Экстракцию используют для извлечения, разделения и концентрирования растворенных веществ. Экстрагенты в ходе процесса переводят так называемые целевые компоненты из исчерпываемой (тяжелой) фазы в извлекающую (легкую). Первая чаще всего является водным раствором, а вторая обычно - органической жидкостью. Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему.
ЭКСТРАКЦИЯ ЖИДКОСТНАЯ(позднелат. extractio - извлечение, от extraho - вытягиваю, извлекаю) - перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в другую, с ней контактирующую, но не смешивающуюся, и которая содержит избирательный растворитель (экстрагент).
Извлекающая фаза включает только экстрагент (смесь экстрагентов) либо является раствором одного или нескольких экстрагентов в разбавителе, который служит для улучшения их физических (вязкость, плотность) и экстракционных свойств. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, практически нерастворимые в исчерпываемой фазе и инертные по отношению к извлекаемым веществам. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т. д.). Полярные растворители (спирты, карбоновые кислоты, амины) частично или полностью растворимы в воде и вследствие этого могут применяться лишь после изменения условий экстракции (к примеру, после изменения рН раствора или высаливания – введения в систему неорганических солей). Это справедливо и в отношении низших растворителей-гомологов (химических соединений одного структурного типа, отличающихся друг от друга по составу на определенное число повторяющихся структурных единиц) – спиртов, эфиров, чья экстрагирующая активность возрастает с уменьшением количества атомов углерода в молекулах.
Основные стадии экстракции:
1)приведение в контакт и диспергирование (перемешивание) фаз;
2)механическое разделение или расслаивание на экстракт (раствор целевого компонента в экстрагенте) и рафинат (остаток исходного раствора);
3)отделение извлекающей фазы и удаление (уменьшение содержания) механически захваченного с ней исходного раствора (используют промывание, вымораживание, добавляют осушитель или частично выпаривают);
4)выделение целевых компонентов из экстракта. При необходимости можно одновременно регенерировать экстрагент. Выделение и регенерация производятся дистилляциией, выпариванием или кристаллизацией. Также применяют реэкстракцию – обработку экстракта водными растворами веществ, что обеспечивает полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование.
После первой стадии могут образовываться эмульсии - смеси с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой, состоящие как минимум из двух веществ, которые не смешиваются и не реагируют друг с другом. Обычно они термодинамически неустойчивы. Эмульсии низкой концентрации — неструктурированные жидкости, высококонцентрированные — структурированные системы. Их разделение осуществляется, как правило, в два этапа. Сначала довольно быстро осаждаются/всплывают и сливаются крупные капли. Более мелкие же остаются в виде "тумана"/»бороды» и их отстаивание может проходить довольно долго. Для ускорения процесса (не в промышленных условиях) раствор фильтруют либо нагревают.
Плюсы экстракции жидкостной: низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных, т. н. нераздельнокипящих, жидких смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией - разделением жидких смесей на практически чистые компоненты путем многократных испарения жидкости и конденсации паров, кристаллизацией). Недостатком ее в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ.
ЭКСТРАКЦИЯ КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНАЯ– вид экстракции жидкостной, который проходит с изменением рН раствора. Метод основывается на растворимости оснований и солей органических веществ в полярных и неполярных жидкостях. Он дает возможность получить целевой компонент с максимально высоким выходом и высокой степенью чистоты.
Процесс проходит так же, как при экстракции жидкостной, но с той разницей, что перед проведением некоторых стадий необходимо изменить рН фазы. Для этого к исходному раствору добавляют щелочь/кислоту (или их водные растворы), переводя, таким образом, вещества из солей кислот в свободные основания (и наоборот). Как правило, комплексы с кислотами хорошо растворимы в воде (и других полярных жидкостях), а оснОвные формы – в жирах (и неполярных растворителях).
Есть одностадийная и многостадийная КЩЭ. В первом случае экстракцию проводят только однократно. При многостадийной добавление щелочи/кислоты происходит несколько раз, иногда с использованием различных экстрагентов.
ПРАКТИЧЕСКИЕ СОВЕТЫ:
1.Внимательно перечитать теорию. Знание даже в общих чертах сути процесса поможет избежать ошибок и исправить допущенные промахи.
