文献检索综述论文

双水相萃取分离技术的研究进展及应用

学院：材料与化学工程学院 专业：化学工程与工艺

学生： 年级: 09化工

学号： 指导老师：

摘 要 双水相萃取技术是一种较新的生物分离技术，近年来发展较快，因其与传统的液液萃取方法相比有着独特的优点，双水相萃取技术的应用和发展日益受到重视。本文综述了双水相萃取技术的基本原理、特点、及应用，并对双水相萃取技术存在的问题和发展趋势作了论述。

关键词 双水相体系 萃取技术 分离技术

1 前言

近年来，随着分离技术在生命科学、天然药物提纯及各类抗生素药物等方面应用的迅速发展，一种新型的液液分离技术-双水相萃取技术应运而生。双水相萃取技术又称水溶液两相分配技术是利用组分在两水相间分配的差异而进行组分的分离提纯的技术。由于双水相萃取分离过程具有条件温和、可调节因素多、易于放大和可连续操作以及不存在有机溶剂残留等优点，已被广泛用于生物物质的分离和提纯。早在19xx年，瑞典的Albertsson就首次运用了双水相萃取技术来提取生物物质，开始对ATPS(双水相系统)进行比较系统的研究，测定了许多ATPS(双水相系统)的相图，考察了蛋白质、核酸、病毒、细胞及细胞颗粒在ATPS(双水相系统)中的分配行为，为发展双水相萃取技术奠定了坚实的基础。目前，双水相萃取技术已被广泛地应用于医药化学、细胞生物学、生物化工和食品工业等领域，是一种具有广阔应用前景的新型分离技术。本文将就双水相萃取技术的原理、应用和进展作一简述。

2 双水相萃取原理 [1]

双水相萃取与水-有机相萃取的原理相似，都是依据物质在两相间的选择性分配，但萃取体系的性质不同。当物质进入双水相体系后，由于表面性质、电荷作用和各种力( 如憎水键、氢键和离子键等) 的存在和环境的影响，使其在上、下相中的浓度不同。分配系数K等于物质在两相的浓度比，由于各种物质的K值不同，可利用双水相萃取体系对物质进行分

离。对于某一物质，只要选择合适的双水相体系，控制一定的条件，就可以得到合适的分配系数，从而达到分离纯化之目的。

3 双水相萃取体系的特点

(1)系统含水量多达75%～90%，两相界面张力极低（10～10 N·m-1），有助于保持生物活性和强化相际间的质量传递，但也有系统易乳化的问题，值得注意。

(2)分相时间短（特别是聚合物/盐系统），自然分相时间一般只有5～15min。

(3)双水相分配技术易于连续化操作。若系统物性研究透彻，可运用化学工程中的萃取原理进行放大，但要加强萃取设备方面的研究。

(4)目标产物的分配系数一般大于3，大多数情况下，目标产物有较高的收率。

(5)大量杂质能够与所有固体物质一起去掉，与其它常用固液分离方法相比，双水相分配技术可省去1～2个分离步骤，使整个分离过程更经济。

(6)设备投资费用少，操作简单，不存在有机溶剂残留问题。

由于双水相萃取具有上述优点，因此，被广泛用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域的产品分离和提取。

4 双水相萃取技术的应用进展

4.1 在生命科学中的应用

传统的液液萃取分离，由于使用了有机溶剂，通常会使生物大分子（如蛋白质等）失活。而双水相技术作为一种生化分离技术，由于其条件温和，易操作，可调节因素多，目前已成功应用于生命科学中蛋白质、生物酶、细胞器、氨基酸、抗生素以及生物小分子等的分离纯化。双水相萃取技术在生命科学中的应用，国内外的研究都取得了很多丰富的成果。如Miyuki通过PEG/ K3PO4双水相体系，用两步法对葡糖淀粉酶进行了萃取纯化。用第一步萃取后含有酶的下相和PEG组成双水相作为第二步萃取体系，称作两步法。葡糖淀粉酶的最佳分配条件是PEG4000(第一步)、PEG 1500 (第二步)，pH=7，纯化系数提高了3倍。张志娟等用PEG/磷酸盐双水相体系萃取青霉TS67胞外活性蛋白，研究了PEG的浓度、磷酸盐的浓度对蛋白的分配特性的影响。周念波等采用PEG-(NH4)2SO4双水相体系直接从

Bacillus sp．LS发酵液上清液中分离壳聚糖酶，确定了室温下双水相萃取最佳条件为：PEG [4][3][3]-7-4[2]

