文档介绍：萃取和浸取技术
第三章
第三章萃取和浸取技术
第一节溶剂萃取
第二节浸取
第三节新型萃取技术
第一节溶剂萃取
将所选定的某种溶剂,加入到液体混合物中,根据混合物中不同组分在该溶剂中的溶解度不同,将需要的组分分离出来,这个操作过程称为溶剂萃取。
萃取操作的基本过程如图3-1所示。原料液(液体混合物)由A、B两组分组成,若待分离的组分为A,则称A为溶质,B组分为原溶剂(或称稀释剂),加入的溶剂称为萃取剂S。首先将原料液和溶剂加入混合器中,然后进行搅拌。萃取剂与原料液互不相溶,混合器内存在两个液相。通过搅拌可使其中一个液相以小液滴的形式分散于另一相中,造成很大的相接触面积,有利于溶质A由原溶剂B向萃取剂S扩散。
第一节溶剂萃取
A在两相之间重新分配后,停止搅拌,将两液相放入澄清器内,依靠两相的密度差进行沉降分层。上层为轻相,通常以萃取剂S为主,并溶入较多溶质A,同时含有少量B,为萃取相,以E表示;下层为重相,以原溶剂B为主及未扩散溶质A,同时含有少量的S,称为萃余相,以R表示。在实际操作中,也有轻相为萃余相,重相为萃取相的情况。
萃取相和萃余相都是A、B、S的均相混合物,为了得到分离后的A组分,应除去溶剂S,称为溶剂回收。回收后的溶剂S,可供循环使用。通常用蒸馏的方法回收S,如果溶质A很难挥发,也可用蒸发的方法回收S。萃取相脱去溶剂S后,称为萃取液,以E`表示;萃余相脱去S后,称为萃余液,以R`表示。
第一节溶剂萃取
图3-1 萃取过程示意图
由此可见,一个完整的萃取过程应包括:原料液(A+B)与萃取剂(S)的充分混合,以完成溶质(A)由原溶剂(B)转溶到萃取剂S的传质过程;萃取相与萃余相的分离过程;从两相中回收溶剂S最后得到产品的过程。
下面以溶剂萃取为例,介绍萃取过程的理论基础。
第一节溶剂萃取
一、溶剂萃取的理论基础
一种物质(溶质)均匀地分散在另一种物质(溶剂)中的过程,称为溶解。从热力学角度来看,一个溶解过程要能自动进行,体系的熵将增大。吉布斯自由能应下降。当△G < 0时,溶解自动进行;△G = 0达到溶解平衡;△G > 0时,溶解不能进行。
△G = △H – T △S (3-1)
△H = △E + △(PV) (3-2)
第一节溶剂萃取
式中 G——吉布斯自由能,J;
H——焓,J;
S——熵,J .K—1;
E——能量,J;
P——压力,Pa;
V——体积,m3;
T——热力学温度,K。
一般溶解过程,压力和体积的变化很小,熵的变化引起吉氏函数的变化也很小,因此可忽略熵、体积和压力的变化,只考虑体系能量的变化。
第一节溶剂萃取
溶解过程能量的变化,从以下三个方面综合考虑。
(1)溶质A各质点的相互分离。原先是固态或液态的溶质A,先分离成单个的分子或离子,这个过程需要吸收能量△H1。对离子晶体而言该能量等于晶格能,对液体分子而言是汽化能或升华能。根据分子间作用力大小的一般规律可知,该作用力一般顺序为:非极性物质<极性物质<氢键物质<离子型化合物。
(2)溶剂S在溶质A的作用下形成可容纳A分子的空穴。此过程需吸收能量△H2,该能量大小与溶剂S分子之间的作用力大小有关,一般顺序为:非极性物质<极性物质<氢键物质。该能量大小△H2还与溶质A的分子大小有关,溶质A的分子大,则容纳A质点的空穴就要大些,所需破坏溶剂S的分子间作用力的能量就要多些。
第一节溶剂萃取
(3)溶质A进入溶剂S形成的空穴,A与S之间也存在作用力,此时放出能量△H3。该能量的大小顺序为:A、S均为非极性分子<一为极性分子<均为极性分子<A被S溶剂化。所谓溶剂化是指一定数目的溶剂分子较牢固地结合在溶质质点上。
根据热力学知识,体系吸收能量为正值,放出能量为负值。
若△H1+△H2+△H3<0,△G < 0,溶质A自动溶解于溶剂S中;
若△H1+△H2+△H3=0,△G = 0,溶质A与溶剂S达到溶解平衡;
若△H1+△H2+△H3>0,△G > 0,溶质A 不能溶解于溶剂S中。
第一节溶剂萃取
目前还不能定量的解释溶解的规律,用得较多的是相似相溶原理:相似物易溶解在相似物中。相似体现在二个方面:一是结构相似,如分子的组成,官能团,形态结构和极性相似;二是溶质A与溶剂S的相互作用力相似,即能量相似。两种物质如相互作用力相似,则能互相溶解。而分子间作用力与分子的极性紧密相关,故两种物质极性相似,则能互相溶解。
下面先从能量的角度,说明相似相溶原理对溶解过程的应用。
(1)两种不能形成氢键的溶剂,如烷烃、苯、四氯化碳等,在相互溶解过程中,吸收的能量△H1、△H2都很小,A与S相互作用放出的能量△H3足以补偿吸收的能量,△G<0,因此溶解情况良