7. Экстракционные процессы
Процесс избирательного извлечения вещества в жидкую фазу называется экстракцией. Очищаемая смесь может быть газообразной, жидкой или твердой.
Для каждого из видов экстракции существует свое название. Экстракцию газа жидкостью называют абсорбцией, твердых веществ жидкими – выщелачиванием, экстракцию растворенного вещества из одной жидкой фазы в другую – жидкостной экстракцией или просто экстракцией.
При жидкостной экстракции происходит извлечение растворенного вещества из одного жидкого растворителя в другой жидкий растворитель, при этом растворители не должны смешиваться друг с другом.
Жидкость, с помощью которой производят экстрагирование, называется экстрагентом (кроме чистого растворителя он может содержать реагент, химически реагирующий с извлекаемым веществом, и разбавитель, снижающий вязкость растворителя).
Жидкостная экстракция имеет очень большое применение в технологии полупроводников и диэлектриков. С ее помощью могут быть решены следующие задачи: разделение смеси двух веществ с концентрированием каждого из них в разных растворителях (например, водном и органическом); экстрагирование основного компонента смеси в органический растворитель и оставление примеси в водном растворе или, наоборот, экстрагирование примеси в органический растворитель и оставление компонента в водном растворе.
Принцип экстракционного разделения. Суть процесса экстракционного разделения может быть рассмотрена с помощью трехкомпонентной диаграммы состояния, приведенной на рис. 2.2. Для разделения смеси полностью смешивающихся жидкостей А и С состава F к ним добавляется растворитель (экстрагент) В, не полностью смешивающийся со смесью и способный избирательно растворять (экстрагировать) один из компонентов, в нашем случае С.
Кривая PQ называется бинодальной кривой, она делит диаграмму растворимости на две области: гомогенную, лежащую над бинодальной кривой, и гетерогенную под бинодальной кривой (или область расслоения). При добавлении экстрагента В точка, отвечающая общему составу тройной системы, перемещается по прямой FB. Пусть состав тройной смеси соответствует точке М (она должна находиться в области расслоения). Состав фаз, образующихся при расслоении, определяется конодой PQ, проведенной через точку М.
Рис. 2.2. Диаграмма растворимости с областью расслоения
Фаза Q имеет высокое содержание растворителя и называется фазой экстракта или фазой растворителя. Фаза Р с низким содержанием растворителя называется фазой рафината или фазой остатка.
Разделяя фазы Q и Р и извлекая из них растворитель (дистилляцией или промывкой), получают соответственно экстракт и рафинат, свободные от растворителя, составов Е и R. По сравнению с исходной смесью F смесь Е имеет более высокое, а смесь R – более низкое содержание компонента С. Дальнейшим добавлением экстрагента к рафинату R получают (после разделения фаз и удаления экстрагента) новый рафинат с еще более низким содержанием С и т.д. Таким путем из исходной смеси F, проводя многоступенчатую (периодическую) экстракцию, можно получить компонент А почти любой степени чистоты.
Что касается получения компонента С из экстракта, то максимально достижимая степень чистоты этого компонента в данном многоступенчатом процессе определяется положением точки Ет, получаемой в результате пересечения касательной, проведенной из точки В к бинодальной кривой, и линии АС.
Результаты экстракции зависят от размеров области расслоения и от наклона коноды, определяющего значение коэффициента распределения.
Разделяемая смесь компонентов А и С и экстрагент В не полностью смешиваются друг с другом и характеризуются заметной разницей в плотности. Поэтому при их перемешивании жидкости диспергируются, а при отстаивании отделяются друг от друга в виде слоев (расслаиваются).
Лимитирующей стадией процесса экстракции является, как правило, диффузия экстрагируемого вещества при смешивании разделяемой смеси и экстрагента, поэтому процесс жидкостной экстракции целесообразно проводить при интенсивном перемешивании, значительно ускоряющем диффузионный перенос в соприкасающихся фазах. Кроме того, скорость экстракции возрастает с увеличением площади контакта между фазами; чем меньше размер капель дисперсной фазы, тем быстрее устанавливается экстракционные равновесие.
Процесс жидкостной экстракции может осуществляться периодически или непрерывно.
Периодический процесс характеризуется малой производительностью.
Значительно шире используется непрерывный процесс. Здесь массопередача между исходным раствором F и экстрагентом В происходит в смесителях, а разделение фаз экстракта и рафината – в отстойниках. При этом в первый смеситель непрерывно вводятся исходный раствор F и экстрагент В, где они интенсивно перемешиваются. Образующаяся гетерогенная смесь непрерывно передается в первый отстойник, в котором происходит разделение фаз, причем фаза рафината далее поступает во второй смеситель, куда также непрерывно поступают и новые порции экстрагента. Гетерогенная смесь, образующаяся во втором смесителе, непрерывно передается во второй отстойник и т.д. Конечная фаза рафината из последнего отстойника передается в дистилляционную колонну для удаления экстрагента и получения чистого рафината R.
В технологии получения полупроводниковых материалов экстракция используется при очистке GeCl4, экстрагентом является соляная кислота, хорошо растворяющая хлориды и окислы примесей и плохо – тетрахлорид германия. Экстракция проводится в кварцевых или фторопластовых колоннах. Для очистки достаточно трех процессов экстракции.