1-Ethyl-3-methylimidazolium bis{(trifluoromethyl)sulfonyl}amide as solvent for the separation of aromatic and aliphatic hydrocarbons by liquid extraction - extension to C-7- and C-8-fractions

The ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium bis{(trifluoromethyl)sulfonyl}amide ([C(2)mim][NTf2]) was tested as solvent for the separation of aromatic and aliphatic hydrocarbons containing 7 or 8 carbon atoms (the C-7- and C-8-fractions). The liquid-liquid equilibria (LLE) of the ternary systems (heptane + toluene + [C(2)mim][NTf2]) and (octane + ethylbenzene + [C(2)mim][NTf2]), at 25 degrees C, were experimentally determined. The performance of the ionic liquid as the solvent in such systems was evaluated by means of the calculation of the solute distribution ratio and the selectivity. The results were compared to those previously reported for the extraction of benzene from its mixtures with hexane by using the same ionic liquid, therefore analysing the influence of the size of the hydrocarbons. It was found that the ionic liquid is also good for the extraction of C-7- and C-8- fraction aromatic compounds, just a greater amount of ionic liquid being needed to perform an equivalently efficient separation than for the C-6-fraction. It is also discussed how [C(2)mim][NTf2] performs comparably better than the conventional solvent sulfolane. The original 'Non-Random Two-Liquid' (NRTL) equation was used to adequately correlate the experimental LLE data.

Development of a solid-phase extraction coupling chemiluminescent enzyme immunoassay for determination of organophosphorus pesticides in environmental water samples

Solid-phase extraction (SPE) and direct competitive chemiluminescence enzyme immunoassay (dcCL-EIA) were combined for the detection of organophosphorus pesticides (OPs) in environmental water samples. dcCL-EIA based on horseradish peroxidase labeled with a broad-specificity monoclonal antibody against OPs was developed, and the effects of several physicochemical parameters on dcCL-EIA performance were studied. SPE was used for the pretreatment of water samples to remove interfering substances and to concentrate the OP analytes. The coupling of SPE and dcCL-EIA can detect seven OPs (parathion, coumaphos, phoxim, quinalphos, triazophos, dichlofenthion, and azinphos-ethyl) with the limit of quantitation below 0.1 ng/mL. The recoveries of OPs from spiked water samples ranged from 62.5% to 131.7% by SPE-dcCL-EIA and 69.5% to 112.3% by SPE-HPLC-MS/MS. The screening of OP residues in real-world environmental water samples by the developed SPE-dcCL-EIA and their confirmatory analysis using SPE-HPLC-MS/MS demonstrated that the assay is ideally suited as a monitoring method for OP residues prior to chromatographic analysis.

Selective solid-phase extraction sorbent for caffeine made by molecular imprinting

A molecularly imprinted polymer (MIP) was prepared with caffeine as the template molecule. Thermal polymerisation (60°C) was optimised, varying ratios of monomer, cross linker and template. The polymer was used as a solid-phase extraction (SPE) sorbent, for selective trapping and pre-concentration of caffeine. Caffeine was loaded on the MIP-SPE cartridge using different loading conditions (solvents, pH value). Washing and elution of the caffeine bound to the MIP was studied utilising different protocols. The extraction protocol was successfully applied to the direct extraction of caffeine from beverages and spiked human plasma.

Preparation of a molecularly imprinted polymer for the solid-phase extraction of scopolamine with hyoscyamine as a dummy template molecule

Molecularly imprinted polymers (MIPs) selective for scopolamine were produced using hyoscyamine (a close structural analogue) as template molecule. The produced polymers were used as media for solid-phase extraction, exhibiting selective binding properties for the analyte from biological samples. Human and calf urine and serum were processed on the MIP under various extraction protocols. The best performance was observed after loading the analyte in aqueous environment facilitating retention on the MIP by non-selective hydrophobic interactions. The MIPs were subsequently washed using an optimised solvent system to enable selective desorption of the analyte. Other related and non-related compounds were accessed to evaluate molecular recognition properties. Recoveries of up to 79% were achieved for the analyte of interest from biological samples.

