8.2. Жидкостная экстракция

Принцип жидкостной экстракции заключается в следующем. Если к раствору какого-либо вещества (например, к водному раствору иода) прилить некоторое количество несмешивающейся с водой органической жидкости, способной растворять это вещество (например, диэтилового эфира), то третий компонент будет самопроизвольно переходить через поверхность раздела фаз, т. е. распределяться между двумя жидкими слоями. Движущей силой распределения является разность значений химического потенциала этого третьего компонента по обе стороны межфазной границы. Поэтому распределение заканчивается и равновесие наступает тогда, когда химический потенциал распределяющегося компонента (в нашем примере - иода) примет одинаковые значения в обеих жидких фазах. Переход третьего компонента через поверхность раздела фаз можно рассматривать как извлечение (экстракцию) его вторым растворителем.

Растворитель, с помощью которого производится извлечение третьего компонента из первоначального раствора, называется экстрагентом, третий компонент (в нашем примере это иод) - экстрагируемым веществом. Образовавшийся после установления равновесия раствор экстрагируемого вещества в экстрагенте называется экстрактом, а обеднённый экстрагируемым веществом раствор в той жидкости, из которой велась экстракция, - рафинатом.

Жидкостная экстракция применяется для выделения веществ из растворов, где они присутствуют в очень малых количествах. Например, иод, содержащийся в попутных водах буровых скважин, можно экстрагировать эфиром или сероуглеродом. В фармацевтической практике экстракция применяется для выделения из растительного сырья эфирных масел, алкалоидов, витаминов, антибиотиков и других лекарственных веществ. В качестве экстрагентов в фармации используют хлороформ, хлористый метилен, этилацетат, амилацетат, эфир, бензол и другие растворители.

При рассмотрении уравнения (8.1) можно заметить, что значение коэффициента распределения будет зависеть от того, какой из равновесных растворов будет обозначен индексом 1, а какой - индексом 2. Если С₁ - равновесная концентрация экс­тра­гируемого вещества в растворе, подвергающемся экстрагированию, а С₂ - равновесная концентрация его в экстрагенте, то величина К будет принимать значения между 0 и 1. Причём, чем меньше значение К, тем бóльшая часть третьего компонента перейдёт в экстракт, и, значит, тем эффективнее будет процесс экстракции. Если же равновесную концентрацию экстрагируемого вещества в растворе, из которого идёт экстрагирование, обозначить С₂, а равновесную концентрацию его в экстрагенте - С₁, то величина К будет больше 1. В этом случае процесс экстракции будет тем эффективнее, чем больше значение К. Эффективность экстракции принято выражать степенью извлечения , представляющей собой отношение массы экстрагируемого вещества, перешедшей в экстракт m_э, к его первоначальной массе m₀ в растворе, из которого велась экстракция:

m_э

 =  .

m₀

Степень извлечения может быть выражена в долях и в процентах.

Найдём количественные соотношения для экстракции для случая K  1 при отсутствии ассоциации или диссоциации экстрагируемого вещества. Пусть имеется V₁ литров исходного раствора и V₂ литров экстрагента. Если исходный раствор содержал m₀ граммов вещества, то после установления равновесия в водном растворе останется m₁, а в экстракт перейдёт m_э граммов экстрагируемого вещества. Так как

m_э = m₀  m₁,

можно записать:

m₁ m₀  m₁

С₁ =  и С₂ =  .

V₁ V₂

Следовательно:

m₁ V₂

К = .

V₁ (m₀  m₁)

Решая это уравнение относительно m₁, получим

К = m₁V₂ / V₁(m₀  m₁); m₁V₂ = KV₁(m₀  m₁);

m₁V₂ = KV₁m₀  KV₁m₁; m₁V₂ + KV₁m₁ = KV₁m₀;

m₁(KV₁ + V₂) = m₀KV₁

и окончательно

KV₁ V₁

m₁ = m₀  или m₁ = m₀ . (8.3)

KV₁ + V₂ 1 + V₂ /KV₁

По этому уравнению можно рассчитать количество вещества в граммах, остающегося в рафинате после однократной экстракции. Количество вещества экстрагируемого из раствора (m_э), определяется по разности m_э = m₀  m₁ или по уравнению, которое получается при замене m₁ на равное ему значение:

KV₁

m_э = m₀  m₀ ,

KV₁ + V₂

откуда

KV₁ V₁

m_{э 1} = m₀ (1  ) или m_{э 1} = m₀ (1  ). (8.4)

KV₁ + V₂ 1 + V₂ /KV₁

После первой операции экстрагирования в рафинате остаётся какое-то количество неизвлечённого вещества m₁ = m₀ – m_э. Проводя повторное экстрагирование из этого раствора таким же объёмом экстрагента V₂, получим выражение для количества экстрагированного вещества:

KV₁

m_{э 2} = m₁ (1  )

KV₁ + V₂

Объединяя экстракты, получим, что суммарное количество извлечённого вещества равно m_э = m_{э 1} + m_{э 2}. Заменяя m_{э 1} на его значение из уравнения (8.4) и m₁ на соответствующее выражение из уравнения (8.3), получим для суммарного количества вещества, извлечённого при двух экстракциях:

KV₁ n

m_э = m₀ [1  ( ) ].

KV₁ + V₂

При многократной экстракции одинаковыми объёмами экстрагента формулы для количества вещества, остающегося в рафинате и перешедшего в экстрагент, примут вид соответственно:

KV₁ n

m_n = m₀ ( )

KV₁ + V₂

и

KV₁ n

m_ý = m₀ [1  ( ) ].

KV₁ + V₂

где n - число операций экстрагирования.

Расчёты показывают, что вещество извлекается полнее, если имеющийся объём экстрагента использовать не целиком, а разделить его на несколько частей для повторных экстракций, а затем объединить все экстракты. Такая многократная экстракция носит название дробной. Несмотря на увеличение числа операций, неизбежно вызывающее возрастание продолжительности процесса, дробная экстракция позволяет получать намного бóльшие степени извлечения, т. е. увеличивать выход продукта.

Зная необходимую степень извлечения, можно рассчитать n - число операций экстрагирования, необходимое для её достижения.

В химической технологии, в том числе в заводской технологии лекарств, часто используется другое представление о коэффициенте распределения, при котором принимается, что K  1.

В этом случае масса вещества, остающегося в рафинате, вычисляется по формуле

V₁ n

m₁ = m₀ ( ) ,

V₁ + KV₂

а масса вещества. переходящего в экстракт –

V₁ n

m_э = m₀ [1  ( ) ].

V₁ + KV₂

IV. Э Л Е К Т Р О Х И М И Я