilającej reagują z przenośnikiem zawartym w membranie. Następnie w postaci obojętnego kompleksu są one transportowane do strony fazy odbierającej gdzie następuje ich rozpad i uwolnienie przenoszonego związku do fazy odbierającej. W literaturze znaleźć można również doniesienia na temat transportu aktywnego (Rysunek 10F), gdzie przenoszony związek najpierw ulega reakcji redukcji/utleniania na powierzchni membrany po stronie fazy zasilającej, następnie jest przenoszony przez membranę i ulega utlenieniu/redukcji po stronie fazy odbierającej tym samym przechodząc do tej fazy. Transport ten jest wysoce selektywny pozwalając jedynie na przenoszenie związku, który jest w stanie ulegać odpowiednim reakcją redox w danym układzie. 46

47 Należy zaznaczyć, że zgodnie z nomenklaturą IUPAC 89 transport, w którym dodatek związku aktywnego powoduje wyraźny wzrost szybkości transportu związku przenoszonego przez membranę poprzez oddziaływanie z nim i stworzenie kompleksu, będzie transportem ułatwionym. Do tego typu transportu zaliczany jest zarówno transport gdzie kompleks pomiędzy przenośnikiem i związkiem przenoszonym może przemieszczać się w membranie jak również taki, gdzie przenośnik jest nieruchomo osadzony w membranie a przemieszcza się jedynie związek przenoszony zgodnie z mechanizmem przeskoku (fixed-site jumping). Również transport ułationy - prosty, współtransport, przeciwtransport i transport aktywny są odmianami transportu ułatwionego Charakterystyka i zastosowanie polimerowych membran inkluzyjnych W ostatnim czasie coraz częściej wykorzystywane są w badaniach polimerowych membran inkluzyjnych (PIM) 90,91. Jak pokazuje analiza ilości publikacji dotyczących PIM, pojawiających się w latach , od roku 2000 następuje wyraźny wzrost ilości artykułów dotyczących tego typu membran. Jak widać, jest to temat, który w ostatnich latach cieszy się rosnącym zainteresowaniem (Rysunek 11). 89 International Union of Pure and Applied Chemistry; Terminology for membrane and membrane processes, J. Membr. Scie., 1996, 120, Nghiem, L. D.; Mornane, P.; Potter, I. D.; Perera, J. M.; Cattrall, R. W.; Kolev, S. D.; Extraction and transport of metal ions and small organic compounds using polymer inclusion membranes (PIMs), J. Membr. Sci., 2006, 281, Ines, M.; Almeida, G. S.; Cattrall R. W.; Kolev, S. D.; Recent trends in extraction and transport of metal ions using polymer inclusion membranes (PIMs), J. Membr. Sci., 2012, 415,

48 Rysunek 11. Ilość publikacji dotyczących polimerowych membran inkluzyjnych, jaka pojawiła się w latach liczba publikacji w danym roku, - sumaryczna ilość publikacji, jaka pojawiła się do danego roku (na podstawie bazy Scopus). Polimerowe membrany inkluzyjne otrzymywane są poprzez rozpuszczenie poszczególnych jej składników takich jak matryca polimerowa, plastyfikator oraz przenośnik w rozpuszczalniku organicznym, a następnie odparowaniu rozpuszczalnika i otrzymaniu membrany. Dzięki takiej metodzie, związek aktywny jest wbudowany bezpośrednio w matrycę polimerową, a membrana nie zawiera rozpuszczalnika organicznego, tak jak w przypadku membran SLM. Taki sposób wykonywania membran powoduje, że związek aktywny jest znacznie trudniej wymywany z matrycy polimerowej a polimerowe membrany inkluzyjne charakteryzują się wyższą stabilnością w porównaniu do ciekłych membran podpartych 91. Aktualnie większość publikacji dotyczących PIM związana jest z transportem jonów metali takich jak cynk 92,93,94, chrom 95,96, miedź 97, złoto 98,99, ołów 94,100,101 i wiele 92 Gajda, B.; Skrzypczak, A.; Bogacki, M.B.; Separation of cobalt (II), nickiel (II), zinc (II) and cadmium (II) ions from chloride solution, Physicochem. Probl. Miner. Process., 2011, 46, Kolev, S.D.; Baba, Y.; Cattrall, R.W.; Tasaki, T.; Pereira, N.; Perera, J.M.; Stevens, G.W.; Solid phase extraction of zinc(ii) using a PVC-based polymer inclusion membrane with di(2- ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA) as the carrier, Talanta, 2009, 78,

49 innych 102,103. W publikacjach tych pokazane zostało, że membrany te nadają się do wydzielania różnego typu kationów metali, zachowując przy tym wysoki stopień selektywności oraz charakteryzując się dobrą wydajności procesu. W ostatnich latach pojawiają się również prace dotyczące wykorzystania tego typu membran w transporcie związków organicznych takich jak cukry proste 104, aminokwasy 105, kwasy organiczne 106 i inne 90,107,108. Otrzymywane w nich szybkości transportu związków porównywalne są do szybkości transportu jonów metali, co pokazuje, że nadają się one w równym stopniu zarówno do transportu związków nieorganicznych jak i organicznych to mimo tego, że z 94 Ulewicz, M.; Lesinska, U.; Bochenska, M.; Walkowiak, W.; Facilitated transport of Zn(II), Cd(II) and Pb(II) ions through polymer inclusion membranes with calix[4]-crown-6 derivatives, Sep. Purif. Technol., 2007, 54, Kebiche-Senhadji, O.; Tingry, S.; Seta, P.; Benamor, M.; Selective extraction of Cr(VI) over metallic species by polymer inclusion membrane (PIM) using anion (Aliquat 336) as carrier, Desalination, 2010, 258, Konczyk, J.; Kozlowski, C.; Walkowiak, W.; Removal of chromium(iii) from acidic aqueous solution by polymer inclusion membranes with D2EHPA and Aliquat 336, Desalination, 2010, 263, de Gyves, J.; Hernández-Andaluz, A.M.; Miguel, E.R.D.S.; LIX -loaded polymer inclusion membrane for copper(ii) transport. 2. Optimization of the efficiency factors (permeability, selectivity and stability) for LIX -84 I, J. Membr. Sci., 2006, 268, Argiropoulos, G.; Cattrall, R.W.; Hamilton, I.C.; Kolev, S.D.; Paimin, R.; The study of a membrane for extracting gold(iii) from hydrochloric acid solutions, J. Membr. Sci., 1998, 138, de San Miguel, E.R.; Garduño-García, A.V.; Núñez-Gaytán, M.E.; Aguilar, J.C.; de Gyves, J.; Application of an organic inorganic hybrid membrane for selective gold(iii) permeation, J. Membr. Sci., 2008, 307, Aguilar, J.; Cd(II) and Pb(II) extraction and transport modeling in SLM and PIM systems using Kelex 100 as carrier. J. Membr. Sci., 2001, 190, Arous, O.; Amara, M.; Trari, M.; Bouguelia, A.; Kerdjoudj, H.; Cadmium (II) and lead (II) transport in a polymer inclusion membrane using tributyl phosphate as mobile carrier and CuFeO(2) as a polarized photo electrode. J. Hazard. Mater., 2010, 180, Ansari, S.a.; Mohapatra, P.K.; Manchanda, V.K.; Cation transport across plasticized polymeric membranes containing N,N,N,N -tetraoctyl-3-oxapentanediamide(todga) as the carrier, Desalination, 2010, 262, Benosmane, N.; Hamdi, S.M.; Hamdi, M.; Boutemeur, B.; Selective transport of metal ions across polymer inclusion membranes (PIMs) containing calix[4]resorcinarenes, Sep. Purif. Technol., 2009, 65, Riggs, J.A.; Smith, B.D., Facilitated transport of small carbohydrates through plasticized cellulose triacetate membranes. Evidence for fixed-site jumping transport mechanism, J. Am. Chem. Soc., 1997, 7863, Munro, T.A.; Smith, B.D.; Facilitated transport of amino acids by fixed-site jumping, Chem. Commun., 1997, Matsumoto, M.; Takagi, T.; Kondo, K.; Separation of lactic acid using polymeric membrane containing a mobile carrier, J. Ferment. Bioeng. 1998, 85, Kolev, S.; Paimin, R.; Sakai, Y.; Cattrall, R.; Potter, I.; Transport of thiourea through an Aliquat 336/polyvinyl chloride membrane. Separ. Sci. Technol., 2000, 35, Sakai, Y.; Kadota, K.; Hayashita, T.; Cattrall, R.W.; Kolev, S.D.; The effect of the counter anion on the transport of thiourea in a PVC-based polymer inclusion membrane using capriquat as carrier, J. Membr. Sci., 2010, 346,

50 roku na rok pojawia się coraz więcej informacji na temat wykorzystania PIM do transportu związków organicznych, nadal jest to zagadnienie przebadane w bardzo małym stopniu, wymagające jeszcze bardzo wielu badań, zanim znajdą one zastosowanie. W wielu pracach pokazane zostało, że na szybkość oraz selektywność transportu związków przez polimerowe membrany inkluzyjne wpływa wiele czynników, takich jak: zastosowany przenośnik, rodzaj zastosowanego plastyfikatora oraz matrycy polimerowej. Istotne znaczenie odgrywają również takie parametry jak skład fazy zasilającej i odbierającej, ph czy temperatura prowadzenia procesu. Dzięki specyficznej preparatyce, polimerowe membrany inkluzyjne znajdują zastosowanie w transporcie tak zróżnicowanych typów związków jak jony metali, cukry proste, aminokwasy, kwasy organiczne oraz wiele innych. Wiąże się to z tym, że membrany te charakteryzują się znaczną elastycznością w doborze ich składu (matrycy polimerowej, związku aktywnego, plastyfikatora), co bezpośrednio przekłada się na ich zdolność do transportu poszczególnych związków. Dobór odpowiedniego składu membrany pozwala na osiągnięcie znacznych szybkości transportu oraz wysokiej selektywności przez PIM Wpływ matrycy polimerowej na transport związków przez polimerowe membrany inkluzyjne Jednym z podstawowych składników polimerowych membran inkluzyjnych jest matryca polimerowa. W zależności od pozostałego składu membrany i transportowanych związków, matryca polimerowa w różnym stopniu może wpływać na szybkość transportu. Znaleźć można publikacje, gdzie pokazane zostało, że wybór matrycy polimerowej w istotny sposób wpływa na transport 88,95, jak również takie, gdzie pokazano, że wpływ ten jest bardzo mały 95. Wybór polimeru bazowego ma również istotny wpływ na wytrzymałość mechaniczną membrany. Aktualnie w większości prowadzonych badań wykorzystywane są głównie matryce z polichlorku winylu (PVC) 108,109,110 lub trójoctanu celulozy (CTA) 111,112,113 ale, pojawiają się również prace z wykorzystaniem innych 109 Wang, L.; The extraction of cadmium(ii) and copper(ii) from hydrochloric acid solutions using an Aliquat 336/PVC membrane, J. Membr. Sci., 2000, 176, Kolev, S.; Theoretical and experimental study of palladium(ii) extraction from hydrochloric acid solutions into Aliquat 336/PVC membranes. Anal. Chim. Acta, 2000, 413, Kozłowski, C.A.; Kinetics of chromium(vi) transport from mineral acids across cellulose triacetate (CTA). Plasticized membranes immobilized by tri-n-octylamine, Ind. Eng. Chem. Res., 2007, 46,

