Extração sólido-líquido

Solid-Liquid Extraction

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Organic Chemistry

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JoVE Science Education Organic Chemistry

Solid-Liquid Extraction

2.4: Rotary Evaporation to Remove Solvent

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09:32 min

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March 04, 2015

Overview

Fonte: Laboratório do Dr. Jay Deiner — City University of New York

A extração é um passo crucial na maioria das análises químicas. Implica remover o analito de sua matriz amostral e passá-lo para a fase necessária para identificação e quantificação espectroscópica ou cromatográfica. Quando a amostra é sólida e a fase necessária para análise é um líquido, o processo é chamado de extração de líquido sólido. Uma forma simples e amplamente aplicável de extração de líquido sólido implica combinar o sólido com um solvente no qual o analito é solúvel. Através da agitação, as partições de analitos para a fase líquida, que podem então ser separadas do sólido através da filtração. A escolha do solvente deve ser feita com base na solubilidade do analito alvo e no equilíbrio de custos, segurança e preocupações ambientais.

Principles

A extração utiliza a propriedade da solubilidade para transferir um soluto de uma fase para outra fase. Para realizar uma extração, o soluto deve ter uma solubilidade maior na segunda fase do que na fase original. Na extração líquido-líquido, um soluto é separado entre duas fases líquidas, tipicamente uma fase aquosa e orgânica. No caso mais simples, três componentes estão envolvidos: o soluto, o líquido transportador e o solvente. A mistura inicial, contendo o soluto dissolvido no líquido transportador, é misturada com o solvente. Após a mistura, o soluto é transferido do líquido transportador para o solvente. A solução mais densa se instala até o fundo. A localização do soluto dependerá das propriedades dos líquidos e do soluto.

A extração líquido-sólido é semelhante à extração líquido-líquido, exceto que o soluto é dispersado em uma matriz sólida, em vez de em um líquido transportador. A fase sólida, contendo o soluto, é dispersada no solvente e misturada. O soluto é extraído da fase sólida para o solvente, e a fase sólida é então removida por filtração.

Neste vídeo, um exemplo da técnica de extração de líquido sólido será ilustrado mostrando a extração de resíduos organocloridos do solo. A extração de líquido sólido ilustrado implica combinação da amostra com n-hexanos seguido de agitação ultrassônica, filtração, remoção de água residual secando sobre CaCl₂, e pré-concentração sob nitrogênio fluindo. A amostra como preparada está então pronta para análise por uma série de métodos espectroscópicos e cromatográficos.

Procedure

1. Extração de Orgânicos Adsorbed do Solo

Coloque 20 g de solo em um prato Pyrex de boca larga limpo e seco em um forno de 50 °C e seque por um mínimo de 12h. Após a secagem, remova o solo do prato Pyrex e triture para um pó uniforme usando uma argamassa e pilão. Pese 5,00 g do solo e coloque-o em um frasco de fundo redondo limpo e seco (100 mL de tamanho). Ao frasco, adicione 15 mL de n-hexano. Coloque frasco em um banho ultrassônico, e sonicato por 60 minutos.

2. Separação do Extrato e do Solo

Prepare um funil Büchner com papel filtro analítico. Molhe o papel filtro com 1 mL de n-hexanes e comece a filtragem do vácuo. Despeje lentamente o conteúdo do frasco de fundo redondo sobre o papel do filtro. O frasco de Büchner agora contém o n-hexanos com os orgânicos extraídos do solo. O filtro retém os sólidos do solo despojados.

