CAPITOLUL 7. Extracţia în fluide supercritice (SFE)

Transcript

1 CAPITOLUL 7 Extracţia în fluide supercritice (SFE) 7.1. Noţiuni despre fluide supercritice Diagrama de faze a unei substanţe arată dependenţa stării sale de agregare funcţie de temperatură şi presiune. Punctul critic este definit de temperatura critică (T C ) şi presiunea critică (p C ), deasupra căruia o substanţă nu este nici gaz, nici lichid, dar posedă proprietăţile ambelor stări (v. Fig. 7.1). Fluidul supercritic poate fi definit din punct de vedere practic ca un gaz având o temperatură deasupra temperaturii critice şi care este comprimat la acea presiune pentru care interacţiile care intervin în lichide devin semnificative. Proprietăţile fizice ale unui fluid supercritic se situează între cele ale unui gaz şi un lichid, putând fi controlate prin presiune şi temperatură. De regulă, fluidele supercritice sunt utilizate la densităţi situate între 10% şi 80% din densitatea lichidului corespunzător, iar presiunile utilizate se situează între 50 şi 500 atm. Presiune (atm) Fluid Supercritic Punct supercritic p C Lichid Solid Gaz t C Temp. ( C) Fig Diagrama de faze a unui gaz. In Tabelul 7.1 sunt prezentate principalele fluide supercritice cu parametrii corespunzători, posibili a fi utilizaţi în aplicaţiile analitice. Cu toate acestea, majoritatea dintre aceştia nu corespund cerinţelor practice, datorită proprietăţilor fizice nefavorabile în multe aplicaţii, costurilor mari sau reactivităţii ridicate. De exemplu, etena are o temperatură critică sub cea a mediului ambiant, dar proprietatea sa de inflamabilitate 116

2 limitează utilizarea acesteia în cele mai multe dintre aplicaţiile analitice. Protoxidul de azot (N 2 O) s-a dovedit a fi un bun fluid supercritic cu proprietăţi extractante, dar reactivitatea sa chimică faţă de cei mai mulţi compuşi chimici, precum şi efectele fiziologice nocive limitează mult utilizarea lui în scopuri analitice. De asemenea, fluide supercritice precum fluoroformul (CHF 3 ) au o mare capacitate de a solubiliza acei analiţi având tendinţa de a forma legături de hidrogen, dar preţul acestuia foarte ridicat constituie un mare dezavantaj în aplicaţiile analitice. Tabel 7.1. Parametrii fizici ai unor fluide supercritice. [81] Fluid T C( C) P C ρ C V C (atm) (g/ml) (ml/mol) CO 2 31,1 72,8 0, N 2O 36,4 71,5 0, SF 6 45,5 37,0 0, SO , CS , H 2O 374,1 217,6 0, CH 3OH 239,4 79,9 0, C 2H 5OH 243,0 63,0 0, CH 3OCH ,6 0, NH 3 132,3 111,3 0, C 2H 6 32,4 48,3 0, C 2H 4 10,0 51,2 0, C 3H 8 96,8 42,0 0, n-c 4H ,0 37,5 0, n-c 5H ,6 41,7 0, C 6H 6 288,9 48,3 0, CHF 3 25,9 47,7 0, CF 4-45,7 41,4 0, CClF 3 28,8 38,7 0, CHClF 2 96,0 49,1 0, CCl 2F 2 111,7 39,4 0, Principiul metodei In principiu, extracţia în fluide supercritice (SFE supercritical fluid extraction ) este o variantă a extracţiei solid-lichid, în care solventul de extracţie este înlocuit cu un fluid supercritic. SFE este o metodă relativ nouă de prelucrare a probelor solide şi semisolide, care ulterior a devenit o tehnică cuplată on-line cu cromatografia de fluide în stare supercritică (SFC supercritical fluid chromatography ). Aceasta oferă analistului multe avantaje în comparaţie cu alte tehnici analitice de prelucrare a probelor, cum ar fi distilarea, sau extracţia cu solvenţi. Proprietatea cea mai importantă a fluidelor supercritice în procesele de extracţie este dată de capacitatea de ajustare a puterii de solubilizare prin parametrii fizici - temperatură şi presiune, astfel încât un fluid în stare supercritică să aibă posibilitatea de a extrage un grup de analiţi de polarităţi şi dimensiuni moleculare, mai mult sau mai puţin restrânse. In plus, coeficienţii de difuzie solut - fluid sunt mult mai mari pentru fluide supercritice decât pentru sisteme lichid-lichid, facilitând 117

