Экстракция и противоточное распределение

Экстракция

Экстракцию, т. е. извлечение вещества из смеси растворителем, применяют для концентрирования и очистки одного вещества либо для разделения и очистки всех компонентов данной смеси. Простейший вид экстракции заключается во встряхивании раствора, взвеси или эмульсии (чаще всего водных) с другим растворителем, не смешивающимся с первым. В зависимости от особенностей проведения процесса различают следующие его разновидности:

мацерация — твердое вещество экстрагируют многократно отдельными порциями растворителя при комнатной температуре;

дигерирование — твердое вещество экстрагируют отдельными порциями растворителя при нагревании;

перколяция — твердое вещество экстрагируют протекающим растворителем при комнатной температуре;

перфорация — вещество экстрагируют из раствора непрерывно циркулирующим растворителем; при использовании противотока процесс носит название противоточной перфорации;

противоточное распределение — вещество экстрагируют противоточным методом с перераспределением его между двумя жидкими фазами.

Экстракция в системе «твердое вещество — жидкость».

Эффективность экстрагирования твердого вещества жидкостью определяется прежде всего растворимостью и скоростью перехода из одной фазы в другую. Растворимость можно изменить, подбирая нужный растворитель.

Для увеличения скорости перехода вещества из твердой фазы в жидкую необходимо увеличить поверхность соприкосновения фаз, что достигается тонким измельчением вещества перед экстракцией, перемешиванием, подачей свежего растворителя на границу фаз или при помощи противотока.

Мацерация (или, при нагревании, дигерирование) — это процесс, при котором измельченное твердое вещество размешивают с растворителем и затем фильтруют или декантируют. Для более полного извлечения операцию повторяют несколько раз, используя небольшие порции свежего растворителя.

Перколяцию (непрерывная экстракция) проводят в специальных приборах (рис. 42). Простейший перколятор представляет собой воронку, снабженную краном для регулирования скорости потока.

Перед заполнением в суженную часть перколятора помещают комочек ваты или простую стеклянную пластинку. Затем перколятор заполняют веществом. Растворителю дают возможность просачи- Рис. 42. ваться через него под действием собственного веса. Перколятор

Выпускной кран открывают так, чтобы при подаче растворителя уровень жидкости в перколяторе оставался постоянным.

Значительную эффективность процесса обеспечивает про- тивоточный принцип. Он заключается в том, что материал, содержащий больше всего экстрагируемого вещества, омывается наиболее концентрированным раствором, а экстрагированный материал в верхних слоях омывается чистым растворителем.

Целесообразнее всего использовать автоматически работающие приборы (например, экстрактор Сокслета, рис. 43), в которых применено сифонное сливное устройство и регенерирование растворителя.

Рис. 43.

Непрерывные экстракторы позволяют проводить длительную экстракцию со сравнительно небольшим объемом растворителя. Экстрагируемый материал помещают или непосредственно в экстракционный сосуд, или в специальный патрон из фильтровальной бумаги, который вставляют в экстракционный сосуд. Пары растворителя из перегонной колбы конденсируются в холодильнике, и растворитель капает на материал в патроне. Когда экстракционный сосуд наполнится до сгиба сливной трубки, экстракт сбрасывается по сифону в перегонную колбу, и весь процесс повторяется.

Экстракция жидкостей. Распределение растворенного вещества между жидкими фазами определяется законом распределения Нернста: отношение равновесных концентраций вещества, которое растворено в двух несмешиваю- щихся и равных по объему жидких фазах, при определенной температуре —г величина постоянная, называемая коэффициентом распределения: сА : св = К.

Растворитель, применяемый для экстракции, должен лучше растворять экстрагируемое вещество, чем растворитель, из которого это вещество экстрагируется. Следовательно, экстракция вещества легко осуществима в том случае, когда коэффициент распределения значительно отличается от 1 (К > 100). Два вещества с коэффициентами распределения Кх и К2 в идеальном случае распределяются между жидкими фазами независимо друг от друга. Если разность в их коэффициентах достаточно велика, то их можно разделить простой экстракцией. Трудность разделения определяется величиной Р — фактором разделения: Р * Кх : К2 > 1 (больший коэффициент распределения делят на меньший). Оба вещества можно удовлетворительно разделить простой экстракцией только в случае, если Р > 100. Экстрактор для разделения смесей с р < 100 следует применять методы Сокслета дробной экстракции.

Выбор растворителей[1]. Знание факторов, влияющих на растворимость данного химического соединения, существенно облегчает выбор оптимального экстрагента. Выбирая экстрагент, необходимо учитывать следующие факторы.