3. Limpeza e Pré-concentração

Se a solução n-hexano estiver turva, há água residual. Para secar a solução n-hexano, adicione uma pequena espátula de CaCl₂. Gire a solução e observe por um mínimo de 15 minutos. Se a solução ainda estiver nublada e/ou toda a CÍclica₂ estiver agrupada, ainda há água restante, e o passo 3.1 deve ser repetido. Se a solução for translúcida e a CaCl₂ fluir livremente, então não repita o passo 3.1. Uma vez alcançada uma solução clara, separe os hexanos do CaCl₂ usando filtragem de gravidade. Se a concentração do extrato for suficiente para detecção, os hexanos filtrados podem ser transferidos para um frasco limpo e seco para armazenamento e análise posterior. Se a concentração do extrato for baixa em relação ao limite de detecção, transfira os hexanos filtrados em um frasco de fundo redondo de três pescoços limpo e seco, de 100 mL de tamanho. Coloque uma rolha de borracha no pescoço central do frasco, e um septo de borracha sobre um dos outros pescoços. Deixe o terceiro pescoço aberto. Fure o septo de borracha e introduza um fluxo de nitrogênio através do frasco. O nitrogênio deve fluir no espaço acima da solução, não borbulhando através da solução. O extrato agora pode ser pré-concentrado fluindo nitrogênio para evaporar o excesso de solvente. A amostra está pronta para análise.

A extração é uma técnica de separação crucial em química orgânica, usada para separar componentes de uma mistura baseada em suas solubilidades em duas fases diferentes que não se misturam.

As extrações são realizadas entre duas fases. No caso de uma extração líquido-líquido, o soluto dissolvido é transferido de uma fase líquida para outra. As extrações também são realizadas com uma fase líquida e sólida, chamada extração de líquido sólido, onde o soluto é transferido de uma fase sólida para uma fase líquida. Um exemplo simples de extração de líquido sólido é a fabricação de café, que envolve a mistura de borras de café sólido com água. Os compostos de sabor de café são extraídos do solo para a água para formar café. Este vídeo ilustrará os princípios da extração e demonstrará extração de líquido sólido em laboratório através da remoção de resíduos de organoclorito do solo.

A extração usa a propriedade da solubilidade para transferir um soluto de uma fase para outra. Para realizar uma extração, o soluto deve ter uma solubilidade maior na segunda fase do que no original. Em geral, solutos muito não polares serão divididos em uma fase orgânica, enquanto solutos muito polares serão divididos em uma fase aquosa. A escolha das fases dependerá do soluto de interesse.

As duas fases também devem ser imiscíveis. Soluções imiscíveis nunca se misturam e permanecem como fases separadas, como óleo e água. As soluções miscible são completamente homogêneas após a mistura.

Na extração líquido-líquido, um soluto é separado entre duas fases líquidas, tipicamente aquosas e orgânicas. Isso é frequentemente realizado em um funil separador equipado com uma torneira na parte inferior e rolha no topo.

No caso mais simples, três componentes estão envolvidos: o soluto, o líquido transportador e o solvente. A mistura inicial, contendo o soluto dissolvido no líquido transportador, é misturada com o solvente. Ao misturar, o soluto é transferido do líquido transportador para o solvente, desde que o soluço seja mais solúvel no solvente do que no líquido transportador, e desde que o líquido portador e solvente sejam imiscíveis. A solução mais densa se instala até o fundo.

Há duas fases resultantes: o raffinate, contendo o líquido transportador, e o extrato, que contém o soluto e o solvente. Na realidade, é provável que haja resíduos de cada componente em ambas as fases. A extração líquido-sólido é semelhante à extração líquido-líquido, exceto que o soluto é dispersado em uma matriz sólida em vez de em um líquido transportador. A fase sólida, contendo o soluto, é dispersada no solvente e misturada. O soluto é extraído da fase sólida para o solvente, e a fase sólida é então removida por filtração. Agora que os princípios da extração foram delineados, a técnica de extração de líquido sólido será demonstrada realizando a extração em laboratório.

Neste experimento, amostras de solo foram coletadas de um local de campo marrom, semelhante ao deste em Sewickley, Pensilvânia. Os campos marrons, como definido pela EPA dos EUA, são propriedade real, onde a expansão, o redesenvolvimento ou o reaproveitamento podem ser complicados devido à presença potencial de contaminantes perigosos. O poluente de interesse neste caso é um organocloide: o herbicida atrazina. Uma vez coletada uma amostra de solo do local de interesse, transfira-a para o laboratório.