3 astfel o viteză mare de extracţie pentru o varietate mare de matrici complexe de analizat. Tabel 7.2. Compararea proprietăţilor fizice ale CO 2 supercritic (55 C şi 200 atm) cu solvenţi lichizi la 25 C. Proprietate fizică CO 2 n-hexan CH 2Cl 2 CH 3OH Densitate (g/ml) 0,746 0,660 1,326 0,791 Viscozitate (m 2 s ) 1,00 4,45 3,09 6,91 Coeficient de difuzie al acidului benzoic (m 2 s ) 6,00 4,0 2,9 1,8 Pv,sat (solvent) * ( ) 1, , , , Pv,sat (fenol) * P v,sat = presiunea de saturare a vaporilor. Alegerea corespunzătoare a fluidului supercritic poate aduce unele avantaje concrete în cadrul unei proceduri de prelucrare a probelor complexe apriori procesului de analiză. De exemplu, un fluid supercritic de CO 2 cu temperatura critică joasă este o alegere foarte bună pentru extracţia compuşilor labili termic, în condiţii de temperatură uşor peste cea a mediului ambiant. In plus, CO 2 supercritic nu extrage oxigenul molecular, limitând astfel posibilitatea de oxidare a speciilor extrase. Spre deosebire de solvenţii organici utilizaţi în procedee de extracţie lichid-lichid, CO 2 supercritic nu este toxic, înlăturându-se astfel problemele legate de expunerea personalului de laborator, cu costuri şi riscuri ridicate în cazul utilizării solvenţilor clasici. Din aceste motive, cel mai utilizat fluid supercritic în aplicaţiile analitice este bioxidul de carbon. In general, compuşii foarte polari nu prezintă solubilitate în CO 2 supercritic (CO 2 este o moleculă nepolară), putându-se astfel separa de cei nepolari sau moderat polari care se extrag uşor din diverse matrici complexe în CO 2 supercritic. Totuşi, această solubilitate poate fi mărită prin adăugarea în fluidul supercritic de cosolvenţi, sau modificatori, în diverse proporţii. Densitatea CO 2 în condiţiile de mai sus este superioară celei a n-hexanului, dar inferioară densităţilor metanolului sau clorurii de metilen. Deşi valoarea densităţii este un indicator aproximativ al forţelor de atracţie intermoleculare, în cazul CO 2 aceasta este apropiată de a lichidelor. In schimb, proprietăţile cinetice, precum viscozitatea şi coeficientul de difuzie al acidului benzoic (luat ca analit-etalon) îl apropie pe CO 2 supercritic mai mult de gaze decât de lichide. Aceasta contribuie la viteze mari de transfer de masă a solutului în fluidul supercritic, determinând un timp scurt de extracţie. In schimb, raportul presiunilor de vapori CO 2 /fenol este de 2-3 ordine de mărime mai mare decât în cazul celorlalţi solvenţi, având ca urmare posibilitatea de separare a solutului dizolvat (în acest caz - fenolul) de CO 2 utilizat, în urma procesului de decompresie a fluidului supercritic. Utilizarea efectivă a extracţiei cu fluide supercritice necesită o bună cunoaştere a parametrilor termodinamici şi cinetici care caracterizează procesul de distribuţie. Patru proprietăţi fizice sunt cruciale în planificarea şi executarea efectivă în scopuri analitice a SFE: densitate de prag (sau minimă), căreia îi corespunde o presiune pentru o anumită 118