2.Мысленно или на бумажке составить пошаговую инструкцию. Это поможет не запутаться и соблюсти необходимую последовательность действий.
Пример:
а) налить раствор в колбу; б) защелочить; в) прилить n мл бензола (спирта, эфира, бензина etc) и т. п.
3.Перед отбором нужной фазы нужно определить, какая из них является органической - нижняя или верхняя. Это зависит от плотности экстрагента; такого рода данные есть в справочниках. Существует также простое правило: поверхность раздела фаз всегда выгнута в сторону водной фазы. Однако если в ней присутствуют сильные поверхностно-активные вещества, то поверхность раздела может быть выгнута в сторону органической. Для уверенности следует отделить немного экстрагента и проверить, смешивается ли он с водой и каким образом.
4.Намного эффективней извлекать целевой компонент несколько раз небольшими порциями экстрагента, чем большим количеством однократно. Благодаря этому расход растворителя снижается, а вещество экстрагируется более полно.
5.Для уменьшения количества посторонних примесей нужно:
а)до начала КЩЭ однократно промыть имеющийся водный раствор небольшим количеством неполярного растворителя;
б)до кисления или выпаривания промыть отобранный экстрагент подсоленной водой.
6.При проведении экстракции необходимо тщательно контролировать уровень рН растворов, чтобы не допустить как недостатка, так и чрезмерного избытка кислоты или щелочи.
Лит.:Гельперин Н. И., Пебалк В. Л. Экстракция // БСЭ. Т. 30. 3-е изд. - М.: "Советская энциклопедия", 1978; Коренман И. М. Экстракция органических веществ: Учеб. пособие. - Горький: Изд-во Горьк. ун-та, 1973; Корякин Ю. В., Ангелов И. И. Чистые химические вещества: Рук-во по приготовлению неорг. реактивов и препаратов в лаборат. условиях. – М.: "Химия", 1974; Процессы жидкостной экстракции: Труды научно-технического совещания 20-26 мая 1961 г. / Под ред. П. Г. Романкова. – Л.: Госхимиздат, 1963; Процессы жидкостной экстракции и хемосорбции: Труды II Всесоюзного научно-технического совещания (октябрь 1964 г.) / Под ред. П. Г. Романкова. – М.: "Химия", 1966; Химическая
ЭКСТРАКЦИЯ ЖИДКОСТНАЯ(позднелат. extractio - извлечение, от extraho - вытягиваю, извлекаю) - перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в другую, с ней контактирующую, но не смешивающуюся, и которая содержит избирательный растворитель (экстрагент).
Извлекающая фаза включает только экстрагент (смесь экстрагентов) либо является раствором одного или нескольких экстрагентов в разбавителе, который служит для улучшения их физических (вязкость, плотность) и экстракционных свойств. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, практически нерастворимые в исчерпываемой фазе и инертные по отношению к извлекаемым веществам. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т. д.). Полярные растворители (спирты, карбоновые кислоты, амины) частично или полностью растворимы в воде и вследствие этого могут применяться лишь после изменения условий экстракции (к примеру, после изменения рН раствора или высаливания – введения в систему неорганических солей). Это справедливо и в отношении низших растворителей-гомологов (химических соединений одного структурного типа, отличающихся друг от друга по составу на определенное число повторяющихся структурных единиц) – спиртов, эфиров, чья экстрагирующая активность возрастает с уменьшением количества атомов углерода в молекулах.
Основные стадии экстракции:
1)приведение в контакт и диспергирование (перемешивание) фаз;
2)механическое разделение или расслаивание на экстракт (раствор целевого компонента в экстрагенте) и рафинат (остаток исходного раствора);
3)отделение извлекающей фазы и удаление (уменьшение содержания) механически захваченного с ней исходного раствора (используют промывание, вымораживание, добавляют осушитель или частично выпаривают);
4)выделение целевых компонентов из экстракта. При необходимости можно одновременно регенерировать экстрагент. Выделение и регенерация производятся дистилляциией, выпариванием или кристаллизацией. Также применяют реэкстракцию – обработку экстракта водными растворами веществ, что обеспечивает полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование.