  • 1. Взаимная растворимость фаз. Наиболее эффективны те растворители, которые лишь ограниченно растворимы друг в друге (например, бензол — вода, хлороформ — вода, петролей- ный эфир — метанол).
  • 2. Растворимость данного вещества и селективность растворителя. Как правило, вещества, в которых преобладают гидрофобные группы (длинные алифатические цепи, бензольные ядра и т. д.), лучше растворимы в неполярных растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью. Напротив, вещества с гидрофильными группами (гидроксилом, карбоксилом, сульфогруппой и т. д.) обычно хорошо растворимы в полярных растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью.
  • 3. Устойчивость вещества в растворе.
  • 4. Чистота и устойчивость растворителя.
  • 5. Достаточное различие плотности обеих фаз (на 0,1—0,2). От этого в значительной степени зависит скорость расслаивания фаз.
  • 6. Склонность к образованию эмульсий. Часто, особенно при экстрагировании щелочных растворов, образуются эмульсии, которые можно разрушить, добавляя небольшие количества противовспенивающих средств (спирт, ацетон, бензол), насыщая поваренной солью или фильтруя раствор.
  • 7. Простота в обращении и безопасность. Следует помнить, что такие растворители, как эфир, сероуглерод и углеводороды, очень легко воспламеняются.
  • 8. Легкость удаления растворителя из экстракта.

Наиболее распространенные экстрагирующие растворители:

  • а) легче воды — диэтиловый эфир (низкая температура кипения, легко воспламеняется, несколько — до 6% — растворим в воде), бензол (огнеопасен), петролейный эфир (огнеопасен):
  • б) тяжелее воды — метиленхлорид (низкая температура кипения: +41 °С), хлороформ, тетрахлорид углерода.

Экстрагирование. Водный раствор (реже суспензию) смешивают в делительной воронке с экстрагирующим растворителем (1/5—1/3 объема раствора). Делительную воронку заполняют не больше чем на 2/3 объема, закрывают пробкой и взбалтывают смесь. Периодически осторожно открывают кран ? во избежание выброса раствора кран должен быть направлен вверх! 4, чтобы выпустить образующиеся пары. Если растворитель огнеопасен, гасят все близко расположенные горелки. Работая с сильнокислыми, щелочными или раздражающими веществами, ? необходимо надевать защитные очки! <

После отстаивания разделяют образовавшиеся два слоя. Нижний слой сливают через кран делительной воронки, не забывая открыть пробку, а верхний ? всегда < выливают через верхнее отверстие.

При однократной экстракции в экстракт переходит лишь определенное количество вещества в соответствии с законом Нернста. Оно зависит от объема экстрагирующего растворителя и концентрации экстрагируемого вещества в растворе. Поэтому вещества, даже плохо растворимые в воде, экстрагируют двумя-четырьмя небольшими порциями растворителя. Чтобы определить, закончена ли экстракция, немного последней порции экстракта высушивают, испаряют растворитель на часовом стекле и наблюдают, остается ли при этом экстрагируемое вещество. Окончание экстракции окрашенных веществ обыч-

Рис. 45

Рис. 44. Рис. 45.

Перфоратор для Перфоратор для экстрагирова- экстрагирования жидкостью ния жидкостью с низкой с высокой

плотностью плотностью

Схема дробного распределения но определяют по прекращению окрашивания экстрагирующего растворителя

Рис. 46. Схема дробного распределения но определяют по прекращению окрашивания экстрагирующего растворителя.

Полученный экстракт очищают от посторонних веществ (чаще всего кислот и оснований), увлеченных с растворителем при экстракции. Для этого экстракт промывают: встряхивают несколько раз с разбавленным водным раствором щелочи (или гидрокарбоната натрия) либо кислоты и несколько раз промывают водой. После этого экстракт высушивают подходящими осушителями.

Непрерывная экстракция (перфорация). Если вещество хорошо растворимо в воде, то для его выделения применяют обычно непрерывную экстракцию. Ее осуществляют в экстракторах непрерывного действия (перфораторах). Этот способ позволяет извлекать вещество из жидкости небольшим количеством растворителя.

Перфорацию более легкими, чем вода, растворителями (например, эфиром или бензолом) осуществляют в приборах типа изображенных на рис. 44, более тяжелыми растворителями (СНС13, СС14) — в приборах типа изображенных на рис. 45.

Растворитель испаряют в колбе и конденсируют его пары в обратном холодильнике. Конденсат в виде мелких капель, проходя через раствор, постепенно обогащается экстрагируемым веществом и стекает через перелив обратно в колбу. Таким образом, оказывается возможным экстрагировать вещества с коэффициентом распределения К = 1,5.

  • [1] Основные сведения о растворителях см. в разделе «Кристаллизация*и в приложении.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >