Смекни!
smekni.com

Экстракторы (стр. 5 из 7)

ОСНОВЫ ВЫБОРА И РАСЧЕТА ЖИДКОСТНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖИДКОСТНОЙ ЭКСТРАКЦИИ

Жидкостная экстракция представляет собой процесс извле­чения вещества, называемого целевым компонентом, из одной жидкой фазы в другую. Две взаимно нерастворимые жидкости и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему.

Существуют экстракционные системы двух типов:

1) органическая фаза — распределяемый "компо­нент— водная фаза;

2) органическая фаза—распределяемый компонент — органическая фаза. Распределяемыми (извлекае­мыми) компонентами могут быть органические, неорганические вещества и комплексные соединения.

Таким образом, в процессе экстракции участвуют две жид­кие фазы — экстрагент и исходный раствор. Получаемые после экстракции фазы называются экстрактом и рафинатом.

При экстракции веществ достигаются следующие цели:

1) избирательное извлечение вещества из исходного раствора;

2) разделение веществ, содержащихся в исходном растворе и получение их в чистом виде;

3) концентрирование извлекаемых веществ.

Экстрагент — это органический растворитель, экстрагирую­щий вещество из исходного раствора. В большинстве случаев жидкостная экстракция осложняется химической реакцией. В та­ких процессах ионы вещества или незаряженные частицы в ис­ходном растворе первоначально вступают во взаимодействие с компонентами экстрагента, а затем продукты реакции раство­ряются в экстрагенте. Органический реагент, который входит II состав экстрагента (либо применяется как самостоятельная фаза) и образует с извлекаемым компонентом комплекс или соль, способные экстрагироваться, называется экстракционным реагентом. Для улучшения физических (плотность, вязкость) или экстракционных (например, избирательность) свойств экстрагента экстракционный реагент растворяют в инертном рас­творителе. Под инертностью растворителя подразумевается не­способность образовывать соединения с извлекаемым вещест­вом.

Каждый экстрагент при экстрагировании определенного ком­понента (например, металла) имеет предельную емкость. При ее достижении экстрагент насыщается. Концентрация насыще­ния данного экстрагента (емкость) может быть определена после многократной обработки после многократной обработки в воронке нескольких свежих порций исходного раствора. Обработка проводится одной пор­цией экстрагента до тех пор, пока количество компонента в экстрагенте не станет постоянным. Значения предельной емко­сти для различных экстрагентов изменяются в широких преде­лах. На практике стараются избегать максимального насыще­ния экстрагента, так как с увеличением насыщения возрастает вязкость, что приводит к ухудшению показателей работы экстракционного оборудования.

Емкость экстрагента, измеряемая обычно в мг-экв извлекаемого вещества, приходящихся на единицу мольного объема или массы органической фазы, должна иметь возможно большую величину, так как в противном случае применение даже высокоселективного экстрагента может оказаться неэкономичным из-за необходимости иметь в системе большое количество экстра­гента.

В экстракционных процессах жидкости после их смешения расслаиваются. В простых случаях расслоение определяется взаимной не растворимостью фаз и различием их физических СВОЙСТВ, однако иногда оно происходит В замкнутой области, поскольку вода имеет «полую» структуру, в пустотах которой могут располагаться молекулы экстрагентов, образуя при этом соединения внедрения.

Наличие области расслоения — первое требование к экстрагенту. Практически не менее важна малая растворимость экстрагента в воде. Хорошее расслоение при малой растворимости обеспечивается наличием в молекуле экстрагента неполярной гидрофобной части — радикала, который чаще всего представлен углеводородными группами СnH2n+1(n=10÷12). Аналогичный эффект достигается введением в молекулу экстра­гента длинной алкильной боковой цепи. Практически это озна­чает, что экстрагент должен иметь молекулярную массу М = 200÷600. При меньшем значении М он становится слиш­ком растворимым в водной фазе, а при большем имеет низкую емкость по извлекаемому металлу и повышенную вязкость.

Добавка трибутилфосфата и других нейтральных фосфор-органических соединений или высокомолекулярных спиртов к органической фазе снижает растворимость экстрагентов и в ряде случаев резко увеличивает коэффициенты распределения (так называемый синергетический эффект).

Необходимо учитывать, что в ряде случаев цена экстрагентов находится в пределах от 500 до 2500 руб. за 1 т, поэтому уже при потерях 100 мг/л (100 г/м3) дорогие экстрагенты мож­но применять при концентрациях извлекаемого металла и не­сколько граммов на 1 л исходного раствора при тис металла, незначительно отличающейся от цены экстрагента. Следова­тельно, стоимость извлекаемого металла определяется мини­мальную концентрацию в водном растворе, при которой экстракция будет экономически выгодной.

Процессы экстракционного извлечения и разделения метал­лов идут, как правило, путем смешения органической и водной фаз с последующим их разделением. Чем больше разность плотностей органического и водного слоев и чем меньше вяз­кость экстрагента, тем легче (быстрее) идет их разделение. Поэтому обычно работают с разбавленными экстрагентами, ис­пользуя в качестве разбавителей неполярные малоактивные и устойчивые жидкости: бензол, толуол, керосин и т. д. Иногда, наоборот, утяжеляют органический слой, используя в качестве разбавителя четыреххлористый углерод, хлороформ и т. д.

Межфазное натяжение на границе раздела должно быть до­статочно высоким для ускорения коалесценции (соединения) несмешивающихся жидкостей при их отстаивании. Однако слишком большое межфазное натяжение приводит к увеличе­нию энергии, затрачиваемой на создание дисперсии смеси, а жидкости с малым межфазным натяжением образуют стабильные эмульсии.

Существенное влияние на величину межфазного натяжения оказывают (как правило, снижая его) примеси, которые адсор­бируются на поверхности раздела фаз — поверхностно-актив­ные вещества (ПАВ), поэтому технические жидкости почти все­гда обладают межфазным натяжением меньше стандарт­ного.

Экстрагент должен быть стабильным, не изменяться под действием таких окислителей, как, например, азотная кислота, не полимеризоваться, не окисляться кислородом воздуха и не изменяться при многократном нагревании. Необходимо также принимать во внимание возможность гидролиза экстрагентов, который может привести к образованию коррозионно-активных соединений. Экстрагент должен иметь низкое давление насыщенных паров, что обеспечивает возможность проведения процесса в открытой аппаратуре. При этом уменьшают­ся его потери за счет испарения. В целях безопасности тем­пература вспышки экстрагента должна быть достаточно вы­сокой.

Реэкстракция представляет собой процесс обратного извле­чения вещества из экстракта путем обработки специальном раствором, который называют реэкстрагентом, а получаемый продукт (чаще всего это раствор) — реэкстрактом. В качестве реэкстрагента используют воду, водные растворы, нераствори­мые в экстрагенте органические вещества.

Реэкстракцию мож­но осуществлять одним из следующих способов:

1) промывка органической фазы;

2) осаждение металла непосредственно из органической фазы;

3) селективное извлечение компонента, если в органической фазе содержится несколько металлов.

При реэкстракции достигаются следующие цели:

1) выделе­ние вещества из экстракта;

2) разделение веществ (избирательная реэкстракция);

3) концентрирование извлекаемых веществ;

4) регенерация экстрагента для повторного использования (в некоторых случаях для регенерации экстрагента принимают перегонку, при этом отгоняется и конденсируется либо экстрагент, либо получаемый целевой компонент).

Выбор реэкстрагентов зависит от механизма экстракции. Из эфиров и нейтральных фосфорорганических соединений ме­таллы легче реэкстрагируются водой, из кислых фосфорорга­нических соединений их можно реэкстрагировать кислотой или щелочью. Обычно применяются концентрированные кислоты, чтобы сдвинуть равновесие реакции в требуемом направлении. При использовании щелочей после реэкстракции образуются растворимые или нерастворимые гидроокиси. Реэкстракция аминов может происходить в результате замещения, гидролиза, комплексообразования и осаждения.

Регенерация экстрагента может быть осуществлена также ректификацией, выпариванием, кристаллизацией и т. д.

Химическая реакция между экстрагентом и компонентами водного раствора должна быть обратимой, так как иначе ре­генерация экстрагента будет затруднена или невозможна. Для кислотных и хелатообразующих экстрагентов процесс экстрак­ции можно сделать обратимым путем обработки органической фазы минеральной кислотой. Добавление карбоновых и фосфор­ных кислот в стехиометрическом количестве по отношению к количеству металла в органической фазе обычно достаточно для полной реэкстракции металла и регенерации экстрагента. Для хелатообразующих экстрагентов с возрастанием прочно­сти экстрагируемого комплекса увеличивается концентрация кислоты, необходимой для реэкстракции. Если используется очень сильная кислота или донорный атом сильноосновен, то может происходить протонирование атома-донора с соответ­ствующей потерей кислоты. Это вызывает снижение эффектив­ности реэкстракции, а иногда приводит к тому, что ион метал­ла может вновь экстрагироваться из реэкстракта органической фазой в виде анионного комплекса. Вследствие этого иногда используют способ реэкстракции, независимый от рН: прямое восстановление металла в органической фазе водородом.