Pese 10 g do solo em um prato Pyrex limpo, seco e de boca larga. Coloque o prato em um forno para secar por pelo menos 12 h. Uma vez seco, triture o solo em pó uniforme com argamassa e pilão. Coloque 5 g do solo em um frasco limpo e seco de fundo redondo de 100 mL. Adicione 15 mL de hexano e rolha o frasco. Coloque-o em um banho ultrassônico e sonicato por 60 minutos.

Prepare um funil Büchner com papel filtro analítico. Uma vez que a sônica esteja completa, molhe o papel com hexano e comece a filtrar o vácuo. Despeje lentamente a amostra sobre o papel do filtro. Enxágüe os sólidos residuais do frasco com hexano e adicione-os ao filtro. O solo despojado permanece no filtro, enquanto o hexano e os orgânicos extraídos se acumulam no frasco.

Se a solução de hexano estiver turva, a água residual está presente. Para secar a solução, adicione uma pequena espátula de dessecante, como o cloreto de cálcio. Mexa a solução até que o dessecante seja dissolvido e observe a solução.

Se a solução ainda estiver turva ou se o cloreto de cálcio tiver agregado, ainda há água na solução. Repita o processo até que a solução esteja clara e o dessecante esteja fluindo livremente.

Em seguida, remova o cloreto de cálcio por filtragem gravitacional.

Se a concentração do composto de juros estiver abaixo do limite de quantificação, deve ser concentrada. Transfira o extrato filtrado para um frasco de fundo redondo limpo e seco de 3 pescoços. Roer o pescoço central, e colocar um septo de borracha sobre um dos outros pescoços. O terceiro está aberto.

Fure o septo e anexe a tubulação a uma linha de nitrogênio. Comece a fluir nitrogênio através do frasco. O gás deve fluir no headspace acima da solução, e não borbulhando através dele. O gás que flui evapora o excesso de solvente. Deixe o gás fluir até que haja cerca de 50% de redução de volume.

Uma vez que os componentes orgânicos do solo são extraídos e concentrados, eles podem ser analisados por cromatografia gasosa.

A concentração de atrazina pode ser calculada utilizando concentrações padrão de atrazina. Neste caso, a concentração aproximada de atrazina no local do campo marrom estudado foi de 2 mg de atrazina por 1 kg de solo.

A extração de líquido sólido é usada em uma ampla gama de campos.

Esta técnica pode ser usada para entender a transferência de bifenilos policlorados, ou PCBs, de peixes. PcBs são hidrocarbonetos clorados feitos pelo homem que foram banidos pela EPA. PcBs não se decompõem prontamente no ambiente e tendem a se acumular em peixes.

Neste experimento, os peixes-presas contendo PCBs foram alimentados com peixes predadores. Os peixes predadores foram então coletados e sacrificados. O tecido do peixe foi moído em preparação para a extração.

O PCB no tecido do peixe foi extraído para uma fase orgânica usando um extrator Soxhlet. A configuração do extrator soxhlet, composta por um frasco de fundo redondo, condensador e o aparelho Soxhlet, é frequentemente usada para extrair solutos que são mal solúveis em solventes. A extração soxhlet permite que uma pequena quantidade de solvente seja usada com uma grande amostra sólida. O extrato foi então testado para conteúdo pcb usando espectrometria de massa.

A matéria vegetal seca, chamada lignocelulose, é a matéria-prima mais abundante a ser pesquisada para combustíveis bio-derivados. No entanto, os carboidratos usados como combustível estão presos dentro da rígida matriz vegetal, chamada lignina.

Quando os carboidratos são removidos, a matriz de lignina é tipicamente descartada como lixo. No entanto, neste experimento, a lignina de resíduos foi examinada como fonte de combustível. A extração de líquido-sólido foi utilizada para separar os componentes de carboidratos da lignocelulose, deixando a lignina para trás. A lignina foi então usada para outros experimentos de fermentação.

A extração de líquido sólido também pode ser usada para medir o teor de cera em peles de frutas. Neste experimento, analisou-se o teor de cera das peles de tomate.