600 20％、(NH4)2SO4 20％、NaCl 0.1％、pH值6.0，在此条件下壳聚糖酶分配系数达5.91，萃取率达88.7％。

4.2 在天然药物提取与分离中的应用

双水相萃取技术在天然药物提取与分离方面也有着独特的优势。在这方面的许多研究成果主要集中在国内。如朱自强等用8%的PEG 2000与20%的(NH4)2SO4组成的双水相系统提取青霉素G，分配系数高达58.39，浓缩倍数为3.53，回收率为93.67%。霍清分别研究了葛根素在PEG/(NH4)2SO4双水相体系与丙酮/K2HPO4双水相体中的分配特性，实验确定了PEG/(NH4)2SO4双水相最佳体系：PEG 1500质量分数20％，(NH4)2SO4质量分数16％，最大的分配系数可达148.2，最大收率99.09％；丙酮/ K2HPO4双水相最佳体系为：丙酮:水=8:2，K2HPO4质量为1.5g，最大的分配系数可达36.7，最大收率99.55％。刑健敏等研究了聚乙二醇/盐双水相体系中烟碱的分配行为，确定了当含盐量25%、pH=9为体系的最佳分离萃取条件，回收率为96.7%，纯度为99.87%。

4.3 在金属分离及络合物中的应用

双水相还可用于稀有金属/贵金属分离，传统的溶剂萃取方法存在着溶剂污染环境，对人体有害，运行成本高，工艺复杂等缺点。双水相技术萃取技术引入到该领域，无疑是金属分离的一种新技术。据报道，在丙醇-硫酸铵双水相萃取体系中，实现了从大量基体金属如Fe2＋、Ca2＋、Mg2＋、Mn2＋、Al3＋、Pb2＋和Zn2＋中分离Pd(Ⅱ)，萃取率可达99．2％。在溴化十六烷基吡啶一双水相体系中，实现了能够使Bi(Ⅲ)与Mn(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Al(Ⅲ)等常见离子完全分离；在丙醇-硫酸铵-碘化钾双水相体系中，实现了Au(Ⅲ)的分离，获得了最佳萃取条件：HCl浓度0.6mol/L，(NH4)2SO4用量6.0g，KI浓度0.1mol/L，在最佳萃取条件下，体系对Au的平均萃取率为98.6％

5 双水相萃取技术的局限和展望

目前，双水相萃取技术已被研究用于众多生物产品的分离提纯，并显示出众多其他分离技术不具备的优点，是一种应用前景广阔的新型生物分离技术。但是，要将这一技术开[10][9][8][7][6][5]。

发应用到大规模生产过程，还有许多理论和实践方面的技术问题有待解决。在理论上，由于双水相体系中组分间的作用非常复杂，目前还没有建立一套较为完整的理论和方法解释和预测物质在双水相体系中的相行为和被分配物质在两相中的分配行为。研究的方法基本上还是通过实验的方法，但研究的结果还只是建立在实验的基础上，大部分情况下不能外延，缺乏对过程规律的认识。在实践上，双水相体系分离的成本、效率、操作条件等存在很多的不确定性。如双水相体系中经常使用的聚合物/聚合物构成的双水相体系，虽具有良好的分离性能，但用于构造双水相体系的成相聚合物的价格都比较昂贵，对于一般的生物产品，分离成本过高，从经济上是不合理的。又如双水相体系界面张力较小，虽有利于提高传质效率，但是较小的界面张力会易导致乳化现象的产生，使相分离时间延长，分离效率降低。

为了让双水相体系萃取技术走向成熟化，工业化，以下几个方面值得大家重视：继续研发利用廉价的无机盐等代替常用的昂贵的葡聚糖；利用廉价易得的原料如变性淀粉PPT、糊精、麦芽糖糊精、乙基羟乙基纤维素等取代葡聚糖；用分子量较小的乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃等替代聚乙二醇；研究如何通过改变双水相体系的组成，操作条件，来节约双水相体系分离所需的时间，提高双水相体系的分离效率等等。

参考文献

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[2] , 柴金玲, 谷学新. 新型的萃取技术—双水相萃取. 化学教育, 2005, (3) :7- 8.

[3] 张志娟, 王素英, 林媛. PEG/磷酸盐双水相体系萃取青霉TS67胞外活性蛋白的研究[J]. 安徽农业科学, 20O9, 37(17) :7841—7843

[4] 周念波, 周吉祥, 涂绍勇等. PEG一(NH4)2 SO4双水相萃取法提取壳聚糖酶的研究[J]. 化学与生物工程, 2010, 27(1) :49-51

[5] 朱自强, 关怡新, 李勉. 双水相系统在抗生素提取和合成中的应用[J]. 化工学报, 2001, 52(12) :1039-1048.

