Жидкостная экстракция - перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент).
Это один из массообменных процессов химической технологии.
Используется для извлечения, разделения и концентрирования растворенных веществ.
Жидкостная экстракция является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии.
На долю жидкостной экстракции приходится около 20% всех затрат химической промышленности.
Широкое распространение получили экстракционные методы в фармацевтической, нефтеперерабатывающей промышленности, а также в атомной энергетике.
Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, которая чаще всего представляет собой водный раствор, в извлекающую (легкую) фазу (обычно органическую жидкость).
2 контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему.
Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является раствором одного или нескольких экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физических (вязкость, плотность) и экстракционных свойств экстрагентов.
В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, которые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам раствора.
Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т. д.).
Основные стадии жидкостной экстракции:
- приведение в контакт и диспергирование фаз;
- разделение или расслаивание фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза);
- выделение целевых компонентов из экстракта и регенерация экстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиболее часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный жидкостной экстракции), обрабатывая экстракт водными растворами веществ, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование;
- промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного раствора.
В любом экстракционном процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены.
Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной свободной энергии вследствие большой межфазной поверхности.
Последняя уменьшается из-за коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы.
Коалесценция энергетически выгодна (особенно в бинарных системах) и происходит до тех пор, пока не образуются 2 слоя жидкости.
Разделение эмульсий осуществляется, как правило, в 2 стадии.
Сначала довольно быстро осаждаются (всплывают) и коалесцируют крупные капли.
Значительно более мелкие капли остаются в виде "тумана", который отстаивается довольно долго.
Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракционного процесса.
На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные сипы и применяют различные устройства или насадки, которые располагают в отстойниках.
В ряде случаев расслаиванию способствует электрическое поле.
Основные требования к промышленным экстрагентам:
-
высокая избирательность;
-
высокая экстракционная емкость по целевому компоненту;
-
низкая растворимость в рафинате;
-
совместимость с разбавителями;
-
легкость регенерации;
-
высокая химическая, а в ряде случаев и радиационная стойкость;
-
негорючесть или достаточно высокая температура вспышки (более 600С);
-
невысокая летучесть и низкая токсичность;
-
доступность и невысокая стоимость.
Наиболее распространенные промышленные экстрагенты подразделяют на классы:
-
нейтральные, извлечение которыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного раствора - вода, фосфорорганические соединения (в основном, трибугилфосфат), нефтяные сульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.;
-
кислые, которые извлекают катионы металлов в органическую фазу из водной - фосфорорганической к-ты (ди(2-этилгексил)фосфорная кислота), карбоновые и нафтеновые кислоты, сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соединения (гидроксиоксимы, алкилгидроксихинолины, бета-дикетоны);
-
основные, с помощью которых извлекают анионы металлов из водных растворов - первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др.
Термодинамически жидкостная экстракция - самопроизвольный процесс выравнивания химических потенциалов веществ в контактирующих фазах.
Жидкостную экстракцию осуществляют в экстракторах, с однократным и многократным контактом фаз.
При многоступенчатой экстракции ступенями разделения служат отдельные экстракторы или их секции.
Многократная экстракция, наиболее распространенная в промышленности, проводится непрерывно и по способу движения фаз подразделяется на противоточную, полупротивоточную и перекрестноточную.
Чаще всего применяют противоточную экстракцию 1-м экстрагентом с числом ступеней обычно до 10.
Для трудноразделяемых компонентов число ступеней достигает 70-100.
Четкость разделения исходной смеси можно повысить, используя следующие способы.
При жидкостной экстракции с обратной флегмой экстрагент и рафинат частично отделяются от соответствующего экстракта и исходного раствора; далее определенные доли этих фракций обратно возвращаются в экстрактор навстречу уходящим потокам (процесс проводят подобно ректификации).
При жидкостной экстракции с двумя несмещивающимися экстрагентами каждый из них избирательно растворяет какой-либо компонент или группу компонентов экстракционной системы системы.