A depilação exaustiva de peles de tomate seco foi concluída utilizando um aparelho Sohxlet, a fim de remover totalmente o teor de cera nas peles. As peles de tomate com cera removida foram então analisadas usando espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Isso ajudou a elucidar a composição e degradação de frutas nativas e projetadas.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à extração de líquido sólido. Você deve agora ter uma melhor compreensão da extração de solutos entre fases sólidas e líquidas.

Obrigado por assistir!

Results

Uma amostra de solo foi coletada de um local de Brownfield semelhante a um em Sewickley Pennsylvania, como mostrado na Figura 1. Os campos marrons, conforme definido pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (APA dos EUA), são propriedades reais, onde a expansão, o redesenvolvimento ou o reaproveitamento podem ser complicados devido à presença potencial de contaminantes perigosos. O solo foi coletado do sítio Brownfield usando um amostrador de solo, como mostrado na Figura 2.

O poluente de interesse neste experimento foi a atrazina (Figura 3); um herbicida organocloroide comum. Uma vez extraídos e concentrados os componentes orgânicos do solo, foram analisados por cromatografia gasosa com detector de ionização de chamas (GC-FID). A análise gc foi realizada utilizando-se um Shimadzu 14A GC (detector: FID) equipado com injetor split/splitless e uma coluna capilar CBP-10 (30 m × 0,22 mm i.d.). A temperatura da coluna foi definida pela primeira vez em 150 °C e depois programada de 150 a 230 °C a uma taxa de 5 °C por minuto. A temperatura do injetor foi de 250 °C e a temperatura do detector foi de 260 °C. As injeções foram realizadas com o modo splitless. O gás portador de hélio foi utilizado a uma vazão constante de 1 mL/min. A concentração de atrazina foi calculada utilizando-se concentrações padrão de atrazina, conforme mostrado na Figura 4. Neste caso, a concentração aproximada de atrazina no sítio Brownfield estudado foi de 2 mg de atrazina por kg de solo.

Figura 1. Brownfield em Sewickley, PA.

Figura 2. Solo contaminado coletado usando um amostrador de solo.

Figura 3. Estrutura química do organocloroide atrazina.

Figura 4. Cromatograma gasoso de amostra de solo com atrazina. Inset: padrões de atrazina.

Applications and Summary

O procedimento geral de extração de líquido sólido é aplicável a uma gama de campos, desde o monitoramento ambiental (mostrado neste vídeo) até cosméticos e processamento de alimentos. A questão crítica é escolher um solvente que efetivamente dissolva o analito. Com mínimas alterações no solvente, o método de preparação da amostra neste vídeo pode ser usado para extrair qualquer uma de uma ampla gama de contaminantes ambientais semivolatile que partição principalmente em solos e lodges.

Exemplos desses semivolatiles incluem muitos poluentes nocivos, como pesticidas, hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) e bifenilos policlorados (PCBs). Devido aos potenciais efeitos na saúde dessas moléculas, a identificação e quantificação dessas espécies é de interesse acadêmico, e também amplamente praticada na indústria de consultoria ambiental e em órgãos governamentais. A EPA mantém compendia de métodos analíticos e amostrais aprovados para identificar e quantificar possíveis poluentes. O método mostrado neste vídeo ilustra os princípios básicos contidos no método EPA 3550C, que descreve a extração ultrassônica de semivolatiles e não vulgos de sólidos. ¹ Método EPA 3550C é um dos métodos de extração referenciados no método EPA 8081B, que descreve a análise gc de pesticidas organocloridos. ² A maioria dos arquivos de método aprovados pela EPA são escritos com a suposição de que o analista tem treinamento prévio significativo. Assim, a obtenção de familiaridade com as características básicas da preparação da amostra auxilia no acompanhamento dos métodos de EPA.

