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萃取,又稱溶劑萃取或液液萃取,亦稱抽提,通用於石油煉製工業。

概述

分液漏斗

  分液漏斗

萃取(Extraction指利用化合物在兩種互不相溶(或微溶)的溶劑中溶解度或分配係數的不同,使化合物從一種溶劑內轉移到另外一種溶劑中。經過反覆多次萃取,將絕大部分的化合物提取出來的方法。萃取又稱溶劑萃取或液液萃取(以區別於固液萃取,即浸取),亦稱抽提(通用於石油煉製工業),是一種用液態的萃取劑處理與之不互溶的雙組分或多組分溶液,實現組分分離的傳質分離過程,是一種廣泛應用的單元操作。 利用相似相溶原理,萃取有兩種方式:
液-液萃取,用選定的溶劑分離液體混合物中某種組分,溶劑必須與被萃取的混合物液體不相溶,具有選擇性的溶解能力,而且必須有好的熱穩定性和化學穩定性,並有小的毒性和腐蝕性。如用苯分離煤焦油中的酚;用有機溶劑分離石油餾分中的烯烴; 用CCl4萃取水中的Br2.
固-液萃取,也叫浸取,用溶劑分離固體混合物中的組分,如用水浸取甜菜中的糖類;用酒精浸取黃豆中的豆油以提高油產量;用水從中藥中浸取有效成分以製取流浸膏叫「滲瀝」或「浸瀝」。
雖然萃取經常被用在化學試驗中,但它的操作過程並不造成被萃取物質化學成分的改變(或說化學反應),所以萃取操作是一個物理過程。
萃取是有機化學實驗室中用來提純和純化化合物的手段之一。通過萃取,能從固體或液體混合物中提取出所需要的化合物。

1原理

原理示意圖

  原理示意圖

利用化合物在兩種互不相溶(或微溶)的溶劑中溶解度或分配係數的不同,使化合物從一種溶劑內轉移到另外一種溶劑中。經過反覆多次萃取,將絕大部分的化合物提取出來。
分配定律是萃取方法理論的主要依據,物質對不同的溶劑有著不同的溶解度。同時,在兩種互不相溶的溶劑中,加入某種可溶性的物質時,它能分別溶解於兩種溶劑中,實驗證明,在一定溫度下,該化合物與此兩種溶劑不發生分解、電解、締合和溶劑化等作用時,此化合物在兩液層中之比是一個定值。不論所加物質的量是多少,都是如此。屬於物理變化。用公式表示。
CA/CB=K
CA.CB分別表示一種化合物在兩種互不相溶地溶劑中的量濃度。K是一個常數,稱為「分配係數」。
有機化合物在有機溶劑中一般比在水中溶解度大。用有機溶劑提取溶解於水的化合物是萃取的典型實例。在萃取時,若在水溶液中加入一定量的電解質(如氯化鈉),利用「鹽析效應」以降低有機物和萃取溶劑在水溶液中的溶解度,常可提高萃取效果。
要把所需要的化合物從溶液中完全萃取出來,通常萃取一次是不夠的,必須重複萃取數次。利用分配定律的關係,可以算出經過萃取后化合物的剩餘量。
設:V為原溶液的體積
w0為萃取前化合物的總量
w1為萃取一次后化合物的剩餘量
w2為萃取二次后化合物的剩餘量
wn為萃取n次后化合物的剩餘量
S為萃取溶液的體積
經一次萃取,原溶液中該化合物的濃度為w1/V;而萃取溶劑中該化合物的濃度為(w0-w1)/S;兩者之比等於K,即:
w1/V =K w1=w0 KV
(w0-w1)/S KV+S
同理,經二次萃取后,則有
w2/V =K 即
(w1-w2)/S
w2=w1 KV =w0 KV
KV+S KV+S
因此,經n次提取后:
wn=w0 ( KV )
KV+S
當用一定量溶劑時,希望在水中的剩餘量越少越好。而上式KV/(KV+S)總是小於1,所以n越大,wn就越小。也就是說把溶劑分成數次作多次萃取比用全部量的溶劑作一次萃取為好。但應該注意,上面的公式適用於幾乎和水不相溶地溶劑,例如苯,四氯化碳等。而與水有少量互溶地溶劑乙醚等,上面公式只是近似的。但還是可以定性地指出預期的結果。
儀器:分液漏斗
用四氯化碳萃取碘水中的碘

  用四氯化碳萃取碘水中的碘

常見萃取劑:甲苯,二氯甲烷,三氯甲烷,汽油,乙醚,直餾汽油,正丁醇。
要求: 萃取劑和原溶劑互不混溶 。
萃取劑和溶質互不發生反應 。
溶質在萃取劑中的溶解度遠大於在原溶劑中的溶解度 。
相關規律:有機溶劑易溶於有機溶劑,極性溶劑易溶於極性溶劑,反之亦然。