[6] 霍清．葛根素在双水相体系中分配特性的研究[J]．北京中医药大学学报, 2004, 27(4) :51-53.

[7] 邢健敏, 李芬芳, 赵红霞等. 双水相体系／溶剂反萃取法制备高纯天然烟碱[J]. 天然产物研究与开发, 2009, 21 :489-491.

[8] 高云涛, 王伟. 钯(Ⅱ)碘络合物在丙醇一硫酸铵双水相萃取体系中的分配行为及在钯测定中的应用[J]. 贵金属, 2006, 27(3) :45-53.

[9] 姚巧玲, 苏永祥. 溴化十六烷基吡啶一双水相体系萃取分离Bi(Ⅲ)的研究[J]. 焦作大学学报, 2007, 21(4) :57-58.

[10] 施跃坚, 高云涛. 金(Ⅲ)在双水相体系中的分配行为及萃取机理研究[J]. 云南民族大学学报, 2009, 18(4) :344-347.

 

第二篇：化工文献检索论文

固体氧化物燃料电池的研究进展

[摘要]：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。笔者通过对现阶段固体氧化物燃料电池的研究文献的查阅，本文主要从固体氧化物燃料电池的研究进展、阳极和阴极材料的使用和电解质的选用的研究现状进行阐述。

[关键字] 固体氧化物燃料电池 阳极 阴极 电解质 研究 进展

1、引言

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将化学能直接转化为电能的电化学装置,它由于具有能量转换率高、燃料可选范围广、不需要贵金属催化以及全固态结构带来的操作方便等优点而被认为是一种很有发展前途的燃料电池。而研究它必须从电解质、阳极、阴极材料的选取和固体氧化物燃料电池的研究进展进行进一步的探讨。

2、正文

2.1固体氧化物得概述

华中科技大学材料科学与工程学院李箭、肖建中等人写的《固体氧化物燃料电池的现状与发展》一文对固体氧化物得到以下概述：固体氧化物燃料电池是一个将化石燃料中的化学能转换为电能的发电装置。这里所谓的化石燃料可以是天然气、煤气、汽油或柴油，以及其他碳氢化合物。能量转换是通过电极上的电化学反应来进行的，阴极和阳极反应分别为:

2.2研究开发固体氧化物燃料电池的意义

固体氧化物燃料电池是一种高效、节能、清洁、安静和可靠的发电装置。意义主要包括： 电力需求、环境考虑、国家安全、电力可靠性

2.3固体氧化物燃料电池阴极材料研究进展

开发性能优良的阴极材料是降低中低温固体氧化物燃料电池成本的关键，就目前而言固体氧化物燃料电池阴极材料研究有如下几个方面的进展：

①钙钛矿结构阴极材料：混合导电的钙钛矿阴极材料在低温下有良好的电化学性能，但单纯追求高的催化活性的研究在实际的应用过程中可能达不到期望的效果，钙钛矿阴极材料的研究必须综合考虑电化学性能、热膨胀系数、反应性、材料的稳定性及对运行。

②Huddleston-Popper型结构阴极材料：尽管它有良好的阴极电催化性能和热匹配性能，但是目前所报道的在ＳＯＦＣ的性能仍低于预期值，主要原因可能在于其与电解质的相容性问题，因此，这类材料的应用仍需进一步的研究。

③双层钙钛矿结构阴极材料：尽管这类材料呈现出优良的电化学性能，但是目前研究数据相对较少，尤其是在极化条件下的电化学性能数据不足。与同类的含钴钙钛矿材料相比，目前这类材料并未显示出性能的优越性，且其化学稳定性和长期性能仍有待评估。

④其它阴极材料：目前这方面的研究主要还是以上一、二点，其他阴极材料环境的适应性不好。

总之研究低温下性能优良的阴极材料是降低燃料电池成本的关键。虽然某些阴极材料的电化学性能比传统ＬＳＭ材料高很多，但在化学稳定性、与电池其它元件的热膨胀匹配性方面存在问题。对于材料组分的优化，必须在热膨胀性能和电化学性能之间做出取舍。有序双层钙钛矿结构材料的缺陷机理与钙钛矿结构材料相同，但因其不同的结构在材料内形成了无 1

序自由氧离子迁移通道，极大地改善了氧传递特征和氧表面交换动力学，且其热膨胀系数比钙钛矿材料更低，因此这类材料正成为钙钛矿类材料研究新方向。Ｋ２ＮｉＦ４型材料的电子电导率比同类的钙钛矿材料更低，但因其间隙位置过度氧的存在，具备了优良的氧扩散性能和电化学活性，与常用电解质材料的热膨胀系数非常接近，但与电解质的反应性有待解决。从改善阴极氧还原催化活性的角度出发，这类具有间隙氧传递特征的材料将是ＳＯＦＣ阴极研究的新方向。