O uso de um aparelho Soxhlet pode auxiliar na extração de solutos que são mal solúveis em solventes. A configuração consiste em um frasco de fundo redondo, um extrator Soxhlet e um condensador de refluxo. Esta técnica é demonstrada pela remoção de PCBs de peixes, a fim de examinar a transferência de toxinas entre peixes predadores e peixes-presas. ³ Além disso, essa técnica pode ser utilizada para medir o teor de cera em peles de frutas, a fim de entender a composição e degradação de frutas nativas e projetadas. ⁴ Por fim, a extração de carboidratos provenientes da lignocelulose, ou matéria vegetal seca, pode ser realizada por meio da extração líquida sólida. ⁵ Quando os carboidratos são extraídos, a lignina é deixada para trás. Ambos os componentes podem então ser usados para aplicações de biocombustíveis.

References

US Environmental Protection Agency. Ultrasonic Extraction, Method 3550C. Washington: Government Printing Office (2007).
US Environmental Protection Agency. Organochlorine pesticides by gas chromatography, Method 8081B. Washington: Government Printing Office (2007).
Madenjian, C. P., Rediske, R. R., O'Keefe, J. P., David, S. R. Laboratory Estimation of Net Trophic Transfer Efficiencies of PCB Congeners to Lake Trout (Salvelinus namaycush) from Its Prey. J. Vis. Exp. (90), e51496, (2014).
Chatterjee, S., Sarkar, S., Oktawiec, J., Mao, Z., Niitsoo, O., Stark, R. E. Isolation and Biophysical Study of Fruit Cuticles. J. Vis. Exp. (61), e3529, (2012).
Mathews, S. L., Ayoub, A. S., Pawlak, J., Grunden, A. M. Methods for Facilitating Microbial Growth on Pulp Mill Waste Streams and Characterization of the Biodegradation Potential of Cultured Microbes. J. Vis. Exp. (82), e51373, (2013).

Transcript

Extraction is a crucial separation technique in organic chemistry, used to separate components of a mixture based on their solubilities in two different phases that do not mix.

Extractions are performed between two phases. In the case of a liquid-liquid extraction, the dissolved solute is transferred from one liquid phase to another. Extractions are also performed with a liquid and solid phase, called solid-liquid extraction, where the solute is transferred from a solid phase to a liquid phase. A simple example of solid-liquid extraction is coffee brewing, which involves the mixing of solid coffee grounds with water. The coffee flavor compounds are extracted from the grounds into the water to form coffee. This video will illustrate the principles of extraction, and demonstrate solid-liquid extraction in the lab through the removal of organochloride residues from soil.

Extraction uses the property of solubility to transfer a solute from one phase to another. In order to perform an extraction, the solute must have a higher solubility in the second phase than in the original. In general, very nonpolar solutes will partition into an organic phase, while very polar solutes will partition into an aqueous phase. The choice of phases will depend on the solute of interest.

The two phases also must be immiscible. Immiscible solutions never mix and remain as separate phases, like oil and water. Miscible solutions are completely homogeneous after mixing.

In liquid-liquid extraction, a solute is separated between two liquid phases, typically aqueous and organic. This is often performed in a separatory funnel fitted with a stopcock at the bottom and stopper at the top.

In the simplest case, three components are involved: The solute, the carrier liquid, and the solvent. The initial mixture, containing the solute dissolved in the carrier liquid, is mixed with the solvent. Upon mixing, the solute is transferred from the carrier liquid to the solvent, as long as the solute is more soluble in the solvent than in the carrier liquid, and as long as the carrier liquid and solvent are immiscible. The denser solution settles to the bottom.

There are two resulting phases: the raffinate, containing the carrier liquid, and the extract, which contains the solute and the solvent. In reality, there is likely to be residue of each component in both phases. Solid-liquid extraction is similar to liquid-liquid extraction, except that the solute is dispersed in a solid matrix rather than in a carrier liquid. The solid phase, containing the solute, is dispersed in the solvent and mixed. The solute is extracted from the solid phase to the solvent, and the solid phase is then removed by filtration. Now that the principles of extraction have been outlined, the solid-liquid extraction technique will be demonstrated by performing the extraction in the laboratory.