Use of water in aiding olefin/paraffin (liquid + liquid) extraction via complexation with a silver bis(trifluoromethylsulfonyl)imide salt

This paper describes the extraction of C₅–C₈ linear α-olefins from olefin/paraffin mixtures of the same carbon number via a reversible complexation with a silver salt (silver bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, Ag[Tf₂N]) to form room temperature ionic liquids [Ag(olefin)_x][Tf₂N]. From the experimental (liquid + liquid) equilibrium data for the olefin/paraffin mixtures and Ag[Tf₂N], 1-pentene showed the best separation performance while C₇ and C₈ olefins could only be separated from the corresponding mixtures on addition of water which also improves the selectivity at lower carbon numbers like the C₅ and C₆, for example. Using infrared and Raman spectroscopy of the complex and Ag[Tf₂N] saturated by olefin, the mechanism of the extraction was found to be based on both chemical complexation and the physical solubility of the olefin in the ionic liquid ([Ag(olefin)_x][Tf₂N]). These experiments further support the use of such extraction techniques for the separation of olefins from paraffins.

Investigation of the solid-liquid phase transition of carbon at 150 GPa with spectrally resolved X-ray scattering

We have resolved the solid-liquid phase transition of carbon at pressures around 150GPa. High-pressure samples of different temperatures were created by laser-driven shock compression of graphite and varying the initial density from 1.30g/cm³ to 2.25g/cm³. In this way, temperatures from 5700K to 14,500K could be achieved for relatively constant pressure according to hydrodynamic simulations. From measuring the elastic X-ray scattering intensity of vanadium K-alpha radiation at 4.95keVat a scattering angle of 126°, which is very sensitive to the solid-liquid transition, we can determine whether the sample had transitioned to the fluid phase. We find that samples of initial density 1.3g/cm³ and 1.85g/cm³ are liquid in the compressed states, whereas samples close to the ideal graphite crystal density of 2.25g/cm³ remain solid, probably in a diamond-like state.

Solid-liquid interfacial free energy out of equilibrium

The properties of the interface between solid and melt are key to solidification and melting, as the interfacial free energy introduces a kinetic barrier to phase transitions. This makes solidification happen below the melting temperature, in out-of-equilibrium conditions at which the interfacial free energy is ill defined. Here we draw a connection between the atomistic description of a diffuse solid-liquid interface and its thermodynamic characterization. This framework resolves the ambiguities in defining the solid-liquid interfacial free energy above and below the melting temperature. In addition, we introduce a simulation protocol that allows solid-liquid interfaces to be reversibly created and destroyed at conditions relevant for experiments. We directly evaluate the value of the interfacial free energy away from the melting point for a simple but realistic atomic potential, and find a more complex temperature dependence than the constant positive slope that has been generally assumed based on phenomenological considerations and that has been used to interpret experiments. This methodology could be easily extended to the study of other phase transitions, from condensation to precipitation. Our analysis can help reconcile the textbook picture of classical nucleation theory with the growing body of atomistic studies and mesoscale models of solidification.

Deep separation of benzene from cyclohexane by liquid extraction using ionic liquids as the solvent