51 pochodnych celulozy 114,115 czy polichlorku winylu 114 oraz publikacje, gdzie zastosowano polidifluorek winylidenu (PVDF) 116,117. Stosowanie PVC i CTA, jako podstawowych polimerów do produkcji PIM wiąże się z faktem, że są one kompatybilne z większością związków aktywnych oraz plastyfikatorów stosowanych przy produkcji tego typu membran. Polimery te charakteryzują się wysoką wytrzymałością mechaniczną a przygotowanie membran z ich wykorzystaniem jest stosunkowo proste. Badania nad polimerowymi membranami inkluzyjnymi uległy intensyfikacji dopiero w ostatnim czasie i skupiają się głównie na badaniu zdolności do wydzielania poszczególnych związków z fazy wodnej, oraz na wpływie stosowanych związków aktywnych i plastyfikatorów. Pokazuje to również, że temat ten wymaga jeszcze wielu badań w celu lepszego poznania procesu. Stosowane polimery bazowe wykazują właściwości termoplastyczne. Zbudowane są one z prostych nierozgałęzionych i niepowiązanych wzajemnie łańcuchów polimerowych. Umożliwia to łatwe rozpuszczanie się polimeru w rozpuszczalniku organicznym, co powoduje rozdzielenie poszczególnych łańcuchów polimerowych. Podczas odparowywania rozpuszczalnika następuje "plątanie się" łańcuchów polimerowych oraz wzrost oddziaływań międzycząsteczkowych, co skutkuje powstawaniem membran o dobrych właściwościach mechanicznych. Jak zostało wspomniane wcześniej, najczęściej stosowanymi polimerami bazowymi są trójoctan celulozy oraz polichlorek winylu. CTA charakteryzuje się znaczą zawartością grup hydroksylowych oraz acetylowych, co skutkuje tworzeniem znacznej ilości, silnie 112 Kim, J.S.; Kim, S.K.; Ko, J.W.; Kim, E.T.; Yu, S.H.; Cho, M.H.; Kwon, S.G.; Lee, E.H.; Selective transport of cesium ion in polymeric CTA membrane containing calixcrown ethers, Talanta, 2000, 52, Kebiche-Senhadji, O.; Mansouri, L.; Tingry, S.; Seta, P.; Benamor, M.; Facilitated Cd(II) transport across CTA polymer inclusion membrane using anion (Aliquat 336) and cation (D2EHPA) metal carriers, J. Membr. Sci., 2008, 310, Pereira, N.; Stjohn, a.; Cattrall, R.; Perera, J.; Kolev, S.; Influence of the composition of polymer inclusion membranes on their homogeneity and flexibility, Desalination 2009, 236, Gardner, J. S.; Walker, J. O.; Lamb, J. D.; Permeability and durability effects of cellulose polymer variation in polymer inclusion membranes, J. Membr. Sci., 2004, Guo, L.; Liu, Y.; Zhang, C.; Chen, J.; Preparation of PVDF-based polymer inclusion membrane using ionic liquid plasticizer and Cyphos IL 104 carrier for Cr(VI) transport, J. Membr. Sci., 2011, 372, Guo, L.; Zhang, D.; Liu, Y.; Chen, J.; Preparation of poly(vinylidene fluoride-co-tetrafluoroethylene)- based polymer inclusion membrane using bifunctional ionic liquid extractant for Cr (VI) transport, Ind. Eng. Chem. Res., 2012, 51,

52 zorientowanych wiązań wodorowych. W przeciwieństwie do CTA, polichlorek winylu zawierający grupy funkcyjne C-Cl charakteryzuje się średnią polarnością i słabymi oddziaływaniami pomiędzy łańcuchami polimerowymi. Taka budowa polimeru skutkuje tym, że CTA ulega w znacznym stopni krystalizacji, natomiast PVC jest polimerem amorficznym o małym stopniu krystalizacji. Obecność znacznej ilości grup hydroksylowych i acetylowych w przypadku CTA skutkuje również tym, że polimer ten, w przeciwieństwie do PVC charakteryzuje się znaczą hydrofilowością, a tym samym ulegać może hydratacji. Taka budowa CTA powoduje, że polimer ten może być niekompatybilny z przenośnikami o charakterze hydrofobowym, w szczególności, gdy są stosowane znaczne stężenia związku aktywnego. Jednakże obecność znacznej ilości grup hydroksylowych oraz acetylowych, a tym samym tworzeniem wiązań wodorowych pomiędzy nimi skutkuje bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi takich membran, co w znacznym stopniu ułatwia preparatykę PIM oraz pozwala na tworzenie membran o bardzo małej grubości, jednocześnie będących wystarczająco wytrzymałymi, aby można było je stosować. W. Walkowiak i współpracownicy 88 zbadali transport jonów chromu(vi) - HCrO 4 z 0.1M roztworu kwasu solnego z zastosowaniem trioktyloaminy jako przenośnika, eteru orto-nitrofenylopentylowego (ONPPE) jako plastyfikatora oraz CTA i PVC jako matryce polimerowe. Pokazali oni, że trójoctan celulozy, w porównaniu do polichlorku winylu, daje lepsze rezultaty transportu jonów chromu (Tabela 2). Różnica pomiędzy tymi dwiema matrycami jest szczególnie widoczna dla niższych stężeń przenośnika w membranie. Natomiast wraz ze wzrostem zawartości TOA różnica ta jest coraz mniejsza i dla najwyższego stężenia przenośnika szybkość transportu jest prawie identyczna dla obydwu zastosowanych matryc polimerowych. Tabela 2. Parametry transportu jonów chromu(vi) z zastosowaniem CTA oraz PVC, jako matryc polimerowych 88. Faza zasilająca: stężenie początkowe chromu(vi) M w 0.10 M HCl, faza odbierająca: 0.10 M roztwór NaOH. PIM: 0.80 cm 3 ONPPE/1.0 g matrycy. * - stężenie TOA wyrażone w przeliczeniu na objętość plastyfikatora. CTA PVC Stężenie TOA* [mol/dm 3 ] Współczynnik przepuszczalności P 10 6 [m/s] Strumień początkowy J 10 6 [mol/m 2 s] Współczynnik przepuszczalności P 10 6 [m/s] Strumień początkowy J 10 6 [mol/m 2 s]

53 J. S. Gardner 115 wraz ze współpracownikami zbadali wpływ matrycy polimerowej, na przykładzie różnych pochodnych celulozy (trójoctan celulozy (CTA), octan propionian celulozy (CAP), octan maślan celulozy (CAB) o dwóch różnych stosunkach zawartości grup acetylowych i maślanowych) na szybkość transportu jonów potasu przez PIM, jak również zbadali odporność poszczególnych polimerów na hydrolizę w środowisku kwasowym (3.0M HNO M KNO 3 ) i zasadowym (3.0M KOH). Wykazali oni, że wraz ze wzrostem długości łańcucha podstawnika w pochodnych celulozy następuje spadek szybkości transportu jonów potasu. Jednocześnie wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego w podstawniku następuje wzrost odporności poszczególnych polimerów na hydrolizę kwasową i zasadową (Tabela 3). Autorzy wykazali również, że przebadane polimery charakteryzują się znacznie wyższą odpornością na hydrolizę kwasową w porównaniu do hydrolizy zasadowej. Tabela 3. Wpływ budowy matrycy polimerowej, na przykładzie pochodnych celulozy, na transport jonów potasu przez polimerowe membrany inkluzyjne 115. Faza zasilająca: 0.154M KNO 3 oraz 0.086M LiNO 3, faza odbierająca: woda demineralizowana. PIM: plastyfikator - ONPOE, przenośnik bis-tert-butylcykloheksano-18-korona-6. CAB (A) CAP CAB (B) CTA M n wt.% grup acetylowych wt.% grup propionylowych wt.% grup butyrylowych Hydroliza kwasowa czas (dni) >65 >65 > Hydroliza zasadowa czas (dni) Współczynnik przepuszczalności P 10 6 [m/s] Strumień początkowy J 10 6 [mol/m 2 s] Wpływ rodzaju oraz zawartości plastyfikatora na transport związków przez polimerowe membrany inkluzyjne Kolejnym składnikiem, który odgrywa ważną rolę w polimerowych membranach inkluzyjnych jest plastyfikator. Jego głównym zadaniem jest wnikanie w strukturę polimerowej matrycy i neutralizacja grup polarnych polimeru, a tym samym redukcja oddziaływań pomiędzy polimerowymi łańcuchami oraz poprawa kompatybilności pomiędzy polimerową matrycą a przenośnikiem 90. Plastyfikator nadaje również 53

54 membranie odpowiednią elastyczność. Jako plastyfikatory stosowana jest szeroka gama związków takich jak: eter orto-nitrofenylopentylowy 88,118 (ONPPE) oraz eter ortonitrofenyloktylowy 104,115 (ONPOE), które aktualnie są jednymi z najpowszechniej stosowanych plastyfikatorów. Stosowane są również estry kwasu fosforowego 104,119,120,121,, estry i etery alkilo-polioksyetylenowane 90 i wiele innych 90,122,118,123. Rysunek 12 przedstawia wzory strukturalne kilku powszechnie stosowanych plastyfikatorów. Część stosowanych związków takich, jak na przykład czwartorzędowe sole amoniowe czy estry kwasu fosforowego mogą zarówno spełniać rolę plastyfikatora jak i przenośnika 120,124,125. Ważną rolę w polimerowych membranach inkluzyjnych odgrywa stężenie plastyfikatora. Zbyt niska jego zawartość może powodować, że membrana będzie krucha, co jest związane z efektem antyuplastyczniającym 90, natomiast zbyt wysoka jego zawartość może prowadzić do tego, że nastąpi jego wydzielenie się na powierzchni membrany, co powoduje dodatkowy opór w transporcie związków 97. Dodatkowo, zbyt duża zawartość plastyfikatora powoduje również znaczne pogorszenie właściwości mechanicznych membrany 126,127, co może spowodować, że membrana nie będzie nadawać 118 Kozłowski, C. A.; Walkowiak, W.; Applicability of liquid membranes in chromium(vi) transport with amines as ion cerriers, J. Membr. Sci., 2005, 266, de San Miguel, R. E.; Hernandez-Andaluz, A. Ma.; Banuelos, J. G.; Saniger, J. M.; Aguilar, J. C.; de Gyves, J., LIX -loaded polymer inclusion membrane for cooper (II) transport. 1. Compositionperformance relationships through membrane characterization and solubility diagrams, Mater. Sci. Eng., A, 2006, 434, Mohaparta, P. K.; Lakshmi, D. S.; Bhattacharyya, A.; Manchanda V. K., Evaluation of polymer inclusion membranes containing crown ethers for selective cesium separation from nuclear waste solution, J. Hazard. Mater., 2009, 169, Bhattacharyya, A.; Mohaparta, P. K.; Hassan, P. A.; Manchanda V. K., Studies on the selective Am+ transport, irradiation stability and surface morphology of polymer inclusion membranes containing Cyanex -301 as carrier extractant, J. Hazard. Mater., 2011, 192, Oberta, A.; Wasilewski, J.; Wódzki, R.; Structure and transport properties of polymer inclusion membranes for Pb (II) separation, 2011, Desalination, 271, Gardner, J. S.; Peterson, Q. P.; Walker, J. O.; Jensen, B. D.; Adhikary, B.; Harrison, R. G.; Lamb. J. D.; Anion transport through polymer inclusion membranes facilitated by transition metal containing carriers, J. Membr. Sci., 2006, 277, Xu, J.; Paimin, R.; Shen, W; Wang, X.; A novel polymer membrane for extraction application, Fibers Polym., 2002, 3, Blitz-Raith, A. H.; Paimin, R.; Cattrall, R. W.; Kolev, S. D., Separation of cobalt (II) from nickiel (II) by solid-phase extraction into Aliquat 336 chloride immobilized in poly(vinyl chloride), Talanta, 2007, 71, Gibbons, W. S.; Kusy, R. P.; Influence of plasticizer confugrational changes on the mechanical properties of highly plastcized poly(vinyl chloride), Polymer, 1998, 39, Gibbons, W. S.; Patel, H. M.; Kusy, R. P.; Effect of plasticizers on the mechanical properties of poly(vinyl chloride) membranes for electrodes and biosensors, Polymer, 1997, 38,

