咖啡因合成中的电化学处理和循环经济过程研究

作者：陈榕 ,曾。

【摘要】 目的：探讨在咖啡因合成中环境循环经济模式的技术和工艺流程。方法：采用活性炭纤维（ACF）吸附处理这一步骤中产生的废水，并研究ACF的电化学再生和电吸附法处理过程。结果：ACF的电吸附具有一定的可逆性；ACF的电化学负极化再生具有较好的效果。结论：说明用电化学法处理具有较大的应用潜力，在此基础上，对其中的循环经济过程进行了初步设计。

【关键词】 电化学；电吸附；再生；循环经济；活性炭纤维。

［ABSTRACT］ Objective: To explore the technique and technological process of circular economy in caffeine synthesis. Methods: Absorbed waste water by active carbon fiber (ACF). Studied the electrochemical regeneration of ACF and electric absorption treatment. Results: Experiment results indicated that the electric absorption function of ACF was reversible in some extent and ACF can be regenerated by electrochemical negative polarization effectively. Conclusion: Electrochemical method has promising potential in future industry application. Based on this, the preliminary design has been made for the circular economy process.

［KEY WORDS］ Electrochemical; Electric absorption; Regeneration; Circular economy; Active carbon fiber (ACF)。

咖啡因(1,3,7三甲基黄嘌呤)是一种重要的药用化工产品，在医药、食品、饮料等领域应用广泛。中国是世界上咖啡因产销大国［13］，由于人工合成咖啡因的成本较天然咖啡因低得多，而且生产能力大，所以人工合成咖啡因仍然是咖啡因的主要来源。1,3二甲基5亚硝基6氨基脲嘧啶(6amino5nitroso1,3dimethyluracil， ANDMU)是咖啡因合成的重要中间体，它加氢还原生成5,6二氨基1,3二甲基脲嘧啶(5,6diamino1,3dimethyluracil，DADMU)的反应（图1），是咖啡因合成工艺中的关键步骤，在很大程度上决定了咖啡因的纯度、收率以及成本水平。ANDMU在水中的溶解度比较小，因此，生产工艺中需要大量工业用水进行提纯，排放的废水为含有杂质和ANDMU的酸性废水。如果不经处理直接排放，会造成严重的水资源浪费，也会造成ANDMU的损失，并污染环境。因此，这一关键步骤中的技术和工艺流程创新是研究其转变为循环经济模式的中心内容。

ACF是一种较好的吸附材料，具有比表面积大，吸附速率快等优点，可以用来处理含ANDMU工业废水，但ACF使用后的再生问题使原有的生产发展模式面临材料浪费和污染问题，活性炭纤维现有热再生或化学再生方法能耗高、需要专门场所并且容易产生二次污染。而电化学极化活性炭纤维时,通过控制活性炭纤维表面带有电荷,溶液中带有相反电荷的离子由于静电作用会富集于活性炭纤维和溶液界面的双电层中,当去极化或改变极化方向时,原来被电吸附的离子又可以在一定程度上重新释放出来,可以现场再生活性炭纤维。通过选择极化电位和极化方式,可以影响活性炭纤维的吸附能力和吸附容量,实现各种被吸附物的吸附/脱附,这就是活性炭纤维的电吸附法。同时对吸附ANDMU平衡后的ACF也可以进行电化学活化（包括电化学氧化/还原等）的方法脱除被吸附的物质，对电化学再生工艺进行研究，讨论ACF循环使用的可行性。

1 材料与方法。

1.1 仪器与试剂。

752C型紫外可见分光光度计，上海第三分析仪器厂；Lambda 800 UVvis spectrometer，珀金埃尔默仪器有限公司；FA1004型电子天平，上海精密科学仪器有限公司；Corrtest腐蚀电化学测试系统，华中科技大学；ANDMU由Sigma公司提供，纯度100%，DADMU由Fluka公司提供，纯度≥97%，其他试剂均为分析纯。实验用水均经过2次蒸馏。

1.2 方法。

1.2.1 ACF的吸附实验 配制一系列不同浓度(0.1～2.1 mmol/L)的ANDMU水溶液，将准确称重的ACF(0.06～0.09 g), 分别置于一系列装有50 mL所配ANDMU水溶液的锥形瓶中，在室温下，搅拌吸附趋于平衡，预先的平衡实际测试表明吸附趋于平衡至少3 h。测量平衡浓度，由初始浓度和平衡浓度之差计算平衡时ACF对ANDMU的平衡吸附量，以平衡吸附量对平衡浓度作图绘制吸附等温线。

1.2.2 ANDMU的电吸附实验 参照文献方法［4］，首先将经过预处理准确称重的ACF(6～9 mg)电极置于50 mL浓度为0.1 mmol/L的ANDMU溶液中，电磁搅拌器搅拌，每隔一定时间间隔取样在紫外分光光度计上检测ANDMU的浓度，当ANDMU浓度变化趋近于零时，开路吸附趋近于平衡，此时接通电化学工作站对ACF施加电化学极化，极化过程中同样每隔一定时间间隔取样在紫外分光光度计上检测ANDMU的浓度，则电化学极化对ANDMU在ACF的吸附行为的影响可以通过溶液中ANDMU浓度的变化测定。浓度检测过程中，每次取样的体积为3 mL，紫外分光光度计上检测浓度后仍倒回原溶液体系中，检测操作过程时间控制在1 min内。实验体系以氢氧化钠和硫酸调节溶液体系pH值，以0.1 mol/L硫酸钾作为支持电解质。

1.2.3 ACF再生实验 在ACF吸附ANDMU的再生实验中，在未施加电化学极化条件下，将ACF(0.06～0.09 g)置于50 mL浓度为2.16 mmol/L的ANDMU溶液中开路吸附3 h趋于平衡后可计算得到初始吸附容量，然后置于电化学池中，以ACF为工作电极，Pt片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，选择适宜的电解质溶液和极化条件，进行电化学活化再生，将再生后的ACF重新置于与前相同浓度的ANDMU溶液中进行开路吸附3 h趋于平衡，计算得到2次吸附容量。比较2次吸附容量和初始吸附容量的大小，来判断再生的效果。

2 结果。

2.1 ACF的吸附等温线。

ACF对ANDMU的吸附等温线（图2），以平衡吸附量对平衡浓度作图绘制吸附等温线，吸附等温线可以用Langmuir等温式拟合，相关性系数R2为0.9827，得到的最大吸附量为1 141 μmol/g。 由吸附等温线可见，ACF对ANDMU的吸附能力较强，用ACF对低浓度体系的ANDMU溶液进行吸附处理具有较好的效果。