2.4固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展

单一的SOFC不可缺少的组成部分是两个多孔的电极和两电极之间致密的氧离子导电电解质层。在阴极(空气极)方面,氧分子得到电子被还原成氧离子,氧离子在电极两侧氧浓度差驱动力的作用下,通过电解质中的氧空位定向跃迁,迁移到阳极(燃料电极)上与燃料气体进行氧化反应,电子传到外回路,形成电流,带动负载工作[2]。传统的SOFC必须在800℃以上的温度下进行操作才能得到较高的功率输出,但高的操作温度不仅对电池的连接密封材料的选择提出了苛刻的要求,而且加剧了电池组件间副反应的发生,使电池的成本居高不下,从而限制了其市场的发展,所以降低SOFC的操作温度成为当前SOFC的研究热点之一。阳极除了在薄膜化的SOFC中起到支撑体的作用,还作为燃料发生电化学反应的催化剂,并提供反应界面。同时,它是燃料电池电路系统中不可缺少的重要组成部分。阳极材料的选择、微观结构的设计直接影响SOFC的工作特性,而阳极的性能除与其组成有关外,还受其微观结构、温度、制造工艺及电池结构等的强烈影响[3]。国内外对SOFC阳极材料已展开许多研究工作,并取得丰富的研究成果。所以,我们对SOFC阳极材料的发展历程和各种阳极材料的工作特征、优缺点进行归纳和总结。就目前而言固体氧化物燃料电池阳极材料研究有如下几个方面的进展：

①金属：阳极曾用过具有电子导电性的材料,如Pt,Ag等贵金属,石墨,过渡金属铁、钴、镍等都曾作为阳极加以研究。贵金属不仅成本太高,而且在较高的温度下还存在Ag的挥发问题,Pt电极在SOFC运行中,反应产生的水蒸气会使阳极和电解质发生分离;过渡金属也有一定的局限性。如铁也可以作为阳极材料,但是铁在高温下容易被氧化而失去活性。后来人们用廉价的Ni代替了Pt、Ag等贵金属。但Ni颗粒的表面活性高,容易烧结团聚,不仅会降低阳极的催化活性,而且由于电极烧结、孔隙率降低,会影响燃料气体向三相界面扩散,增加电池的阻抗。Co也是一种很好的阳极材料,其电催化性能比Ni好,但是Co的价格比较贵,限制了它在实际中的应用。因此,纯金属阳极都不能为SOFC技术所采用。

②Ni-ZrO2(Y2O3)金属陶瓷：目前使用Ni基阳极的SOFC性能已经很好,但是尽管如此,Ni/YSZ仍不能满足理想阳极所有的条件。除了高温操作时易发生镍的烧结外,Ni/YSZ阳极的另外两个大的缺点是采用碳氢燃料时容易发生积碳以及对硫化氢低的容忍度。当甲烷和一氧化碳在阳极发生直接氧化时,由于两者裂解生成的碳沉积在镍的表面,堵塞了阳极的多孔结构,会使阳极性能衰退。现在有人尝试在燃料气中加入适当的水蒸气对甲烷进行重整,虽然能有效的抑制碳沉积,但是由于甲烷的水蒸气重整是一个强吸热反应,进行内部重整时,会在电池内部造成较大的温度梯度,严重时会使电池部件发生断裂。内部重整引发的另一个问题是高温时阳极材料的分层。为了避免这些问题,大量的工作都是在寻找其他的阳极材料,以采用干的或只需加入少量水的甲烷燃料。

③Cu基金属陶瓷：Cu基阳极对碳氢化合物的直接电化学氧化有很好的发展潜力。 ④CeO2基的复合材料：虽然目前CeO2基阳极材料在燃料电池中的应用还仅限于实验探索阶段,但它作为一个前景可观的阳极催化剂体系,必将受到越来越广泛的关注。

⑤钙钛矿结构的氧化物：在寻找耐硫及没有积碳阳极材料的过程中,钙钛矿结构的氧化物因其能在很宽的氧分压和温度范围内保持结构和性质稳定而受到电化学工作者的极大关注。

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⑥铬酸镧(LaCrO3)材料：由于Ni会与LSGM反应生成低导电的LaNiO3,而导致电池性能的衰退,所以在以LSGM为电解质的情况下不能够掺杂Ni元素,而只能考虑到其他元素,如铈基材料等。其掺杂后的效果还有待进一步的研究。