55 się do użytku. Dobór odpowiedniej ilości plastyfikatora w membranie wiąże się również z jego kompatybilnością z zastosowaną matrycą polimerową. O O C 8 H 17 O C 8 H 17 NO 2 Eter 2-nitrofenylooktylowy (2-NPOE) O C 8 H 17 O Ftalan dioktylu (DOP) R O C 2 H 4 OH x Eter polioksyetyloalkilowy (POEs) (R=C n H 2n+1 ) O O C 8 H 17 O C CH 2 4 C O C 8 H 17 Adypinian dioktylu (DOA) O C 8 H 17 O P O C 8 H 17 O C 8 H 17 Fosforan tri-2-etyloheksylu (T2EHP) Rysunek 12. Wzory strukturalne przykładowych plastyfikatorów stosowanych w PIM. W wielu pracach pokazane zostało, że wraz ze wzrostem zawartości plastyfikatora w membranie szybkość transportu jonów metali rośnie 128,97,129. Jednakże po przekroczeniu pewnej wartości optymalnego stężenia następuje spadek szybkości transportu jonów przez PIM 97,130,131. J. de Gyves wraz ze współpracownikami badając wpływ zawartości plastyfikatora - TBEP (fosforan tri(2-n-butoksyetylowy)) na szybkość transportu jonów 128 Kusumacahyo, S. P.; Kanamori, T.; Sumaru, K.; Aomatsu, S.; Matsuyama, H.; Teramoto, M.; Shinbo, T., Development of polymer inclusion membranes on cellulose triacetate: Carrier-mediated transport of cerium (III), J. Membr. Sci., 2004, 244, Gherrou, A.; Kerdjoudj, H.; Molinari, R.; Seta, P.; Preparation and characterization of polymeric plasticized membranes (PPM) embedding a crown ether carrier application to cooper ions transport, Matter. Sci. Eng., 2005, C25, Ulewicz, M.; Radzymińska-Lenarcik, E., Application of supported and polymer membrane with 1 decyl- 2-methylimidazole for separation of transition metal ions, Physicochem. Probl. Mineral. Process., 2012, 48, Fontas, C.; Tayeb, R.; Tingry, S.; Hidalgo, M.; Seta, P.; Transport of platinum(iv) through supported liquid membrane (SLM) and polymeric plasticized membrane (PPM), J. Membr. Sci., 2005, 263,

56 miedzi(ii) z zastosowaniem LIX 84-I jako przenośnika oraz CTA jak matrycy polimerowej, wykazali, że wraz ze wzrostem zawartości plastyfikatora od 0% do około 20% następował wzrost szybkości transportu jonów miedzi (Rysunek 13). Dalsze zwiększanie zawartości plastyfikatora, powyżej 30% skutkowało zmniejszeniem szybkości transportu. Rysunek 13. Zależność współczynnika przepuszczalności P od stężenia plastyfikatora TBEP w membranie 97. Faza zasilająca: 20ppm Cu(II), 0.025M bufor octanowy o ph=5, faza odbierająca: 1M H 2 SO 4. PIM: matryca - CTA, przenośnik - LIX 84-I, plastyfikator - TBEP. Ważnym parametrem związanym z doborem odpowiedniego plastyfikatora jest jego lepkość 132,133, oraz stała dielektryczna 118,132. Jak można się spodziewać wzrost lepkości plastyfikatora powoduje spadek szybkości transportu przez polimerowe membrany inkluzyjne, co jest związane za spadkiem szybkości dyfuzji związku przenoszonego przez membranę. Stała dielektryczna również wpływa w istotny sposób na zdolność PIM do transportu jonów. Wraz ze wzrostem stałej dielektrycznej następuje 132 Scinada, Y. M.; Pandey, A. K.; Reddy, A. V. R.; Coupled-diffusion transport of Cr (VI) across anionexchange membranes prepared by physical and chemical immobilization methods, J. Membr. Sci., 2005, 249, Kozłowski, C. A.; Walkowiak, W.; Transport of Cr(VI), Zn(II), Cd(II) ions across polymer inclusion membranes with tridecyl(pyridine) oxide and tri-n-octylamine, Sep. Sci. Technol., 2004, 39,

57 wzrost szybkości transportu jonów przez PIM. Wiąże się to z faktem, że wraz ze wzrostem stałej dielektrycznej następuje wzrost polarności membrany, co skutkuje lepszymi warunkami do kompleksowania jonów metali przez przenośnik. Należy jednak zwrócić tutaj uwagę na to, że nie tylko istotna jest lepkość oraz stała dielektryczna plastyfikatora, ale również pozostałych składników membrany. Tabela 4 przedstawia zebrane wartości lepkości oraz stałej dielektrycznej powszechnie stosowanych plastyfikatorów 91. Tabela 4. Wartości stałej dielektrycznej i lepkości powszechnie stosowanych plastyfikatorów. Na podstawie 91. Plastyfikator Stała dielektryczna ε Lepkość λ [cp] Eter nitrofenylo oktylowy (NPOE) Eter nitrofenylo pentylowy (NPPE) Bis-(2etyloheksylo)adypinian (DOA) Ftalan dibutylu (DBP) Tri-(2-etyloheksylo)fosforan (TEHP) Sebacynian dibutylu (DBS) Tri-(2-butoksyetylo)fosforan (TBEP) Eter 2-fluorofenylo 2-nitrofenylowy (2- FP2-NPE) Ftalan dioktylu (DOP) Fosforan tributylu (TBP) Benzoesan etylu (EB) Oktanian nitrofenylowy (NPOT) R. A. Bartsch wraz ze współpracownikami 134 zbadali wpływ długości łańcucha alkilowego (od n-c 4 H 9 do n-c 8 H 17 ) eterów o-nitrofenylo alkilowych na transport litowców z eterem lariatowym 17, jako przenośnikiem jonów (Rysunek 14). Jak zostało pokazane, całkowity strumień litowców maleje liniowo wraz ze wzrostem długości podstawniku w membranie. Efekt taki spowodowany może być tym, że wraz ze zmianą długości łańcucha alkilowego w eterze następuje wzrost lepkości plastyfikatora. 134 Bartsch, R. A.; Heo, G. S.; Kang, S. I.; Liu, Y.; Strzelbicki, J.; Synthesis and acidity of crown ethers with pendant carboxylic acid groups, J. Org. Chem., 1982, 47,

58 Rysunek 14. Wpływ długości łańcucha alkilowego w eterach o-nitrofenylo alkilowych na transport litowców z eterem lariatowym 17, jako przenośnikiem jonów. Na podstawie 134. Podobne zależności pokazali C. A. Kozłowski i W. Walkowiak 133 oraz Y. M. Scindia wraz z współpracownikami 132 (Rysunek 15) badając transport Cr(VI) z zastosowaniem różnego typu plastyfikatorów (ONPOE, ONPPE, T2EHP, DOS, DOP (ftalan dioktylu), DOTP (bis-(2etylheksyl)tereftalan), TCP (fosforan tritolilu), DOA). Dla szeregu przebadanych plastyfikatorów wykazali oni, że zarówno w przypadku zastosowania CTA jak i PVC, jako matryc polimerowych, następował liniowy spadek strumienia jonów Cr(VI) wraz ze wzrostem lepkości użytego plastyfikatora. Jednak zauważyć można (Rysunek 15), że ONPOE charakteryzuje się wyższą wartością strumienia jonów Cr(VI) niż wynikałoby to z zależności liniowej, jak dla pozostałych przedstawionych plastyfikatorów. W tym przypadku ONPOE charakteryzuje się wyższą wartością strumienia w porównaniu do T2EHP, który ma podobną lepkość. Autorzy sugerują, że w tym przypadku jest to spowodowany tym, że ONPOE charakteryzuje się znacznie wyższą stałą dielektryczną (ε ONPOE =24, ε T2EHP =4.8). Podobne zależności wykazał Sugiura i Kikkawa 135 badając transport jonów cynku(ii) przez PIM. 135 Sugiura, M.; Kikkawa, M.; Effect of plasticizer on carrier-mediatedtransport of zinc ion through cellulose triacetate membranes, Sep. Sci. Technol. 1987, 22,

59 Rysunek 15. Zależność współczynnika przepuszczalności od lepkości zastosowanego plastyfikatora. Faza zasilająca: 1.8 μm roztwór Cr(VI) o ph=2, faza odbierająca: 1M NaNO3, PIM: 40% CTA, 40% plastyfikator, 20% przenośnik - Aliquat 336. Na podstawie 132. Kozłowski i Walkowiak 118 zbadali wpływ zastosowanego plastyfikatora (ftalan dibutylu - ε=4, adypinian bis(2-etyloheksylowy) - ε=5, eter ort-nitrofenylo pentylowy - ε=24) na szybkość transportu jonów chromu(vi) przez polimerowe membrany inkluzyjne. Pokazali oni, że maleje ona w kolejności ONPPE>DEHA>DBP, co wytłumaczone zostało różnicą wartości stałej dielektrycznej poszczególnych związków. Jak widać w przytoczonych przykładach, na szybkość transportu związków przez PIM, wpływa zarówno stała dielektryczna zastosowanego plastyfikatora jak również jego lepkość. W wielu przypadkach trudno jest rozróżnić, który z tych parametrów ma większy wpływ Wpływ rodzaju zastosowanego przenośnika na transport związków przez polimerowe membrany inkluzyjne Głównym czynnikiem mającym wpływ na szybkość jak i selektywność transportu związków przez PIM jest zastosowany przenośnik. Jako przenośniki wykorzystywana jest szeroka gama związków, które powszechnie używane są w procesach ekstrakcyjnych. 59