Separation of benzene and cyclohexane is one of the most important and difficult processes in the petrochemical industry, especially for low benzene concentration. In this work, three ionic liquids (ILs), [Bmim][BF ₄], [Bpy][BF ₄], and [Bmim][SCN], were investigated as the solvent in the extraction of benzene from cyclohexane. The corresponding ternary liquid-liquid equilibria (LLE) were experimentally determined at T = 298.15 K and atmospheric pressure. The LLE data were correlated with the nonrandom two-liquid model, and the parameters were fitted. The separation capabilities of the ILs were evaluated in terms of the benzene distribution coefficient and solvent selectivity. The effect of the IL structure on the separation was explained based on a well-founded physical model, COSMO-RS. Finally, the extraction processes were defined, and the operation parameters were analyzed. It shows that the ILs studied are suitable solvents for the extractive separation of benzene and cyclohexane, and their separation efficiency can be generally ranked as [Bmim][BF ₄] > [Bpy][BF ₄] > [Bmim][SCN]. The extraction process for a feed with 15 mol % benzene was optimized. High product purity (cyclohexane 0.997) and high recovery efficiency (cyclohexane 96.9% and benzene 98.1%) can be reached. © 2012 American Chemical Society.

Extraction and purification of triterpenic acids from eucalypt bark

A indústria da pasta e do papel é um sector importante da economia mundial, particularmente a que assenta em espécies de Eucalyptus. No entanto, essas indústrias geram quantidades significativas de correntes secundárias de subprodutos e resíduos de biomassa que podem ser exploradas em aplicações de valor acrescentado em vez de serem queimadas para produção de energia. Um exemplo nobre pode ser a produção de ácidos triterpénicos com estruturas dos tipos lupano, oleanano e ursano, dada a sua abundância em alguns destes resíduos, em particular na casca, adotando o conceito de biorrefinaria integrada numa fábrica de pasta. Estes compostos são conhecidos pelas suas inúmeras actividades biológicas, por exemplo, antioxidante, anti-inflamatória e antitumoral, e podem encontrar aplicações em produtos de elevado valor, tais como cosméticos, nutracêuticos ou farmacêuticos. Neste sentido, o estudo das potencialidades das cascas das espécies de eucalipto mais exploradas enquanto fontes de compostos triterpénicos é um tópico relevante. Por conseguinte, foram analisados e comparados em pormenor os teores e composições em ácidos triterpénicos (TTAs) das cascas externas de várias espécies de eucalipto (E. globulus, E. grandis, E. urograndis, E. maidenii e E. nitens). Os teores dos principais TTAs identificados nestas espécies variaram entre 4.5 g/kg no E. urograndis e 21.6 g/kg no E. nitens. Observou-se que as cascas externas de Eucalyptus de zonas temperadas e Mediterrânicas, nomeadamente E. nitens e E. globulus, são mais ricas em TTAs que as espécies de regiões tropicais e subtropicais. Além disso, a casca externa do E. globulus é claramente a mais rica em ácidos com estruturas do tipo ursano enquanto a do E. nitens é a mais rica em ácidos do tipo oleanano e lupano. Estes resultados levaram-nos a estudar a extração dos TTAs da casca de Eucalyptus, bem como a sua posterior concentração e purificação, a qual foi efetuada por extração sólido-líquido convencional combinada com a precipitação de solutos, e por extração com fluidos supercríticos (SFE). No que diz respeito à primeira abordagem referida, foi desenvolvido neste trabalho um método patenteado que permite obter extratos enriquecidos em TTAs das cascas de eucalipto baseado em tecnologias disponíveis no imediato. Em relação à segunda abordagem, e de forma a apostar em processos de baixo impacto ambiental exigidos pelas biorrefinarias do futuro, a SFE surge como uma opção natural. Assim, foi efetuada a SFE da casca caduca do E. globulus com dióxido de carbono puro e modificado para recuperar a fração de TTAs, e os resultados foram comparados com os obtidos por extração em Soxhlet com diclorometano. Foram realizados estudos preliminares sobre a influência da pressão (100-200 bar), a adição de co-solvente (0, 5 e 8% m/m