2沿革

1842年 E.-M.佩利若研究了用乙醚從硝酸溶液中萃取硝酸鈾醯。1903年L.埃迪蘭努用液態二氧化硫從煤油中萃取芳烴,這是萃取的第一次工業應用。20世紀40年代後期,生產核燃料的需要促進了萃取的研究開發。現今萃取已應用於石油餾分的分離和精製,鈾、釷、鈈的提取和純化,有色金屬、稀有金屬、貴重金屬的提取和分離,抗菌素、有機酸、生物鹼的提取,以及廢水處理等。

3方法

向待分離溶液(料液)中加入與之不相互溶解(至多是部分互溶)的萃取劑,形成共存的兩個液相。利用原溶劑與萃取劑對各組分的溶解度(包括經化學反應后的溶解)的差別,使它們不等同地分配在兩液相中,然後通過兩液相的分離,實現組分間的分離。如碘的水溶液用四氯化碳萃取,幾乎所有的碘都移到四氯化碳中,碘得以與大量的水分開。
最基本的操作是單級萃取。它是使料液與萃取劑在混合過程中密切接觸,讓被萃組分通過相際界面進入萃取劑中,直到組分在兩相間的分配基本達到平衡。然後靜置沉降,分離成為兩層液體,即由萃取劑轉變成的萃取液和由料液轉變成的萃余液。單級萃取達到相平衡時,被萃組分B的相平衡比,稱為分配係數K,即:
K=yB/xB
式中yB和xB分別為B組分在萃取液中和萃余液中的濃度。濃度的表示方法需考慮組分的各種存在形式,按同一化學式計算。
若料液中另一組分D也被萃取,則組分B的分配係數對組分D的分配係數的比值,即B對D的分離因子,稱為選擇性係數α,即:
α=KKD=yxD/(xyD)
α>1時,組分B被優先萃取;α=1表明兩組分在兩相中的分配相同,不能用此萃取劑實現此兩組分的分離。
單級萃取對給定組分所能達到的萃取率(被萃組分在萃取液中的量與原料液中的初始量的比值)較低,往往不能滿足工藝要求,為了提高萃取率,可以採用多種方法:①多級錯流萃取。料液和各級萃余液都與新鮮的萃取劑接觸,可達較高萃取率。但萃取劑用量大,萃取液平均濃度低。②多級逆流萃取。料液與萃取劑分別從級聯(或板式塔)的兩端加入,在級間作逆向流動,最後成為萃余液和萃取液,各自從另一端離去。料液和萃取劑各自經過多次萃取,因而萃取率較高,萃取液中被萃組分的濃度也較高,這是工業萃取常用的流程。③連續逆流萃取。在微分接觸式萃取塔(見萃取設備)中,料液與萃取劑在逆向流動的過程中進行接觸傳質,也是常用的工業萃取方法。料液與萃取劑之中,密度大的稱為重相,密度小的稱為輕相。輕相自塔底進入,從塔頂溢出;重相自塔頂加入,從塔底導出。萃取塔操作時,一種充滿全塔的液相,稱連續相;另一液相通常以液滴形式分散於其中,稱分散相。分散相液體進塔時即行分散,在離塔前凝聚分層后導出。料液和萃取劑兩者之中以何者為分散相,須兼顧塔的操作和工藝要求來選定。此外,還有能達到更高分離程度的迴流萃取和分部萃取。

4應用

多級液液萃取器

  多級液液萃取器

萃取與其他分離溶液組分的方法相比,優點在於常溫操作,節省能源,不涉及固體、氣體,操作方便。萃取在如下幾種情況下應用,通常是有利的:①料液各組分的沸點相近,甚至形成共沸物,為精餾所不易奏效的場合,如石油餾分中烷烴與芳烴的分離,煤焦油的脫酚;②低濃度高沸組分的分離,用精餾能耗很大,如稀醋酸的脫水;③多種離子的分離,如礦物浸取液的分離和凈制,若加入化學品作分部沉澱,不但分離質量差,又有過濾操作,損耗也大;④不穩定物質(如熱敏性物質)的分離,如從發酵液製取青霉素。萃取的應用,目前仍在發展中。元素周期表中絕大多數的元素,都可用萃取法提取和分離。萃取劑的選擇和研製,工藝和操作條件的確定,以及流程和設備的設計計算,都是開發萃取操作的課題。

5萃取實驗

將碘水與四氯化碳或苯混合,搖勻,之後蒸發得碘晶體。
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