60 Należą do nich związki o charakterze zasadowym, kwasowym, obojętnym oraz związki makrocząsteczkowe. Do najczęściej stosowanych związków zasadowych należą czwartorzędowe sole amoniowe (Aliquat 336, TOMAC i inne), aminy (TOA, tridecylo amina (TDA) i inne), imidazole i ich pochodne oraz wiele innych (Tabela 5). Są one powszechnie wykorzystywane zarówno w procesach transportu jonów metali jak również związków organicznych. Tabela 5. Przykładowe związki zasadowe powszechnie stosowane, jako przenośniki w PIM wraz z przykładami ich wykorzystania. Substancji czynna / nazwa Typ przenośnika Zastosowanie handlowa Sole amoniowe Aminy Aliquat 336 Cr(VI) 136, As(V) 137 TOMAC aminokwasy 105, , 138, cukry TOA Cr(VI) 111,118, Cu(II) 139, Co(II) 139, Ni(II) 139 TDA Cr(VI) 118, TBA Cr(VI) 118, Imidazole 1-alkiloimidazole Cu(II) 130, Co(II) 130, Ni(II) 130, Zn(II) 130 Kolejną grupą przenośników są związki aktywne o charakterze kwasowym i chelatującym (Tabela 6). Należą do nich kwasy fosforoorganiczne (D2EHPA, Cyanex 272, Cyanex 302 i inne), kwasy sulfonowe (kwas dinonyloftalano sulfonowy (DNSA), kwas dinonylonaftalenodisulfonowy (DNDSA)), hydroksyoksymy (LIX 84-I, LIX 984, LIX ) i hydroksychinoliny (Kelex 100) oraz wiele innych. Związki te wykorzystywane są głównie w badaniach nad transportem różnego typu jonów metali. 136 Gherasim, C. V.; Bourceanu, G.; Olariu, R. I.; Arsene, C.; A novel polymer inclusion membrane applied in chromium (VI) separation from aqueous solution, J. Hazard. Mater., 2011, 197, Guell, R.; Antico, E.; Kolev, S. D.; Benavente, J.; Salvado, V.; Fontas, C., Development and characterization of polymer inclusion membranes for the separation and speciation of inorganic As species, J. Membr. Sci., 2011, 383, Smith, B. D.; Gardiner, S. J.; Munro, T. A.; Paugam, M. F.; Riggs, J. A.; Facilitated transport of carbohydrates, catecholamines, and amino acids through liquid and plasticized organic membranes, J. Inclus. Phenom. Mol., 1998, 32, Pośpiech, B.; Walkowiak, W.; Separation of copper(ii), cobalt(ii) and nickiel(ii) from chloride solution by polymer inclusion membrane, Sep. Purif. Technol., 2007, 57,

61 Tabela 6. Związki kwasowe i chelatujące powszechnie stosowane, jako przenośniki w PIM wraz z przykładami ich wykorzystania. Substancji czynna / nazwa Typ przenośnika Zastosowanie handlowa Kwasy alkilofosforowe D2HPA Cyanex 272 Cu(II) 140, U(VI) , 143, Cd(II) Zn(II) 143,144, Cd(II) 143, Pb(II) 143 Kwasy alkilotiofosfoniowe Cyanex 301 Cyanex 302 Zn(II) 143,145, 146, Cd(II) 143,145, 143, 145 Pb(II) Kwasy sulfonowe DNSA DNDSA Co 60 (II) 147,, Sr 90 (II), Cs 137 (I) H +148 Hydroksyoksymy i Hydroksychinoliny LIX 84-I LIX 984 Kelex 100 Cu(II) 97,119 Następną grupę związków stosowanych, jako przenośniki w membranach PIM, tworzą związki neutralne oraz solwatujące. Należą do nich estry kwasu fosforowego (TBP) oraz fosfinowego (TOPO, tlenek oktylo(fenylo)-n,n- 140 Kavitha,N.; Palanivelu, K., Recovery of cooper(ii) through polymer inclusion membrane with di(2- ethylhexyl) phosphoric acid as carrier from e-waste, J. Membr. Sci., 2012, 415, St John, A. M.; Cattrall, R. W.; Kolev, S. D., Transport and separation of uranium(vi) by a polymer inclusion membrane based on di(2-ethylhexyl) phosphoric acid, J. Membr. Sci., 2012, 409, Arous, O.; Saoud, F. S.; Amara, M.; Kerdjoudj, H., Efficient facilitated transport of lead and cadmium across a plasticized triacetate membrane mediated by D2EHPA and TOPO, Mater. Sci. Appl., 2011, 2, Kozłowska, J.; Kozłowski, C.; Kozioł, J. J.; Transport of Zn(II), Cd(II) and Pb(II) across CTA plasticized membranes containing organophosphorus acids as an ion carries, Sep. Purif. Technol., 2007, 57, Yilmaz, A.; Arslan, G.; Tor, A.; Akin, I.; Selectively facilitated transport of Zn(II)through a novel polymer inclusion membrane containing Cyanex 272 as a carrier reagent, Desalination, 2011, 277, Kozłowski, C. A.; Facalitated transport of metal ions through composite and polymer inclusion membranes, Desalination, 2006, 198, Kołodziejska, M.; Kozłowski, C.; Ulewicz, M.; Separation of lead(ii) and cooper(ii) by plasticizers membranes with sulphur analogus of phoshponic acids as carriers, Physicochem. Probl. Miner. Process., 2013, 49, Kozłowski, C. A.; Walkowiak, W.; Competetive transport of cobalt-60, strontium-90 and cesium-137 radioisotops across polymer inclusion membranes with DNNS, J. Membr. Sci., 2007, 297, Ocampo, A. L.; Aguilar, J. C.; Miguel, E. R. D.; Monroy, M.; Roquero, P.; de Gyves, J.; Novel protonconducting polymer inclusion membranes, J. Membr. Sci., 2009, 326,

62 diizobutylokarbamoilometylofosfinowy (CMPO)), ciecze jonowe (Cyphos IL 101, Cyphos IL 102, Bif-ILEs). Tabela 7. Związki obojętne i solwatujące, powszechnie stosowane, jako przenośniki w PIM wraz z przykładami ich wykorzystania. Typ przenośnika Substancji czynna / nazwa handlowa Zastosowanie Estry kwasu fosforowego i fosfoniowego TBP TOPO Cd(II) 101, Pb(II) 101 Cd(II) 142, Pb(II) 142 Cyphos IL 101, 102, 104 Zn(II) 149, Cr(VI) 116 Ciecze jonowe TOMAC 150 RO 4 fosfoniowe ciecze jonowe Zn(II) 151 Inne TODGA La(III) 102, Eu(III) 102, Lu(III) 102 Ostatnią grupą związków stosowanych, jako przenośniki w PIM są związki makrocykliczne i makrocząsteczkowe (etery koronowe, kaliksareny i inne). Wykorzystywane są one w transporcie jonów metali, co wiąże się z ich wysoką selektywnością do kompleksowania poszczególnych jonów w zależności od zastosowanego związku. Jednakże związki te są znacznie droższe i bardziej skomplikowane w syntezie w porównaniu do innych przenośników, co może w znacznym stopniu wpływać na ograniczenie możliwości ich zastosowania w większej skali. 149 Kogelnig, D.; Regelsberger, A.; Stojanovic, A.; Jirsa, F.; Krachler, R.; Keppler, B. K.; A polymer inclusion membranes base on the ionic liquid trihexyl(tetradecyl)phosphonium chloride and PVC for solid-liquid extraction of Zn(II) from hydrochloric acid solution, Monatsh. Chem., 2011, 142, Nowik-Zając, A.; Kozłowski, C.; Walkowiak, W.; Transport of perrhenate anons accors plasticizer membranes with basic ion carriers, Physicochem. Probl. Miner. Proess., 2010, 44, Nowak, Ł.; Regel-Rosocka, M.; Marszałkowska, B.; Wiśniewski, M,; Removal of Zn(II) from chloride acid solution with hydrophobic quaternary salts, Pol. J. Chem. Tech., 2010, 12,

63 Tabela 8. Związki makrocząsteczkowe, powszechnie stosowane, jako przenośniki w PIM wraz z przykładami ich wykorzystania. Substancji czynna / nazwa Typ przenośnika Zastosowanie handlowa Kaliks[4]-bis-2,3-nafto-korona-6 Cs(I) 152 Etery koronowe Undecylo-azo-18-korona-6 K(I) 153 Kaliksareny Pochodne p-tert-butylkaliks[4]arenu Pb(II) 154 Kaliksrezorcyny Pochodne kaliks[4]rezorcyny Zn(II) 103, Cd(II) 103, Pb(II) Wpływ stężenia przenośnika oraz mechanizm transportu związków przez polimerowe membrany inkluzyjne Podobnie jak w przypadku plastyfikatorów, jednym z podstawowych parametrów wpływających na szybkość transportu przenoszonych związków przez PIM jest stężenie przenośnika w membranie. Jak pokazane zostało przez wielu autorów, wraz ze wzrostem jego zawartości następuje wzrost szybkości transportu przez PIM 103,155,156,118, osiągając maksimum dla optymalnej ilości przenośnika w membranie (zależnej od rodzaju zastosowanego przenośnika, rodzaju i ilości plastyfikatora, typu matrycy polimerowej itp.). Dalszy wzrost stężenia przenośnika może nie wpływać 157,158 na transport lub prowadzić do spadku szybkości transportu Raut, D. R.; Kandwal, P.; Rebello, G.; Mohaparta, P. K.; Evaluation of polymer inclusion membranes containing calix[4]-bis-2,3-naphto-crown-6 for Cs recovery from acidic feeds: transport behavior, morphology and modeling studies, J. Membr. Sci., 2012, 407, Lamb, J. D.; West, J. N.; Shaha, D. P.; Johnson, J. C.; An evaluation of polymer inclusion membrane performance in facilitated transport with sequential membrane reconstitution, J. Membr. Sci., 2010,365, Ulewicz, M.; Lesińska, U.; Bocheńska, M.; Transport of lead accros polymer inclusion membrane with p- tert-butylcalix[4]arene derivative, Physicochem. Probl. Miner. Proess.,2010, 44, Murai, Y.; Asaoka, S.; Yoshikawa, M.; Polymeric pseudo-liquid membrane as stable liquid membrane evidence for carrier-diffusion mechanism, J. Membr. Sci., 2011, 380, de San Miquel, E. R.; Garduno-Garcia, A. V.; Aguilar, C.; de Gyves, J.; Gold(III) transport through polymer inclusion membranes: efficiency factors and pertraction mechanism using Kelex 100 as carrier, Ind. Eng. Chem. Res., 2007, 46, Fontas, C.; Tayeb, R.; Dhahbi, M.; Gaudichet, E.; Thominette, F.; Roy, P.; Steenkeste, K.; Fontaine- Aupart, M. P.; Tingry, S.; Tronel-Peryoz, E.; Seta, P.; Polymer inclusion membranes: The concept of fixed sites membrane revised, J. Membr. Sci., 2007, 290, Ulewicz, M.; Radzymińska-Lenarcik, E.; Suported liquid (SLM) and polymer inclusion (PIM) membranes pertraction of cooper (II) from aqueous nitrate solution by 1-hexyl-2methylimidazole, Sep. Sci. Technol., 2012, 47,

