1.6 Выщелачивание

Оно основано на извлечении одного или нескольких компонентов из твердых отходов путем избирательного растворения жидкости – экстрагенте, за счет химической реакции. В данном случае твердый материал обрабатывается таким раствором химического реагента, в результате, которого нужная составная часть его переходит в раствор. Название условно, так как выщелачиваемое вещество может не быть щелочным. В основе этих процессов лежит диффузия и химическая реакция. Проведение процесса выщелачивания зависит от того в какой форме находится выщелачиваемое вещество.

Экстрагирование существенно отличается от экстракции жидкостной, которая протекает в гетерогенной системе жидкость - жидкость. При экстрагировании размеры твердых тел задаются предшествующими операциями (измельчение).

Различают два принципиально разных способа извлечения: экстрагирование растворенного вещества и экстрагирование твердого вещества. В случае экстрагирования растворенного вещества пористый объем твердого тела заполнен раствором целевого компонента, который при извлечении диффундирует за пределы пористого тела в экстрагент. Классический пример - извлечение сахара из свекловичной стружки при ее обработке горячей водой. Экстрагирование твердого вещества происходит, если целевой компонент, заполняющий пористый объем твердого тела, находится в твердом состоянии. При обработке твердого тела экстрагентом диффузионной стадии предшествует стадия растворения целевого компонента. В обоих случаях пористый инертный скелет либо остается в неизмененном виде, либо подвергается определенным изменениям.

К основным стадиям экстрагирования относят: 1) подготовку сырья и экстрагента (очистка и измельчение сырья, нагревание растворителя); 2) непосредственное контактирование твердой и жидкой фаз в аппарате, называется экстрактором; 3) разделение системы твердая фаза - раствор (отстаивание, фильтрование, центрифугирование).

Промышленные экстрагенты должны обладать высокой избирательностью, легко регенерироваться и быть сравнительно дешевыми. Таким требованиям отвечают вода, этанол, бензин, бензол, СС14 ацетон, растворы кислот, щелочей и солей.

На скорость и механизм экстрагирования существенно влияет структура твердых пористых тел, особенности строения которых определяются их природой и технологической обработкой на стадиях, предшествующих экстрагированию. Такие тела могут обладать изотропной или анизотропной структурой. Изотропные тела имеют одинаковое строение во всех направлениях. Этому условию отвечают тела, состоящие из весьма малых сцементированных между собой частиц, а также тела животного или растительного происхождения, обладающие клеточным строением. При измельчении изотропных тел возможно появление анизотропии. Для анизотропных тел может наблюдаться регулярная анизотропия. Так, в случае растит. объектов, имеющих систему капилляров, направление вдоль капилляра предпочтительно для диффузионного переноса в сравнении с направлением, перпендикулярным к капилляру. При нерегулярной анизотропии тело можно рассматривать как совокупность емкостей, отделенных одна от другой непроницаемыми перегородками. Особенно неблагоприятно для экстрагирования существование замкнутых областей, изолирующих заключенную в них жидкость от экстрагента.

При взаимодействии твердой и жидкой фаз их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, которое характеризуется равенством хим. потенциалов извлекаемого вещества в объеме твердого тела и в основной массе экстрагента. При извлечении растворенного вещества это равносильно равенству его концентраций в обеих фазах; условие нарушается, если целевой компонент адсорбируется твердой фазой, тогда равновесие определяется изотермой адсорбции. При извлечении твердого вещества равновесие обусловлено растворимостью целевого компонента, находящегося в контакте с экстрагентом; при полном извлечении твердого компонента его концентрации в основной массе раствора и в пористом объеме выравниваются.

Кинетически экстрагирование подчиняется законам массообмена, конвективной и молекулярной диффузии, а также законам переноса извлекаемого вещества из твердой фазы в жидкую. Движущая сила переноса целевого компонента - разность его хим. потенциалов в фазах. На практике для упрощения связи между скоростью процесса и составом материальных потоков движущую силу экстрагирования выражают через переменный во времени градиент концентраций извлекаемого вещества в фазах.

Массообмен при извлечении твердого вещества. Возможны различные варианты распределения твердого целевого компонента по объему частицы; во мн. случаях наблюдается равномерное распределение. Вследствие растворения вещества и диффузии его за пределы частицы область, содержащая твердый целевой компонент, при экстрагировании систематически сокращается.