После первой стадии могут образовываться эмульсии - смеси с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой, состоящие как минимум из двух веществ, которые не смешиваются и не реагируют друг с другом. Обычно они термодинамически неустойчивы. Эмульсии низкой концентрации — неструктурированные жидкости, высококонцентрированные — структурированные системы. Их разделение осуществляется, как правило, в два этапа. Сначала довольно быстро осаждаются/всплывают и сливаются крупные капли. Более мелкие же остаются в виде "тумана"/»бороды» и их отстаивание может проходить довольно долго. Для ускорения процесса (не в промышленных условиях) раствор фильтруют либо нагревают.
Плюсы экстракции жидкостной: низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных, т. н. нераздельнокипящих, жидких смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией - разделением жидких смесей на практически чистые компоненты путем многократных испарения жидкости и конденсации паров, кристаллизацией). Недостатком ее в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ.
ЭКСТРАКЦИЯ КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНАЯ– вид экстракции жидкостной, который проходит с изменением рН раствора. Метод основывается на растворимости оснований и солей органических веществ в полярных и неполярных жидкостях. Он дает возможность получить целевой компонент с максимально высоким выходом и высокой степенью чистоты.
Процесс проходит так же, как при экстракции жидкостной, но с той разницей, что перед проведением некоторых стадий необходимо изменить рН фазы. Для этого к исходному раствору добавляют щелочь/кислоту (или их водные растворы), переводя, таким образом, вещества из солей кислот в свободные основания (и наоборот). Как правило, комплексы с кислотами хорошо растворимы в воде (и других полярных жидкостях), а оснОвные формы – в жирах (и неполярных растворителях).
Есть одностадийная и многостадийная КЩЭ. В первом случае экстракцию проводят только однократно. При многостадийной добавление щелочи/кислоты происходит несколько раз, иногда с использованием различных экстрагентов.
ПРАКТИЧЕСКИЕ СОВЕТЫ:
1.Внимательно перечитать теорию. Знание даже в общих чертах сути процесса поможет избежать ошибок и исправить допущенные промахи.
2.Мысленно или на бумажке составить пошаговую инструкцию. Это поможет не запутаться и соблюсти необходимую последовательность действий.
Пример:
а) налить раствор в колбу; б) защелочить; в) прилить n мл бензола (спирта, эфира, бензина etc) и т. п.
3.Перед отбором нужной фазы нужно определить, какая из них является органической - нижняя или верхняя. Это зависит от плотности экстрагента; такого рода данные есть в справочниках. Существует также простое правило: поверхность раздела фаз всегда выгнута в сторону водной фазы. Однако если в ней присутствуют сильные поверхностно-активные вещества, то поверхность раздела может быть выгнута в сторону органической. Для уверенности следует отделить немного экстрагента и проверить, смешивается ли он с водой и каким образом.
4.Намного эффективней извлекать целевой компонент несколько раз небольшими порциями экстрагента, чем большим количеством однократно. Благодаря этому расход растворителя снижается, а вещество экстрагируется более полно.
5.Для уменьшения количества посторонних примесей нужно:
а)до начала КЩЭ однократно промыть имеющийся водный раствор небольшим количеством неполярного растворителя;
б)до кисления или выпаривания промыть отобранный экстрагент подсоленной водой.
6.При проведении экстракции необходимо тщательно контролировать уровень рН растворов, чтобы не допустить как недостатка, так и чрезмерного избытка кислоты или щелочи.
Лит.:Гельперин Н. И., Пебалк В. Л. Экстракция // БСЭ. Т. 30. 3-е изд. - М.: "Советская энциклопедия", 1978; Коренман И. М. Экстракция органических веществ: Учеб. пособие. - Горький: Изд-во Горьк. ун-та, 1973; Корякин Ю. В., Ангелов И. И. Чистые химические вещества: Рук-во по приготовлению неорг. реактивов и препаратов в лаборат. условиях. – М.: "Химия", 1974; Процессы жидкостной экстракции: Труды научно-технического совещания 20-26 мая 1961 г. / Под ред. П. Г. Романкова. – Л.: Госхимиздат, 1963; Процессы жидкостной экстракции и хемосорбции: Труды II Всесоюзного научно-технического совещания (октябрь 1964 г.) / Под ред. П. Г. Романкова. – М.: "Химия", 1966; Химическая