In this experiment, soil samples were collected from a brownfield site, similar to this one in Sewickley, Pennsylvania. Brownfields, as defined by the U.S. EPA, are real property, where the expansion, redevelopment, or reuse may be complicated due to the potential presence of hazardous contaminants. The pollutant of interest in this case is an organochloride: the herbicide atrazine. Once a soil sample has been collected from the site of interest, transfer it into the laboratory.

Weigh out 10 g of the soil in a clean, dry, wide-mouth Pyrex dish. Put the dish into an oven to dry for at least 12 h. Once dry, grind the soil to a uniform powder with a mortar and pestle. Place 5 g of the ground soil into a clean, dry 100-mL round-bottom flask. Add 15 mL of hexane and loosely stopper the flask. Place it into an ultrasonic bath and sonicate for 60 min.

Prepare a Büchner funnel with analytical filter paper. Once sonication is complete, wet the paper with hexane and begin vacuum filtration. Slowly pour the sample over the filter paper. Rinse the residual solids from the flask with hexane and add it to the filter. The stripped soil remains on the filter, while the hexane and extracted organics collect in the flask.

If the hexane solution is cloudy, residual water is present. To dry the solution, add a small spatula of desiccant, such as calcium chloride. Stir the solution until the desiccant is dissolved, and observe the solution.

If the solution is still turbid or if the calcium chloride has aggregated, there is still water in the solution. Repeat the process until the solution is clear and the desiccant is free flowing.

Next, remove the calcium chloride by gravity filtration.

If the concentration of the compound of interest is below the limit of quantification, it must be concentrated. Transfer the filtered extract to a clean, dry 3-necked round-bottom flask. Stopper the center neck, and place a rubber septum over one of the other necks. The third is left open.

Pierce the septum and attach tubing to a nitrogen line. Begin flowing nitrogen through the flask. The gas should be flowing in the headspace above the solution, and not bubbling through it. The flowing gas evaporates the excess solvent. Allow the gas to flow until there is about 50% volume reduction.

Once the organic components of the soil are extracted and concentrated, they can be analyzed by gas chromatography.

The atrazine concentration can be calculated using atrazine standard concentrations. In this case, the approximate atrazine concentration in the brownfield site studied was 2 mg of atrazine per 1 kg of soil.

Solid-liquid extraction is used in a wide range of fields.

This technique can be used to understand the transfer of polychlorinated biphenyls, or PCBs, from fish. PCBs are man-made chlorinated hydrocarbons that have been banned by the EPA. PCBs do not readily decompose in the environment and tend to accumulate in fish.

In this experiment, prey fish containing PCBs were fed to predator fish. The predator fish were then collected and sacrificed. The fish tissue was ground in preparation for extraction.

The PCB in the fish tissue was extracted to an organic phase using a Soxhlet extractor. The Soxhlet extractor setup, composed of a round-bottom flask, condenser, and the Soxhlet apparatus, is frequently used to extract solutes that are poorly soluble in solvents. The Soxhlet extraction enables a small amount of solvent to be used with a large solid sample. The extract was then tested for PCB content using mass spectrometry.

Dry plant matter, called lignocellulose, is the most abundant raw material being researched for bio-derived fuels. However, the carbohydrates used as the fuel are trapped within the rigid plant matrix, called lignin.

When the carbohydrates are removed, the lignin matrix is typically disposed of as waste. However, in this experiment, waste lignin was examined as a fuel source. Solid-liquid extraction was utilized to separate the carbohydrate components from lignocellulose, leaving lignin behind. The lignin was then used for further fermentation experiments.

Solid-liquid extraction can also be used to measure the wax content in fruit skins. In this experiment, the wax content of tomato skins was analyzed.

Exhaustive dewaxing of dried tomato skins was completed using a Sohxlet apparatus, in order to fully remove the wax content in the skins. Tomato skins with wax removed were then further analyzed using nuclear magnetic resonance spectroscopy. This helped elucidate the composition and degradation of native and engineered fruits.

You’ve just watched JoVE’s introduction to solid-liquid extraction. You should now have a better understanding of the extraction of solutes between solid and liquid phases.

Thanks for watching!

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