64 Bazując na doniesieniach literaturowych wyróżnić można dwie charakterystyczne zależności wpływu zawartości przenośnika w membranie na szybkość transportu, które są bezpośrednio związane z mechanizmem przenoszenia związków przez PIM. W pierwszym przypadku wzrost stężenia przenośnika skutkuje liniowym wzrostem szybkości transportu związków przez membranę 122,159. W tym przypadku nie obserwuje się minimalnej zawartości przenośnika w membranie, poniżej której transport nie zachodzi tzw. progu perkolacji (Rysunek 16). Zależność taka jest interpretowana jako transport dyfuzyjny, gdzie plastyfikator działa jak rozpuszczalnik, w którym zachodzi proces dyfuzji. Powstający kompleks po stronie fazy zasilającej, pomiędzy związkiem przenoszonym a przenośnikiem, dyfunduje przez membranę do strony fazy odbierającej, gdzie następuje jego rozpad. Przykładem tego typu zależności mogą być badanie przeprowadzone przez N. Benosmane wraz z współpracownikami 159. W badaniach tych sprawdzony został wpływ zawartości przenośnika - kaliks[4]rezorcaren w membranie na szybkość transportu jonów Pb(II). Jak zostało przedstawione (Rysunek 16), zależność strumienia od zawartości przenośnika w membranie jest liniowa oraz nie jest obserwowany próg perkolacji. Zależność taka została zinterpretowana przez autorów, jako dowód na to, że związek przenoszony jest zgodnie z mechanizmem transportu ułatwionego gdzie powstający kompleks pomiędzy przenośnikiem a kationem metalu dyfunduje przez membranę. 159 Benosmane, N.; Hamdi, S. M.; Hamdi, M.; Boutemeur, B.; Selective transport of metal ions across polymer inclusion membranes (PIMs) containing calix[4]resorcinarenes, Sep. Purif. Technol., 2009, 65,

65 Rysunek 16. Liniowa zależność zmiany początkowej wartości strumienia jonów Pb(II) od zawartości przenośnika w membranie (brak progu perkolacji - transport dyfuzyjny). Faza zasilająca M Pb(NO 3 ) 2, 0.1M NaNO 3, ph=5.5, faza odbierająca - HNO 3, ph=1. PIM: matryca - CTA, plastyfikator - ONPOE, przenośnik - kaliks[4]rezorcaren (RC8). Na podstawie 159. W drugim przypadku, zależność szybkości transportu związków przez PIM od zawartości przenośnika w membranie jest nieliniowa 104,138. Obserwuje się tutaj minimalną zawartość przenośnika, poniżej której transport nie zachodzi tzw. próg perkolacji. Natomiast powyżej progu perkolacji następuje bardzo szybki wzrost transportu wraz ze wzrostem zawartości przenośnika (Rysunek 17). Taka zależność, interpretowana jest przez wielu autorów, jako dowód na to, że związek transportowany jest przez membranę zgodnie z mechanizmem przeskoku (fixed-side jumping). 65

66 Rysunek 17. Zmiana wartości iloczynu grubości i strumienia fruktozy przez PIM w zależności od zawartości przenośnika w membranie (obecność progu perkolacji - transport fixed-site jumping). Faza zasilająca - 0.3M fruktoza, Na 3 PO 4, ph=7.3, faza odbierająca - Na 3 PO 4, ph=7.3. PIM: matryca - CTA, plastyfikator - ONPOE, przenośnik - TOMAC. Na podstawie 138. Podstawy transportu przez PIM zgodnego z mechanizmem przeskoku (fixed-site jumping) przedstawione zostały przez E. L. Cusslera 160 i R. D. Noble 161. Zgodnie z tym mechanizmem związek przenoszony jest przez membranę na zasadzie przeskoku pomiędzy kolejnymi cząsteczkami przenośnika, który jest wbudowany w strukturę membrany i przez to nieruchomy (w przeciwieństwie do transportu gdzie dyfunduje kompleks przenośnika z substancją przenoszoną). Jednym z dowodów potwierdzających ten mechanizm transportu jest obecność progu perkolacji. Jest on związany z tym, że aby mógł nastąpić przeskok przenoszonego związku pomiędzy kolejnymi cząsteczkami przenośnika musi się on znajdować w odpowiedniej odległości od siebie umożliwiającej ten przeskok. Wymagana jest więc pewna minimalna zawartość przenośnika, która umożliwi stworzenie ścieżki perkolacyjnej przez membranę. 160 Cussler, E. L.; Rutherford, A.; Brown, A.; On the limits of facilitated diffusion, J. Membr. Sci., 1989, 43, Noble, R.D.; Generalized microscopic mechanism of facilitated transport in fixed site carrier membranes, J. Membr. Sci. 1992, 75,

67 Smith oraz Riggs wraz ze współpracownikami 104,105,138,162 przebadali transport cukrów prostych oraz aminokwasów z zastosowaniem czwartorzędowych soli amoniowych jako prenośników. Ze względu na wykazanie obecności progu perkolacji autorzy zasugerowali, że przebadane związki mogą być przenoszone przez membranę zgodnie z mechanizmem przeskoku. W dalszej analizie mechanizmu transportu, zasugerowali oni, że cukry proste mogą być przenoszone albo na zasadzie przeskoku cząsteczki cukru pomiędzy kolejnymi cząsteczkami przenośnika (Rysunek 18A), albo takiemu przeskokowi ulegać może kompleks odpowiedniego sacharydu z anionem pochodzącym od czwartorzędowych soli amoniowych (Rysunek 18B). Jak zasugerowali autorzy, w pierwszym przypadku, ponieważ przenośnik jest nieruchomo osadzony w membranie, szybkość transportu badanych związków przez PIM powinna być niezależna zarówno od struktury anionu jak i kationu przebadanych przenośników. W drugim przypadku, gdzie powstaje kompleks sacharydu z anionem pochodzącym od cieczy jonowej, szybkość transportu nie powinna zależeć od budowy kationu, ponieważ jest on nieruchomy, natomiast kompleks z anionem ulega przeskokowi. Jednak, jak pokazały badania, transport przenoszonych związków zarówno zależał od budowy kationu jak również anionu w zastosowanych solach amoniowych. W związku z tym autorzy zaproponowali mechanizm transportu, gdzie przenoszenie związku zachodzi na zasadzie przeskoku pomiędzy kolejnymi cząsteczkami przenośnika, który charakteryzuje się częściową mobilnością (Rysunek 18C) (mobile-site jumping). Zgodnie z tym mechanizmem przenośnik może stworzyć kompleks ze związkiem przenoszonym, który jest częściowo mobilny i może się przemieszczać w pewnym obszarze. Natomiast w momencie, gdy taki kompleks zbliży się do kolejnej cząsteczki przenośnika następuje przeskok przenoszonego związku. Cukier A) Cukier HO OH Cukier HO OH HO OH 162 White, K. M.; Smith, B. D.; Duggan, P. J.; Sheahan, S. L.; Tyndall, E. M.; Mechanism of facalitated saccharide transport trought plasticized cellulose triacetate membranes, J. Membr. Scie., 2001, 194,

68 B) Cukier Cukier HO OH HO OH HO Cukier OH Cukier Cukier HO OH Cukier C) HO OH HO OH Rysunek 18. Mechanizmy transportu sacharydów przez PIM. A Przeskok cząsteczki cukru pomiędzy kolejnymi cząsteczkami przenośnika, B Przeskok kompleksu cukru z anionem (pochodzącym od przenośnika) pomiędzy kolejnymi kationami (pochodzącymi od przenośnika), C - Przeskok kompleksu cukru z anionem (pochodzącym od przenośnika) pomiędzy kolejnymi kationami (pochodzącymi od przenośnika), przy czym kation oraz anion przenośnika charakteryzują się częściową mobilnością. Na podstawie Inne parametry prowadzenia procesu: temperatura, skład fazy zasilającej i odbierającej Kolejnymi istotnymi czynnikami mającymi wpływ na szybkość transportu związków przez polimerowe membrany inkluzyjne są temperatura oraz skład fazy zasilającej i odbierającej. Temperatura jest istotnym parametrem prowadzenia procesu. Wiadomym jest, że wraz ze wzrostem temperatury następuje wzrost szybkości dyfuzji oraz reakcji pomiędzy związkiem przenoszonym a przenośnikiem, co skutkuje wzrostem szybkości transportu przez PIM. Badając wpływ temperatury na szybkość transportu można sprawdzić czy transport limitowany jest szybkością dyfuzji związku przez membranę czy kinetyką reakcji pomiędzy przenośnikiem a związkiem przenoszonym. Po przekształceniu równania Arreniusa (11) do zależności (12), wykreślić można zależność logarytmu strumienia - log(j) w funkcji odwrotności temperatury 1/T, która jest linią prostą. Współczynnik kierunkowy tej prostej obliczyć pozwala energię aktywacji E a (13). 68

69 E a R T J C e, (11) Ea 1 ln( J) ln( C) a ln( C), (12) R T T E a a R. (13) C. A. Kozłowski 111 zbadał wpływ temperatury na kinetykę transportu Cr(VI) przez polimerowe membrany inkluzyjne z zastosowaniem CTA, jako matrycy polimerowej, TOA, jako przenośnika i ONPOE, jako plastyfikatora. Jak zostało przedstawione, wraz ze wzrostem temperatury następuje wzrost wartości strumienia początkowego. Korzystając z zależności (11) - (13), wyznaczona została energia aktywacji, która w tym przypadku wynosiła E a =30.5 kj/mol. Autor zasugerował, że taka wartość energii aktywacji odpowiada transportowi limitowanym dyfuzją kompleksu chromu przez PIM. Podobne zależności (Tabela 9) pokazali również inni autorzy badając wpływ temperatury na transport różnych jonów metali. We wszystkich przedstawionych przypadkach autorzy sugerowali, że otrzymane wartości energii aktywacji odpowiadają transportowi limitowanemu dyfuzją związku przez PIM. Tabela 9. Wartości energii aktywacji dla transportu jonów metali oraz związków organicznych przez PIM. *- wartość obliczona na podstawie danych zamieszczonych w publikacji. Wartość energii aktywacji Skład membrany Transportowany związek E a [kj/mol] CTA, TOA, ONPOE Cr (VI) Pt (IV) CTA, Lasalocid A, NPOE Cd (II) 17.8 CTA, D2HPA, TBEP Pb (II) CTA, CMPO, ONPOE Ce (III) * PVC, TOMAC kwas mlekowy Jak sugerują różni autorzy 111,157,128, wartość energii aktywacji poniżej 20 kj/mol wskazuje na transport limitowany dyfuzją związku przez membranę. Natomiast wartość energii aktywacji powyżej 40 kj/mol wskazują na transport limitowany kinetyką reakcji pomiędzy związkiem przenoszonym a przenośnikiem. 163 Salazar-Alvarez, G.; Bautista-Flores, A. N.; de San Miguel, E. R.; Muhammed, M.; de Gyves, J.; Transport characteryzation of a PIM system used for the extraction of Pb(II) using D2EHPA as carrier, J. Membr. Sci., 2005, 250,