de etanol), e operação em múltiplos passos a fim de avaliar a aplicabilidade da alternativa supercrítica para a sua produção eficiente e selectiva. Os resultados destacaram a influência da pressão e o importante papel resumo (cont.) desempenhado pelo co-solvente neste processo, cujo efeito foi mais relevante do que o aumento da pressão em várias dezenas de bar. Este trabalho foi depois otimizado, usando o planeamento factorial de experiências e a metodologia de superfícies de resposta, para analisar a influência da temperatura (40-60 ºC), pressão (100-200 bar), e teor de etanol (0.0-5.0% m/m) na recuperação dos TTAs e respectiva concentração nos extractos. Nestes intervalos, as melhores condições de operação encontradas foram 200 bar, 40 °C e 5% de etanol, para as quais os modelos de regressão estatisticamente validados previram um rendimento de extração de 1.2% com 50% de concentração em TTAs, correspondendo ao rendimento em TTAs de 5.1 g/kg de casca e uma recuperação de 79.2% comparativamente ao valor do Soxhlet. Os TTAs livres e acetilados apresentaram tendências de extracção bastante distintas devido às suas diferentes afinidades para o CO2 causadas pelas diferentes polaridades: os derivados acetilados aproximam-se de um patamar máximo a cerca de 200 bar e 5% de etanol, enquanto a extração dos TTAs livres apresenta uma tendência sempre crescente no intervalo de condições estudado. Foram também medidas curvas cumulativas de SFE da casca do E. globulus de forma a analisar o comportamento cinético do processo em termos de rendimento total, rendimento em TTAs, rendimento em TTAs livres, rendimento em TTAs acetilados, e concentração dos TTAs nos extractos. Foi analisada a influência da pressão, temperatura, teor de co-solvente e caudal do dióxido de carbono sobre as respostas anteriores. Os dados experimentais foram modelados com os modelos Logístico, de Dessorção, de Placa Plana Simples, e de Difusão. Na globalidade, os resultados confirmaram que a pressão e o teor de etanol têm um efeito significativo sobre as curvas de extração, os rendimentos finais e as concentrações dos extratos, e mostraram a presença de limitações externas à transferência de massa em alguns ensaios. Mais uma vez, as famílias individuais de TTAs livres e acetilados apresentaram diferentes tendências de extracção. A modelação permitiu-nos confirmar não só o importante papel desempenhado pela difusão intraparticular na SFE, mas também a contribuição da resistência no filme em alguns ensaios. Após a análise de todos os resultados, foi efetuado um ensaio em duas etapas em série, possibilitando o enriquecimento do teor em TTAs no extracto devido às diferentes condições adotadas em cada etapa. Por último, um éster metílico de um ácido triterpénico do tipo oleanano - morolato de metilo - foi identificado pela primeira vez enquanto componente da casca de Eucalyptus na casca externa do Eucalyptus grandis x globulus, onde ocorre em teores elevados. A sua extração com CO2 supercrítico foi também realizada, visando a conceção de uma alternativa de extração ambientalmente benigna para este composto. A 200 bar e 60 ºC, a remoção do morolato de metilo atingiu um patamar às 6 h para 5.1 kg h-1 de CO2 / kg de casca. Em geral, e de forma semelhante à SFE da casca do E. globulus, os TTAs acetilados foram mais significativamente extraídos quando comparados com os seus ácidos livres, o que está diretamente relacionado com a natureza menos polar destas moléculas. O trabalho apresentado nesta tese é uma contribuição para a valorização de uma corrente de biomassa com baixo valor na indústria de pasta em duas vertentes complementares. Por um lado, aumentou o conhecimento da composição lipofílica das cascas de Eucalyptus spp. com interesse comercial para a produção de pasta, destacando o seu potencial enquanto fontes de ácidos triterpénicos. Por outro lado, foram desenvolvidos dois processos alternativos e facilmente integráveis numa fábrica de pasta para a sua exploração a partir da casca: um baseado em tecnologias convencionais bem estabelecidas a nível industrial, prevendo a sua aplicação a curto prazo, e um outro baseado na SFE, seguindo as tendências das futuras biorrefinarias.