⑦SrTiO3基材料：还有人采用SrTiO3基材料作为阳极材料,研究发现其电导率偏低,但是它的热膨胀系数和热稳定性与电解质SrTiO3基材料都有很好的匹配[36],所以通过掺杂改良这种材料还是有望成为ITSOFC的阳极材料。通过研究可以发现采用钙钛矿作为SOFC的电极材料是可行的,但是其具体机理还有待进一步的研究。

⑧其他氧化物：除了CeO2基和钙钛矿结构的氧化物外,人们还进行了其他氧化物的研究,包括烧绿石型,四方钨青铜型氧化物等。

2.5固体氧化物料电池电质材的研究进展

SOFC的电解质材料是制约其运行温度的关键，电解质材料的选取对SOFC的制备有着至关重要的作用。在氧化和还原环境中以及从室温到工作温度范围内，电解质必须要有足够高的离子电导率和低得可以忽略的电子电导率，并且是化学稳定和物理稳定的，要与电极材料有良好的化学相容性和热膨胀性，要有较高的机械强度和韧性。电解质材料按照导电离子的不同可以分为2类:质子导电电解质和氧离子导电电解质。

①氧化错系电解质：氧化错系电解质在SOFC中有着广泛的应用还有赖于其高的稳定性和与其它组元间良好的相容性，但其力学性能表现一般，对电解质自支撑的平板式SOFC工业化应用有一定限制。进一步提高其低温电导率和力学性能，使其应用于中低温SOFC是这一类材料的研究关键。

②氧化钵系电解质：氧化钵系电解质在中低温下有高的电导率，单电池可获得高的功率密度，是用于中低温SOFC的较理想电解质，对其研究是当今中低温SOFC电解质的热点。但氧化钵电解质有1个缺点，就是在低的氧分压下有明显的电子电导，这限制了它在SOFC中的应用。引人Gd，Pr等杂质可以提高氧化钵在还原气氛中的抗还原能力，也可以通过添加中间层来抑制氧化钵的还原。另外，在CeO:中掺人同价和变价的混合物以形成复合电解质，同时提高其离子电导率并降低了其电子电导率，也可以克服氧化钵电解质的这一缺点。这种方法当前研究得比较活跃。

③LaGaO3钙钦矿系电解质：它的不足之处是随着时间的延长，Ga的流失会导致LSGM致密度下降，影响其性能。当前需要着重研究的是这种新型电解质的长期稳定性，并寻找与它能良好匹配的阳极和阴极材料。

总而言之目前，固体氧化物燃料电池的发展趋势是降低其工作温度，向中低温固体氧化物燃料电池方向发展。一种途径是采用薄膜化的方法降低电解质的厚度，从而提高其电导率，但这种方法有一定限度，还会增加成本。另外就是采用有高的中低温电导率的材料，如氧化钵系及其无机盐复合电解质、LSGM电解质等。如果能提高这些电解质材料的稳定性，配以适宜的电极材料，延长电池的工作寿命，则距SOFC的商业化已为时不远。

2.6固体氧化物燃料电池的应用前景

目前对于固体氧化物燃料电池的研究开发旨在向所有可能的市场提供基本的标准组件，逐步取代现有的发电和供电方式。主要应用大致分为以下几方面的内容:

①固定发电站:固定固体氧化物燃料电池电站主要是为家庭、偏远地区以及商业用电提供电源。

②交通运输:对于美国这样生活在车轮上的国家而言，固体氧化物燃料电池作为机动车辆的辅助电源将有很好的应用前景。

③军事:军事用电通常要求安静、耐用、可靠、不间断，不留下热的痕迹。

2.7结束语

固体氧化物燃料电池的研究和开发受到了世界许多国家的普遍重视，包括美国，欧洲， 3

日本，澳大利亚，韩国等。我国目前对于燃料电池的研究主要集中在以汽车驱动电源为应用对象的PEM上，而SOFC的研究与世界先进水平还存在着一段不小的差距。希望政府和民间都能给予3)FC技术足够的重视和支持。

参考文献

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[2]毛宗强.燃料电池[M].北京:化学工业出版社,2005:293-300.

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[7]张森,史鹏飞.新型锂离子聚合物蓄电池的性能和失效机理.电源技术,2004,28

Solid oxide fuel cell research progress

He li hong（2009131255）

( Qu Jing normal university )

Abstract solid oxide fuel cell is the chemical energy of the fuel directly into electrical electrochemical device, high efficiency, zero pollution, without noise. The author of the present solid oxide fuel cell research and literature of access, this article mainly from the solid oxide fuel cell research and development, the anode and cathode materials used and the selection of electrolyte present situation of the study in this paper.

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