Треугольная диаграмма

Экстракция — это процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых пористых материалов из­бирательно действующими растворителями (экстрагентами). Раз­личают экстракционные процессы в системах жидкость—жидкость (экстракция) и экстрагирование в системах твердое тело—жид­кость (твердофазное экстрагирование).

Экстракционные процессы широко применяют для извлече­ния ценных веществ из смесей, очистки жидкостей и твердых ве­ществ от примесей.

Процессы жидкофазной (или жидкостной) экстракции исполь­зуют в нефтехимической и химической отраслях промышленно­сти для извлечения в чистом виде различных продуктов органи­ческого синтеза и редких элементов, очистки сточных вод и т.д.

В некоторых случаях экстракция используется в сочетании с ректификацией (предварительная экстракция позволяет значитель­но сократить затраты теплоты на разделение жидкой смеси ректи­фикацией).

Экстракция в системах жидкость—жидкость как метод разде­ления жидких смесей основана на различии растворимости выде­ляемых компонентов смеси в жидких растворителях, составляю­щих две фазы.

Принципиальная схема процесса экстракции приведена на рис. 21.1. Исходный раствор представляет собой смесь первичного растворителя и извлекаемого компонента. Последний может быть как неорганическим, так и органическим веществом.

Рис. 21.1. Принципиальная схема процесса экстракции

На первой стадии экстракции исходный раствор и экстра­гент приводят в тесное соприкосновение, обеспечивающее мак­симальное развитие поверхности контакта фаз. При этом полу­чают две новые фазы, которые называются экстрактом и рафинатом. Экстракт представляет собой раствор извлекаемого ком­понента в экстрагенте, рафинат — остаточный исходный ра­створ (первичный растворитель). На второй стадии экстракт и рафинат разделяют отстаиванием, - центрифугированием или другими методами.

Экстракция отличается от других массообменных процессов низкой рабочей температурой. Экстракционное разделение наи­более экономично при разделении смесей, чувствительных к вы­соким температурам. Во многих случаях процесс экстракции со­провождается химической реакцией.

Каждый экстрагент (вторичный растворитель) при экстракции определенного компонента имеет предельную емкость, по дости­жении которой растворитель насыщается извлекаемым компонен­том. Значения предельной емкости для разных веществ изменяют­ся в широких пределах.

К экстрагенту предъявляют следующие требования:

∙ высокая избирательность по отношению к извлекаемому ком­поненту;

∙ высокая экстракционная емкость по отношению к извлекае­мому компоненту;

∙ легко осуществляемая реэкстракция, т. е. возможность извле­чения извлекаемого компонента;

∙ хорошее расслаивание фаз;

∙ безопасность при работе (экстрагент не должен быть токсич­ным, летучим и взрывоопасным);

∙ стойкость в процессе экстракции или реэкстракции;

∙ низкая стоимость;

∙ доступность (экстрагент не должен быть дефицитным).

Промышленные экстрагенты подразделяются на три класса:

∙ органические кислоты или их соли (алифатические монокарбоновые кислоты, нафтеновые кислоты, сульфокислоты, фено­лы, кислые эфиры фосфорной кислоты), которые переводят ка­тионы металлов из водной фазы в органическую фазу;

Рис. 21.2. Треугольная диаграмма:

— мольные доли соответственно первичного растворителя, экстрагента и извлекаемого вещества; N — точка, отвечающая составу трехкомпонентного

раствора

∙ соли органических оснований (первичных, вторичных и тре­тичных аминов, а также четвертичных аммониевых оснований), с помощью которых извлекают анионы металлов из водных ра­створов;

∙ нейтральные экстрагенты (вода, спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды и кетоны), извлечение которых осуществляет­ся с помощью разных механизмов в зависимости от кислотности исходного раствора.

При частичной взаимной растворимости первичного раство­рителя и экстрагента каждая фаза при экстракции будет представ­лять собой трехкомпонентную систему, состав которой невозможно отразить на прямоугольной диаграмме. Составы таких фаз удобно представить в треугольной системе координат — на так называе­мой треугольной диаграмме (рис. 21.2), которая представляет со­бой равносторонний треугольник. Каждая точка на сторонах треу­гольника соответствует составу двухкомпонентных растворов, а каждая точка внутри диаграммы — составу трехкомпонентного раствора.

Для определения содержания каждого компонента в растворе на сторонах диаграммы нанесены шкалы, причем длина каждой стороны принята за 100 %. Состав раствора или смеси определятся длиной отрезков, получаемых на сторонах треугольника. Напри­мер, точка N характеризует тройную смесь, состоящую из 20 %

первичного растворителя, 50 % экстрагента и 30 % извлекаемого вещества.