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 противоточный 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 несмешивающихся и равных по объему жидких фазах, при определенной температуре —г величина постоянная, называемая коэффициентом распределения: с_А: с_в = 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 К_х 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 * К_х: К₂ > 1 (больший коэффициент распределения делят на меньший). Оба вещества можно удовлетворительно разделить простой экстракцией только в случае, если Р > 100. Экстрактор д_ля 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, петролейный 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. 44. Рис. 45.

Перфоратор для Перфоратор для экстрагироваэкстрагирования жидкостью ния жидкостью с низкой с высокой плотностью плотностью.

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.