70 Innym ważnym parametrem mającym wpływ na szybkość transportu związków przez polimerowe membrany inkluzyjne jest skład fazy zasilającej i odbierającej. Jest to ściśle związane z mechanizmem transportu oraz tym, w jakiej postaci jest przenoszony dany związek przez membranę. Jeżeli przenoszenie związku zachodzi zgodnie z mechanizmem przeciwtransportu, to istotną kwestią jest to, aby w fazie odbierającej znajdował się jon o tym samym znaku, co transportowany związek, który będzie przenoszony w kierunku przeciwnym tak, aby utrzymać elektroobojętność obu faz. W przeciwnym razie nie będzie możliwy transport związku przez PIM. W przypadku transportu kationów metali, najczęściej w fazie odbierającej znajduje się odpowiedni kwas, który ulega dysocjacji i umożliwia szybki transport protonu z fazy odbierającej do zasilającej. Zależności takie pokazane zostały przez wielu autorów 113,141, 144. Dobrym przykładem, ilustrującym wpływ składu fazy zasilającej i odbierającej jest transport kationów metali z zastosowaniem przenośników kwasowych. W tym przypadku bardzo istotnym parametrem jest ph fazy zasilającej jak i odbierającej. W przypadku, gdy przenośnik zawarty w membranie jest związkiem kwasowym, ph fazy zasilającej i odbierającej będzie miało wpływ na to czy przenośnik będzie występować w formie kwasowej czy w postaci anionowej (zdysocjowanej). W przypadku, gdy przenoszony będzie kation metalu, uprzywilejowaną będzie forma anionowa przenośnika, która będzie zdolna do stworzenia kompleksu z kationem metalu, co wymaga odpowiednio wysokiego ph po stronie fazy zasilającej. Po stronie fazy odbierające natomiast wymagane będzie odpowiednie niskie ph, które zapewni możliwość zregenerowania formy kwasowej przenośnika i tym samym transport protonu w przeciwprądzie do fazy zasilającej. Przykładem tego typu zależności mogą być badania przeprowadzone przez A. Yilmaza, wraz ze współpracownikami, gdzie przebadano wpływ parametrów prowadzenia procesu na transport jonów cynku(ii) 144. W badaniach tych zastosowano CTA, jako matrycę polimerową; ONPOE, jako plastyfikator oraz Cyanex 272, jako przenośnik. Autorzy pokazali, że na transport kationów cynku w istotny sposób wpływa ph zarówno fazy zasilającej (Rysunek 19A) jak i odbierającej (Rysunek 19B). Wraz ze wzrostem ph w fazie zasilającej od 1.0 do 3.4 następował szybki wzrost współczynnika przepuszczalności. Dalszy wzrost ph w zakresie od 3.4 do 6 nie powodował zmiany szybkości transportu (Rysunek 19A). Jak zasugerowali autorzy, zależność ta jest ściśle związana ze stałą 70

71 dysocjacji i formą, w jakiej występuje Cyanex 272 w membranie. W przypadku ph mniejszego od 3.4, Cyanex 272 występuje w formie kwasowej (pk a =3.38). Wraz ze wzrostem ph przechodzi on w formę zdysocjowaną i dla ph powyżej 3.4 występuje już głównie w formie anionowej, która zdolna jest do stworzenia kompleksu z kationem cynku, co umożliwia jego transport przez membranę. Ze względu na to, że z fazy zasilającej do odbierającej przenoszony jest kation cynku, w celu utrzymania elektroobojętności faz w przeciwną stronę transportowany jest proton, powstający z dysocjacji kwasu solnego zawartego w fazie odbierającej. Dla przedstawionego mechanizmu transportu istotną rolę będzie również odgrywać stężenia kwasu solnego po stronie fazy odbierającej, co również potwierdzone zostało przez autorów. Wraz ze wzrostem stężenia kwasu w tej fazie następuje wzrost szybkości transportu cynku przez PIM (Rysunek 19B), co wiąże się ze wzrostem szybkości transportu kationu wodoru w kierunku przeciwnym do transportu kationu cynku. A) B) Rysunek 19. Wpływ ph fazy zasilającej (A) oraz wpływ stężenia HCl w fazie odbierającej (B) na szybkość transportu jonów cynku przez PIM. Na podstawie 144. W przypadku mechanizmu współtransportu ważną kwestią jest forma, w jakiej transportowany jest dany związek. W wielu przypadkach transportu jonów metali, nie jest przenoszony kation metalu tylko jego kompleks z anionami (np. kompleks chlorkowy), a w związku z tym wymagane jest odpowiednie stężenie takiego anionu w fazie zasilającej. Jeżeli transport zachodzi zgodnie z mechanizmem współtransportu, to w celu utrzymania 71

72 elektroobojętności fazy zasilającej i odbierającej, związek przenoszony musi być transportowany w postaci obojętnej. Jeżeli transportowany jest kation metalu, to w fazie zasilającej musi się znajdować anion o stężeniu odpowiednio wysokim tak, aby mógł powstać obojętny kompleks. Przykładem pokazującym tego typu zależność mogą być badania transportu jonów metali (Co 125, 92, Pd 164, Ni 92, Zn 92 i inne), z fazy zasilającej zawierającej NaCl lub HCl do fazy odbierającej (woda demineralizowana) Właściwości polimerowych membran inkluzyjnych: stabilność i selektywność Polimerowe membran inkluzyjne stanowią alternatywę dla ciekłych membran podpartych głównie ze względu na ich wysoką stabilność. W wielu pracach pokazane zostało, że membrany te charakteryzują się długą żywotnością, nie tracąc swoich właściwości nawet po kilkudziesięciu dniach pracy, co w porównaniu do membran SLM, które są stabilne do kilku dni, jest ich dużą zaletą. Tabela 10 przedstawia przykładowe membrany PIM, dla których zbadano ich stabilność. Mała aplikacyjność membran SLM wynika głównie z ich krótkiej żywotności i zdolności do szybkiego wymywania przenośnika. PIM w porównaniu do membran SLM w znacznym stopniu ograniczają ten problem, co może przełożyć się na możliwość ich lepszego wykorzystania w przemyśle. Wysoka stabilność membran PIM tłumaczona jest tym, że przenośnik w takiej membranie znacznie mocniej jest związany z matrycą polimerową jak również tym, że membrany PIM charakteryzują się większą lepkością zawartej w nich fazy organicznej. Właściwości te powodują, że przenośnik znacznie trudniej jest wymywany z takiej membrany. 164 Kolev, S. D.; Sakai, Y.; Cattrall, R. W.; Paimin, R.; Potter, I. D.; Theoretical and experimental study of palladium(ii) extraction from hydrochloric acid solutions into Aliquat 336/PVC membranes, Anal. Chim. Acta., 2000, 413,

73 Tabela 10. Przykładowe badania dotyczące stabilności membran PIM. Skład membrany Faza zasilająca / odbierająca Stabilność CTA, dicykloheksano-18- KNO 3, RbNO 3, NaNO 3 Membrana stabilna ponad 80 dni, brak crown-6, ONPOE, / woda widocznych zmian w wyglądzie TBEP 165 demineralizowana membrany CTA, kwas lasalowy A, CdCl 2, bufor ph=8 / NPOE 166 HCl, ph=2 Brak zmiany wartości strumienia oraz zmian wyglądu membrany przez 10 dni użytkowania, 10% spadek wartości strumienia po 10 miesiącach przechowywania CTA, Calix[4]arene, NPOE 112 KNO 3, RbNO 3, NaNO 3, CsNO 3 / woda demineralizowana Nieznaczny spadek strumienia po 20 dniach pracy, brak zmian w wyglądzie membrany CTA, di-tert- SrNO 3, HNO 3, NaNO 3 / butylcykloheksano-18- woda demineralizowana crown-6, NPOE 167 CH PVC, D2EHPA COOU, H 2 SO 4 / H 2 SO 4 Brak zmiany wartości współczynnika przepuszczalności w ciągu 15 dni pracy Brak zmiany wartości strumienia po 5-ciu ośmiogodzinnych cyklach pracy CTA, 5-(4-fenoksyfenyl)- 6H-1,3,4-thiadiazin-2- amina, NPOE 168 K 2 Cr 2 O 7, HCl / CH 3 COONH 4 Brak zmiany strumienia w trakcie pierwszych 4 cykli następnie spadek o około 40% w ciągu kolejnych 5 cykli (1 cykl - 10h) 165 Schow, A. J.; Peterson, R. T.; Lamb, J. D.; Polymer inclusion membranes containing macrocyclic carriers for use in cation separation, J. Membr. Sci., 1996, 111, Tayeb, R.; Fontas, C.; Dhahbi, M.; Tingry, S.; Seta, P.; Cd(II) transport across supported liquid membranes (SLM) and polymeric plasticized membranes (PPM) mediated by Lasolacid A, Sep. Purif. Technol., 2005, 42, Mohapatra, P. K.; Pathak, P. N.; Kelkarz, A.; Manchanda, V. K.; Novel polymer inclusion membrane containing a macrocyclic ionophore for selective removal of strontium from nuclear waste solution, New. J. Chem., 2004, 28, Saf, A. O.; Alpaydin, A; Ersoz, M.; Selective transport and removal of Cr(VI) through polymer inclusion membrane containing 5-(4-phenoxyphenyl)-6H-1,3,4-thiadiazin-2-amine as a carrier, J. Membr. Sci., 2011, 377,

74 Kolejną właściwością PIM jest ich wysoka selektywność. Dzięki specyficznej preparatyce PIM, pozwalającej na dobór składu membrany w bardzo szerokim zakresie, możliwe jest uzyskanie wysokich selektywności względem transportowanego związku. Zastosowanie odpowiedniego przenośnika, czy regulacja składu fazy zasilającej i odbierającej pozwala na sterowanie w znacznym zakresie parametrami selektywności względem poszczególnych związków przenoszonych przez membranę. Przykładem tego typu zależności mogą być badania przeprowadzone przez C. Kozłowkiego wraz ze współpracownikami nad rozdziałem kationów metali (Zn 2+, Cd 2+, Pb 2+ ) z zastosowaniem różnych przenośników i plastyfikatorów. Jak zostało pokazane (Tabela 11) w przypadku zastosowania przenośników fosfoorganicznych (D2EHPA, CYANEX 272, 301 oraz 302) w zależności, który z tych przenośników został użyty, zaobserwowano różną selektywność względem poszczególnych kationów 143. W przypadku D2EHPA lub CYANEX 272, najszybciej przenoszony był kation cynku. Natomiast, gdy przenośnikiem był CYANEX 301 lub 302 najszybciej transportowany był kation ołowiu. W badaniach tych pokazane zostało również, że istotny wpływ na współczynnik selektywności ma zastosowany plastyfikator. W przypadku zastosowania DOA, ONPOE lub TEHP, jako plastyfikatora najszybciej transportowany był kation ołowiu. Natomiast w przypadku zastosowania DOP najszybciej transportowany był kation kadmu. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że zmiana plastyfikatora powoduje nie tylko nieznaczne zmiany wartości współczynnika selektywności, ale również zmiany strumienia jonów przez membranę. Znacznie wyższe różnice we współczynnikach selektywności otrzymuje się w wyniku zmiany przenośnika. Tabela 11. Wpływ składu membrany na współczynnik selektywności transportu jonów metali z ich mieszaniny. Skład fazy zasilającej Zn(NO 3 ) 2, Pb(NO 3 ) 2, Cd(NO 3 ) 2 o stężeniu 0.01M każdy, NaNO 3 o stężeniu 0.1M, ph=4. Faza odbierająca 1M HCl. CTA jako matryca polimerowa. Na podstawie 143. Skład membrany Współczynnik selektywności Plastyfikator Przenośnik S M1 /S M2 ; S M1 /S M3 ONPPE D2HPA Zn(II) > Pb(II) > Cd(II) - 1.7; 15.8 ONPPE CYANEX 272 Zn(II) > Cd(II) > Pb(II) - 4.2; 6.4 ONPPE CYANEX 302 Pb(II) > Cd(II) > Zn(II) - 1.9; 4.4 ONPPE CYANEX 301 Pb(II) > Cd(II) > Zn(II) - 1.7; 2.8 DOA CYANEX 301 Pb(II) > Cd(II) > Zn(II) - 2.2; 2.9 DOP CYANEX 301 Cd(II) > Zn(II) > Pb(II) - 1.3; 1.4 ONPOE CYANEX 301 Pb(II) > Cd(II) > Zn(II) - 1.7; 2.4 TEHP CYANEX 301 Pb(II) > Zn(II) > Cd(II) - 1.9,

75 C. Kozłowski oraz M. Ulewicz wraz ze współpracownikami przeprowadzili badania nad wpływem rodzaju zastosowanego przenośnika (związki makrocząsteczkowe) na selektywność rozdziału kationów metali (Zn 2+, Cd 2+, Pb 2+ ). W badaniach tych, jako przenośniki zastosowane zostały pochodne: eteru imidazolo azokoronowego 169,170, eteru imidazolo azotiokoronowego 171, kaliks[4]korona-6 94,172, eteru bis-pnp-lariatowego 173. W przypadku pierwszych trzech przenośników, selektywnie transportowany był kation ołowiu. Osiągnięte wartości współczynników selektywności zmieniały się w zależności od zastosowanego przenośnika od około 3 do ponad 100. W przypadku zastosowania pochodnych eteru bis-pnp-lariatowego, w zależności od zastosowanej pochodnej możliwy był selektywny transport dowolnego z przebadanych kationów. Jak zostało pokazane w przytoczonych przykładach, możliwy jest selektywny transport wybranego związku z mieszaniny. Przedstawione badania pokazują również, że poprzez dobór odpowiedniego składu membrany w znacznym stopniu można wpływać na selektywność transportu. Również w wielu innych pracach pokazano wpływ składu membrany czy parametrów prowadzenia procesu na selektywność transportu różnego typu związków poczynając od prostych mieszanin dwuskładnikowych do układów bardziej złożonych zawierających pięć i więcej składników. Możliwość sterowania selektywnością transportu jest istotną zaletą membran PIM, co w połączeniu z ich dobrą żywotnością może prowadzić w przyszłości do ich aplikacyjności Transport związków organicznych przez polimerowe membrany inkluzyjne Jak zostało przedstawione wcześniej, większość badań związanych z PIM dotyczy transportu różnego typu jonów metali. Tylko ich niewielka część skupia się na transporcie związków organicznych. Z punktu widzenia tematyki rozprawy doktorskiej, w głównej mierze dotyczącej transportu kwasu cytrynowego przez PIM, istotne jest szczegółowe 169 Ulewicz, M.; Sadowska, K.; Biernat, J. F.; Selective transport of Pb(II) across polymer inclusion membrane usin imidazole azocrown ethers as carriers, Physicochem. Probl. Miner. Process., 2007, 41, Ulewicz, M.; Sadowska, K.; Biernat, J.; Facilitated transport of Zn(II), Cd(II) and Pb(II) across polymer inclusion membranes doped with imidazole azocrown ethers, Desalination, 2007, 214, Ulewicz, M.; Szczygelska-Tao, J.; Biernat, J. F.; Selectivity of Pb(II) transport across polymer inclusion membranes doped with imidazole azothiacrown ethers, J. Membr. Sci., 2009, 344, Ulewicz, M.; Bocheńska, M.; Lechińska, U.; Walkowiak, W.; Studies on removal of Zn(II), Cd(II) and Pb(II) ions in polymer inclusion membrane transport with calix[4]-crown-6 derivatives, Physicochem. Probl. Miner. Process., 2005, 39, Kozłowski, C. A.; Kozłowska, J.; PNP-16-crown-6 derivatives as ion carriers for Zn(II), Cd(II) and Pb(II) transport across polymer inclusion membranes, J. Membr. Sci., 2009, 326,

76 przeanalizowanie badań związanych z transportem związków organicznych a w szczególności kwasów organicznych przez te membrany. M. Matsumoto wraz ze współpracownikami zbadali zdolność transportu kwasu mlekowego przez polimerowe membrany inkluzyjne z zastosowaniem PVC 174 oraz CTA 106, jako matrycy polimerowej oraz szeregu cieczy jonowych, spełniających jednocześnie rolę przenośnika i plastyfikatora. W badaniach, w których zastosowano polichlorek winylu, jako matrycę polimerową, przeanalizowany został szereg parametrów wpływających na transport, takich jak: rodzaj zastosowanej cieczy jonowej, wpływ grubości membrany i temperatury prowadzenia procesu jak również zbadana została ich stabilność. Autorzy przebadali szereg cieczy jonowych, jako przenośników (Aliquat 336, Cyphos IL-101 oraz Cyphos IL-102). Dla przebadanych związków szybkość transportu kwasu mlekowego przez PIM malała w szeregu Aliquat 336 > Cyphos IL-101 > Cyphos IL-102. Badając wpływ temperatury na proces ekstrakcji i transportu kwasu mlekowego przez PIM z zastosowaniem Aliquat 336, jako przenośnika w procesie membranowym i fazy organicznej w procesie ekstrakcyjnym pokazano, że obydwa procesy w znacznym stopniu zależą od temperatury. Uzyskane wartości energii aktywacji wynosiły odpowiednio 22.9 kj/mol dla transportu przez PIM oraz 31.4 kj/mol dla procesu ekstrakcyjnego. Na tej podstawie stwierdzono, że niższa wartość energii aktywacji w przypadku transportu przez PIM sugeruje, że transport limitowany jest dyfuzją kwasu przez membranę. M. Matsumoto wraz ze współpracownikami przeprowadzili również badania nad stabilnością zarówno membrany PIM jak i membrany SLM z Aliquatem 336, jako przenośnikiem. W przypadku PIM wartość strumienia kwasu po ośmiu cyklach pracy spadła o około 10%. W przypadku SLM już w drugim cyklu pracy wydajność transportu spadła o ponad 20% a po ośmiu cyklach wynosiła około 40% wartości początkowej. Badania te potwierdzają fakt, że membrany PIM charakteryzują się znacznie lepszą stabilnością w trakcie pracy. W literaturze znaleźć można również prace dotyczące transportu innych związków organicznych przez PIM takich jak aminokwasy, cukry proste itp. Tabela 12 przedstawia parametry transportu przykładowych związków organicznych przez polimerowe 174 Matsumoto, M.; Murakami, Y.; Minamidate,Y.; Kundo, K, Separation of Lactic Acid through Polymer Inclusion Membranes Containing Ionic Liquids, Sep. Scie Technol., 2012, 47,

77 membrany inkluzyjne. Jak można zauważyć, szybkość transportu poszczególnych związków w znacznym stopniu różni się między sobą. Pokazane zostało również, że PIM nadają się również do selektywnego wydzielania związków organicznych z roztworu, dając wysokie współczynniki selektywności. Tabela 12. Transport związków organicznych przez PIM. Faza zasilająca Skład Faza Pozostałe Związek membrany odbierająca składniki transportowany 20% CTA, 40% ONPOE, 40% TOMAC 20% CTA, 40% ONPOE, 40% TOMAC 20% CTA, 40% TBEP, 40% TOMAC 20% CTA, 40% ONPOE, 40% TOMAC 20% CTA, 40% ONPOE, 40% TDMAC 20% CTA, 40% ONPOE, 40% TOMA- DBP 20% CTA, 40% ONPOE, 40% TOMA- DHP 25% PVC, 75% Aliquat336 Bufor fosforanowy ph=7.3 Bufor fosforanowy ph=7.3 Bufor fosforanowy ph=7.3 Bufor fosforanowy ph=7.3 Bufor fosforanowy ph=7.3 Bufor fosforanowy ph=7.3 Bufor fosforanowy ph= M HCl Bufor fosforanow y ph=7.3 Bufor fosforanow y ph=7.3 Bufor fosforanow y ph=7.3 Bufor fosforanow y ph=7.3 Bufor fosforanow y ph=7.3 Bufor fosforanow y ph=7.3 Bufor fosforanow y ph=7.3 ph=5.5, regulowane dodatekiem NaOH J 10 6 [mol/s m 2 ] d 10 6 [m] J d/c [mol/m 4 s] 0.1M L fenyloalanina M L-leucyna M L-alanica M glukaza M fruktoza M sacharoza M fruktoza M glukoza M sacharoza M glukoza M sacharoza M glukoza M sacharoza M glukoza M sacharoza M kwas mlekowy

78 Model matematyczny transportu Model matematyczny, którego użyto do wyznaczenia wartości współczynnika przepuszczalności P oraz strumienia J, oparty jest na kilku założeniach upraszczających. Należą do nich: a) Szybkość reakcji na powierzchni membrany jest na tyle duża, że można założyć, iż układ pracuje w stanie równowagi. b) Stężenie związku przenoszonego w membranie jest na tyle małe w porównaniu do stężenia związku aktywnego, że można założyć stałe stężenie wolnego związku aktywnego w membranie. c) Transport związku przez membranę odbywa się zgodnie z prawem Ficka, a gradient stężenia wzdłuż membrany jest liniowy. d) Dyfuzja związku w filmie cieczy przy powierzchni membrany jest znacznie szybsza w porównaniu do dyfuzji kompleksu wzdłuż membrany. e) Faza zasilająca i odbierająca są idealnie wymieszane. Powyższe założenia pozwalają zaproponować następujący model opisujący transport kwasu cytrynowego przez membranę: z warunkiem początkowym: d[ CYTA] A J V r, (14) dt [ CYTA ] 0 0 dla t 0. (15) Strumień molowy kwasu cytrynowego przechodzącego przez membranę wyraża się następującą zależnością: J P [ CYTA]. (16) Po rozwiązaniu równań (14) oraz (16) otrzymujemy następujące równanie: f 78

79 CYTA 2 [ ] r A ln 1 P t. CYTA (17) [ ] f,0 V Powyższe równanie jest równaniem prostej. Współczynnik kierunkowy tego równania, A k P wyznaczyć można korzystając z metody regresji liniowej. Znając pole V powierzchni membrany A oraz objętość fazy zasilającej obliczyć można współczynnik przepuszczalności zgodnie ze wzorem: k V P. (18) A Ze względu na to, że membrany różnią się grubością w zależności od zastosowanego przenośnika czy plastyfikatora, w celu porównywania zdolności do transportu wyznaczana była wartość strumienia pomnożonego przez grubość membrany J d. Wyznaczona w taki sposób wartość pozwala na porównywanie membran o różnej grubości. Cel pracy Celem rozprawy doktorskiej jest porównanie możliwości wydzielania kwasu cytrynowego w procesach ekstrakcyjnych oraz z zastosowaniem polimerowych membran inkluzyjnych. Aby wykonać takie porównanie, przeprowadzone zostały badania wpływu rodzaju zastosowanego rozpuszczalnika oraz stężenia ekstrahentu (TOA) na proces ekstrakcji. W przypadku zastosowanie polimerowych membran inkluzyjnych, przebadany został wpływ rodzaju zastosowanego przenośnika (TOA, 1-alkiloimidazole) oraz parametrów prowadzenia procesu (stężenie przenośnika, temperatura, grubość membrany) na szybkość transportu kwasu cytrynowego przez PIM. Kolejnym celem rozprawy było określenie mechanizmu transportu kwasu przez PIM. Mechanizm ten można wyznaczyć na podstawie badań wpływu stężenia przenośnika w membranie na szybkość transportu. 79

80 Część doświadczalna 6. Właściwości fizykochemiczne kwasu cytrynowego Kwas cytrynowy (kwas 2-hydroksy-1,2,3-propanotrikarboksylowy) należy do grupy hydroksykwasów karboksylowych. O C H 2 C OH OH HO C C O H 2 C OH C O Rysunek 20. Wzór strukturalny kwasu cytrynowego. W temperaturze pokojowej kwas cytrynowy jest białą, bezzapachową krystaliczną substancją. Bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie, alkoholu lub eterze. Kwas cytrynowy może występować zarówno w postaci bezwodnej jak i hydratu, przy czym forma jednowodna jest najbardziej rozpowszechniona. Powyżej temperatury 175 C kwas cytrynowy ulega rozkładowi z wydzieleniem dwutlenku węgla i wody 175. Kwas cytrynowy należy do grupy słabych kwasów organicznych. W swojej cząsteczce zawiera on trzy grupy karboksylowe. W roztworach wodnych dysocjuje on na jony zgonie z równaniami (19)-(21). W rezultacie w zależności od stężenia kwasu w roztworze występują zarówno cząsteczki niezdysocjowane jak również jony powstałe w wyniku dysocjacji. C 6 H 8 O 7 H + + C 6 H 7 O - 7, K 1 = , (19) C 6 H 7 O - 7 H + + C 6 H 6 O 2-7, K 2 = , (20) C 6 H 6 O 2-7 H + + C 6 H 5 O 3-7, K 3 = (21) 175 Karta Charakterystyki Substancji/Preparatu, Kwas cytrynowy 1 hydrat, POCH. 80

81 Na podstawie stałych dysocjacji 176 wyznaczyć można zależność ph (Rysunek 21) oraz ułamka molowego poszczególnych jonów jak również cząsteczek niezdysocjowanych (Rysunek 22) od całkowitego stężenia kwasu cytrynowego w roztworze. Rysunek 21. Zależność ph roztworu od całkowitego stężenia kwasu cytrynowego. W zależności od całkowitego stężenia, kwas cytrynowy w roztworze wodnym występować może w czterech formach (Rysunek 22). Całkowicie zdysocjowana forma, A 3-, występuje w ilości powyżej 10% jedynie wtedy, gdy stężenie całkowite CYTA jest mniejsze od 10-6 mol/dm 3. Forma HA 2- występuje dla stężeń poniżej 10-4 mol/dm 3, natomiast CYTA na pierwszym stopniu dysocjacji występuje w ilości powyżej 10% w przedziale stężeń od 10-6 do 10-1 mol/dm 3. Forma niezdysocjowana praktycznie zanika, gdy stężenie całkowite kwasu spada poniżej 10-5 mol/dm 3. W miarę wzrostu stężenia kwasu cytrynowego udział tej formy wzrasta, aby przy stężeniu około 0.01 mol/dm 3 być już dominującą formą CYTA w roztworze. 176 Poradnik Fizyko Chemiczny, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1974, wydanie drugie. 81

82 Rysunek 22. Udział poszczególnych form kwasu cytrynowego w zależności od jego całkowitego stężenia. 7. Odczynniki W badaniach nad procesem ekstrakcji zastosowano następujące odczynniki: keton metylowo-izobutylowy (MIBK, Chempur, >98%), węglan dietylu (Et 2 CO 3, Fluka, > 99%), oraz toluen (Chempur, > 99%) jako rozpuszczalniki. Ekstrahent stanowiła trioktyloamina (TOA, Fluka, 98.0%) o stężeniach 0.025M, 0.05M, 0.075M oraz 0.1M w poszczególnych rozpuszczalnikach. Fazę wodną o stężeniu mol/dm 3 przygotowano przez rozpuszczenie odpowiedniej ilości jednowodnego kwasu cytrynowego (CYTA, POCH S.A. >99%) w wodzie demineralizowanej. W badaniach transportu kwasu cytrynowego przez polimerowe membrany inkluzyjne wykorzystano następujące odczynniki: trójoctan celulozy (CTA, Sigma- Aldrich, >98%) - jako matryca polimerowa, fosforan tributylu (TBP, POCH, >98%) oraz eter ortonitro-fenylooktylowy (ONPOE, Sigma-Aldrich, >99%) - jako plastyfikatory, trioktyloamina (TOA, POCH, >99%), 1-alkiloimidazole otrzymane przez dr A. Skrzypczaka z Zakładu Technologii Chemicznej PP zgodnie z wcześniej opisaną procedurą 92 - jako przenośniki oraz dichlorometan (POCH, >99%) - jako rozpuszczalnik. 82

83 8. Przebieg eksperymentu 8.1. Proces ekstrakcyjny Ekstrakcję prowadzono w układzie mieszalnik-odstojnik. W tym celu równe objętości fazy wodnej i organicznej (10 cm 3 ) w kolbie Erlenmeyera wytrząsano przez godzinę w celu ustalenia się stanu równowagi. Następnie roztwory były odstawiane na 24h. Po rozdzieleniu się faz, pobierano 4 próbki fazy wodnej do oznaczenia zawartości kwasu cytrynowego. Do dalszych rozważań używano wartości średniej. Zawartość kwasu cytrynowego w fazie wodnej przed i po procesie ekstrakcji oznaczano na dwa sposoby. Stężenia powyżej 0.1 mol/dm 3 oznaczano alkacymetrycznie miareczkując mianowanym roztworem NaOH (naważka analityczna TitraFix 0.1M NaOH) wobec fenoloftaleiny, jako wskaźnika alkacymetrycznego. Miareczkowanie przeprowadzano poprzez pobranie 1 cm 3 roztworu z badanej próbki i następnie miareczkowanie przy użyciu roztworu NaOH o stężeniu 0.03M. Wybór fenoloftaleiny, jako wskaźnika spowodowany był tym, że punkt zmiany barwy odpowiada punktowi całkowitego przejścia kwasu cytrynowego w formę zasadową. Miareczkowanie prowadzono przy użyciu biurety cyfrowej klasy A Titrette firmy Brand. Niższe stężenia CYTA (poniżej 0.1 mol/dm 3 ) oznaczano spektrofotometrycznie (spektrofotometr UV-VIS SHIMADZU UV-2401PC), oznaczając barwny kompleks kwasu cytrynowego z rodankiem żelaza, przy długości fali λ=456nm 177. Oznaczenie przeprowadzano poprzez dodanie 0.1 cm 3 badanego roztworu do 5 cm 3 roztworu rodanku żelaza (POCH, >99%). Stężenie CYTA określono na podstawie zmiany absorbancji przy długości fali λ=456nm Proces membranowy Membrana, użyta w pomiarach, składała się z matrycy polimerowej trójoctanu celulozy (CTA), plastyfikatora eteru orto-nitrofenylo-oktylowego (ONPOE) lub fosforanu tri-butylu (TBP) oraz jednego ze związków aktywnych tri-oktyloaminy (TOA) lub 1-alkilo-imidazolu o długości łańcucha alkilowego 10, 11, 12, 14 lub 16 atomów węgla (imi10-imi16). Wykonane zostały również badania membran bez dodatku plastyfikatora. 177 Krug, A.; Kellner R.; Determination of Citric Acid by Means of Competitive Complex Formation in a Flow Injection System, Microchimica Acta. 1994, 113,

84 W celu spreparowania membrany do badań przygotowywano odpowiednio roztwory: trójoctanu celulozy o stężeniu C=12.5 g/dm 3, plastyfikatora o stężeniu C=10% obj., oraz związków aktywnych o stężeniu C=0.1 mol/dm 3 w dichlorometanie. Następnie z tak przygotowanych roztworów pobierano odpowiednio 3cm 3 roztworu octanu celulozy oraz po 1cm 3 roztworu plastyfikatora oraz związku aktywnego i mieszano ze sobą. W przypadku badań wpływu zawartości przenośnika na szybkość transportu pobierano odpowiednio więcej lub mniej roztworu przenośnika w celu spreparowania membrany. Tak przygotowaną mieszaninę wylewano na szalkę Petriego o średnicy d=6 cm i pozostawiano do odparowania rozpuszczalnika. Gotową membranę odklejano od szalki i przemywano 24h w wodzie demineralizowanej. Przed wykonaniem badań transportu kwasu cytrynowego przez PIM, była mierzona grubość każdej membrany. Pomiar grubości wykonany był w 9 miejscach powierzchni membrany po 5 pomiarów w każdym miejscu przy użyciu miernika Positector. Dla części sporządzonych membran wykonane zostały zdjęcia (powierzchnia membrany jak i jej przekrój poprzeczny) skaningowym mikroskopem elektronowym - SEM (Vega 5135 Tescan, 8kV, napylanie membrany węglem). W badaniach wykorzystano stanowisko pomiarowe złożone z dwóch szklanych komór, jednej z fazą zasilającą oraz drugiej z fazą odbierającą, oddzielonych od siebie membraną PIM (Rysunek 23). Zarówno faza zasilająca jak i odbierająca były cały czas intensywnie mieszane w celu utrzymania jednolitego stężenia (200rpm). Objętość obu faz wynosiła V=45 cm 3, powierzchnia membrany była równa A=4.15 cm 2. 84

85 Rysunek 23. Schemat układu pomiarowego, gdzie: 1-komora fazy odbierającej; 2-komora fazy zasilającej; 3-polimerowa membrana inkluzyjna; 4-mieszadła mechaniczne; 5-elektroda konduktometryczna; 6-miernik temperatury. Fazę zasilającą stanowił roztwór kwasu cytrynowego o stężeniu 0.1M. Fazą odbierającą była woda demineralizowana (R 1.5 MΩ). Proces prowadzony był w czasie t=50h lub t=24h. Szklane komory, podczas trwania eksperymentu zanurzone były w łaźni wodnej, co pozwalało utrzymać stałą temperaturę T=25ºC lub odpowiednio wyższą w przypadku badań wpływu temperatury na transport. W celu monitorowania zmian stężenia kwasu cytrynowego podczas procesu dokonywano pomiaru przewodnictwa fazy odbierającej, co 15 minut (dla procesu transportu trwającego 50h) lub co 7 minut (dla procesu transportu trwającego 24h). Zmierzoną wartość przewodnictwa przeliczano na stężenie kwasu cytrynowego w badanej fazie zgodnie z procedurą opisaną w rozdziale Kalibracja oznaczania kwasu cytrynowego metodą pomiaru przewodnictwa. W celu oznaczenia stężenia kwasu cytrynowego w fazie odbierającej, podczas pomiaru transportu przez PIM, zastosowano metodę konduktometryczną. Dzięki zastosowaniu wody demineralizowanej w fazie odbierającej, możliwy jest pomiar przewodnictwa tej fazy a następnie przeliczenie go na stężenie kwasu cytrynowego. Aby możliwe było oznaczania kwasu metodą konduktometryczną, wyznaczono krzywą kalibracji zależności przewodnictwa roztworu od stężenia kwasu cytrynowego. W tym celu przygotowano roztwory kwasu o stężeniach: ; ; ; ; 0.001; ; 0.005; ; 0.01; 0.025; 0.05; 0.075; 0.1 mol/dm 3. Dla każdego z roztworów zmierzono przewodnictwo w temperaturze 25 C powtarzając pomiar pięć razy. Na podstawie uzyskanych wyników sporządzono wykres zależności przewodnictwa od 85