4 temperatură utilizată, la care analiţii de interes încep să se distribuie în fluidul supercritic (parametru menţionat pentru prima dată de Giddings); intervalul de fracţionare al analiţilor din probă; maximul de solubilitate al analiţilor în fluid; cunoaşterea unor proprietăţi fizice ale analiţilor. Densitatea de prag căreia îi corespunde o presiune de prag este importantă în special atunci când se urmăreşte o extracţie selectivă a anumitor analiţi dintr-o probă din care unii componenţi ai probei, coextractibili în fluidul supercritic, au valori ale acestui parametru suficient de diferite de cele ale analiţilor de interes. Acest parametru nu trebuie confundat cu valoarea presiunii la care are loc o creştere semnificativă a solubilităţii analitului în fluid. Aceasta se poate observa din exemplul dat în Fig. 7.2, unde se redă dependenţa solubilităţii naftalinei în CO 2 supercritic, funcţie de presiune. In general, pentru CO 2 supercritic valoarea presiunii de prag este de 75 atm, iar valoarea presiunii la care solubilitatea este maximă se situează dincolo de 90 atm. 8 g/l Densitate redusa, CO 2 Fig Dependenţa solubilităţii naftalinei (g/l) în CO 2 supercritic. Nu există încă o explicaţie a multor aspecte privind extracţia analiţilor într-un fluid supercritic. Observaţii dintr-un număr foarte mare de experimente au permis formularea anumitor reguli de extracţie (Stahl), după cum urmează în următoarele exemple: a) hidrocarburile şi alţi compuşi organici hidrofobi, compuşi având o polaritate mică (ex. esteri, eteri, lactone sau epoxizi) pot fi extraşi într-un interval de presiuni joase ( atm); b) introducerea unor grupări funcţionale puternic polare şi hidrofile (-OH, -COOH) face ca extracţia să devină dificilă. Dintre derivaţii funcţionali ai benzenului cei cu până la trei grupări hidroxil, sau o grupare carboxil şi două grupări hidroxil, pot fi extraşi în CO 2 supercritic. In schimb, compuşii fenolici cu trei sau mai multe grupări hidroxil alături de cel puţin o grupare carboxil nu pot fi extraşi în CO 2 supercritic. c) compuşi puternic polari (aminoacizi, peptide, zaharide) nu pot fi extraşi în CO 2 supercritic până la o presiune de 400 atm. 119

5 d) extracţia unor compuşi polari şi hidrofili este posibilă doar prin adăugarea unui modificator polar (în proporţii mici, situate între 1 şi 10%); cel mai utilizat este CH 3 OH. In acest fel, compuşi polari, precum fenoli sau acizi carboxilici, pot fi extraşi cu randamente mari din matrici solide sau semi-solide. Alţi modificatori organici pentru extracţii în CO 2 supercritic pot fi: etanol, acetonă, acetonitril, sulfură de carbon, dioxid de sulf, hexafluorură de sulf, hexan, toluen, diclormetan, cloroform, triclorfluormetan, sau chiar acidul formic Etapele unei proceduri SFE Etapele unei proceduri SFE sunt următoarele: 1) Încărcarea probei într-un cartuş de extracţie, plasat într-o incintă termostatată. Fluidului supercritic de extracţie (CO 2 cu sau fără modificator organic) este adus la parametrii fizici optimi pentru procedura SFE. 2) Extracţia propriu-zisă, efectuată într-un cartuş de extracţie cu volum definit, în care se introduce proba. In mod simplist, în timpul extracţiei cu fluid supercritic au loc un proces de transport al analiţilor din matricea probei în volumul de fluid supercritic, în acord cu solubilitatea acestora faţă de fluid. Modelul pentru descrierea acestui proces se bazează pe difuzia substanţelor conform primei legi a lui Fick. Astfel că, viteza de difuziune a moleculelor (dată de masa de analit per unitate de timp, -dm/dt) de-a lungul unui strat de grosime notat cu d este dată de ecuaţia: dm A δ = (Cs Cb ) dt d (7.1) în care A reprezintă suprafaţa probei solide, δ este coeficientul de difuziune al analitului, C s este solubilitatea analitului în fluidul supercritic, iar C b este concentraţia analitului la momentul t. 3) Colectarea fluidului supercritic conţinând analiţii extraşi, care se face într-un dispozitiv numit restrictor, cu o anumită geometrie, care permite destinderea fluidului pe un spaţiu îngust. Prin destinderea fluidului supercritic acesta devine gaz, iar analiţii extraşi (de natura solidă sau lichidă) vor fi antrenaţi de gaz şi vor condensa pe pereţii unei trape plasată imediat după restrictor. Analiţii gazoşi extraşi pot fi pierduţi în urma destinderii, dacă nu se aplică la ieşire un adsorbant pentru reţinerea lor. 4) Reluarea analiţilor condensaţi într-un volum mic de solvent, ales astfel încât să dizolve analiţii de interes. Proba rezultată este analizată fie prin cromatografie de gaze, cromatografie de fluide supercritice sau cromatografie de lichide, în funcţie de natura analiţilor din probă Aplicaţii analitice Tehnicile de extracţie în fluide supercritice se pot realiza în două variante: off-line şi on-line cu sistemul cromatografic. Varianta off-line se efectuează automat, dar nu este cuplată cu cromatograful, proba fiind preluată de analist şi injectată în coloana cromatografică. Varianta off-line se poate realiza în două moduri: dinamic (în care fluidul supercritic trece continuu prin celula de extracţie) şi static (în care celula conţinând proba 120

6 este presurizată cu fluid supercritic ce nu părăseşte incinta până la terminarea extracţiei). [82] Metoda dinamică are avantajul că nu se utilizează nici o valvă între celula de extracţie şi modulul de colectare al analiţilor, ceea ce elimină posibilitatea oricăror pierderi de analiţi sau contaminări, aspecte extrem de importante în cazul componenţilor în urme ce urmează a fi determinaţi. Metoda statică permite un control mai riguros al raportului CO 2 /modificator, consumul de fluid fiind redus în special în cazul probelor mari (mai mari de 10 g). In figura următoare este redată diagrama unui proces bazat pe extracţie cu fluid supercritic şi componentele de bază ale unui instrument SFE. Modificator polar Pompă (LC) pentru modificator polar Preîncălzire Cilindru cu CO 2 lichid Pompă pentru CO 2 lichid Probă Cameră termostatată Cartuş de extracţie Restrictor Solvent pentru spălare Trapă Probă finală Fig Componentele unui proces de prelucrare a probelor bazat pe SFE. Presiunea fluidului supercritic este controlat prin restrictor. Cartuşul de extracţie este confecţionat din hotel inoxidabil, PEEK (polieter eter cetonă) sau alt material ce rezistă la presiuni mari (până la psi). Pompele utilizate în aceste extracţii au capacitatea de a distribui fluidul supercritic în cartuşul de extracţie la debite constante (cel puţin 2 ml/min), la presiuni situate între şi psi. Avantajele acestei extracţii faţă de extracţia clasică cu solvenţi sunt timpul de extracţie mai mic (penetrarea probei este mai eficientă de către moleculele fluidului) şi eliminarea etapei de concentrare, care se face prin simpla destindere a fluidului supercritic şi reluarea analiţilor într-un volum mic de solvent. Astfel, o procedură SFE durează în mod curent între 10 şi 60 minute. Extractul obţinut nu necesită operaţii de 121

7 filtrare, eventualele particule solide desprinse din probă reţinându-se în porii fritei cartuşului de extracţie. Extracţia în fluide supercritice a devenit o practică curentă în laboratoarele de control analitic. Datorită avantajelor, această tehnică de extracţie s-a impus ca o variantă acceptată în prelucrarea probelor de mediu, fiind recomandată de EPA în cazul izolării şi concentrării unor poluanţi organici, cum ar fi: hidrocarburi policiclice aromatice (PAHs), pesticide organo-clorurate, bifenili policloruraţi (PCBs). Câteva exemple importante privind utilizarea SFE în proceduri de izolare şi concentrare a unor compuşi din matrici complexe sunt redate în Tabelul 7.3. Tabel 7.3. Exemple de aplicaţii analitice ale extracţiei cu fluide supercritice. Analiţi extraşi Matricea probei Fluid Timp de extracţie supercritic (min) Probe biologice Grăsimi, pesticide Carne şi preparate CO Vitamina K1 Lapte praf CO 2 15 Vitamina K3 Hrană animală CO 2 20 Terpene, aldehide, esteri, alcooli Coajă de lămâie CO Probe de mediu şi alte probe solide Pesticide: diuron, linuron Sol CO 2/CH 3OH Pesticide triazinice Sol, vegetaţie CH 3OH 120 PAHs, PCBs Soluri, cenuşa, CO 2, N 2O 1-60 sedimente, particule în suspensie în aer CO 2/CH 3OH N 2O/CH 3OH C 2H 6 Dioxine Sedimente CO 2/CH 3OH Antrachinonă Hârtie, rumeguş CO 2 20 Hidrocarburi superioare Roci sedimentare CO Polimeri şi răşini PAHs, PCBs, alcani Spumă poliuretanică CO CO 2/CH 3OH PAHs, HO-PAHs, XAD-2 Izobutan NO 2-PAHs CO 2/CH 3OH Pesticide, PAHs Tenax CO 2 15 Aditivi de polimeri Polietenă CO Agenţi tensioactivi ionici Sol, nămoluri CO 2/CH 3OH