Екстракція (від позднелат. extractio — витягання), екстрагування, процес розділення суміші рідких або твердих речовин за допомогою виборчих (селективних) розчинників (екстрагентів).
Процес Е. включає 3 послідовних стадії: змішення вихідної суміші речовин з екстрагентом; механічне розділення (розшаровування) двох фаз, що утворюються; видалення екстрагента з обох фаз і його регенерацію з метою повторного використання. Після механічного розділення отримують розчин витягуваної речовини в екстрагенті (екстракт) і залишок вихідного розчину (рафінат) або твердої речовини. Виділення екстрагованої речовини з екстракту і одночасно регенерація екстрагента виробляється дистиляцією, випаровуванням, кристалізацією, висолюванням і т. п.
Достоїнствами Е. є низькі робочі температури, рентабельність витягання речовин з розбавлених розчинів, можливість розділення сумішей, що складаються з блізкокипящих компонентів, і азеотропних сумішей, можливість поєднання з іншими технологічними процесами (ректифікацією, кристалізацією), простота апаратури і доступність її автоматизації. Недоліком Е. у ряді випадків є трудність повного видалення екстрагента з речовин, що екстрагуються.
Е. підкоряється законам дифузії і рівноважного розподілу. При Е. з рідин після змішення вихідного розчину з екстрагентом і розшарування суміші, що утворилася, концентрація в речовини (В), що екстрагується, у фазі екстракту більше його концентрації х у фазі рафінату. При взаємній нерозчинності екстрагента (С) і розчинника (Л) вихідного розчину залежність в від х для рівноважної системи (для якої в позначається як в р ) зображається в діаграмі в — х ( мал. 1 , а). Якщо розчин розбавлений, а речовина В в екстракті знаходиться в неасоційованому і недиссоційованому станах, відношення (коефіцієнт розподілу) — величина постійна, не залежна від концентрації, і лінія рівноваги в діаграмі в — х є прямою; інакше K p — функція концентрації, і лінія рівноваги криволінійна. K p завжди залежить від температури, практично не залежить від тиску; визначається він експериментальним дорогою.
Унаслідок короткочасності і недосконалості акту змішення екстрагента і початкового розчину дійсна (робоча) концентрація в завжди менше рівноважною в р . Міра наближення в до в р характеризує ефективність Е., а різниця в p -у є його рушійною силою.
В результаті однократної Е. можлива порівняно невелика міра витягання речовини В з вихідного розчину, тому удаються до багатократному повторенню актів змішення і подальшого розшаровування взаємодіючих фаз при їх зустрічному русі ( мал. 1 , би). Якщо у вихідному розчині концентрація речовини В зменшується від x 1 до x 2 , те його концентрація у фазі екстракту зростає від 0 до в 1 . З рівняння матеріального балансу Е.:
Dy 1 =W ( x 1 - x 2 ) = М-коду ( а )
(де D і W — відповідно витрати чистого екстрагента і чистого розчинника) можна визначити витрату екстрагента:
Рівняння (а) описує пряму (див. мал. 1 , а), що проходить через крапки з координатами ( x 1 , 0) і ( x 1 , в 1 ). У приведених виразах x 1 і в 1 — концентрації відносно чистого розчинника А і чистого екстрагента С. Очевидно, що за інших рівних умов витрата екстрагента зростає у міру зменшення концентрації ( x 2 ) речовини В в рафінаті і зменшення його концентрації в 1 в екстракті.
Кінетика Е. описується загальним рівнянням масообміну . M = KCF t, де М-код — кількість екстрагованої речовини, До — коефіцієнт массопередачи, з — середня різниця концентрацій речовини, що екстрагується, в обох фазах, F — величина міжфазної поверхні, t — час.
Величина з однозначно визначається заданими концентраціями х, в і в р , тому для досягнення великих значень М-код прагнуть збільшити До шляхом турбулізації потоків взаємодіючих фаз і F — шляхом диспергування однієї з фаз (екстрагента або вихідного розчину) на дрібні крапельки. Точне значення До доки не може бути розраховане теоретичним дорогою, тому ефективність процесу Е. виражають, як і при ректифікації або абсорбції, числом рівнів рівноваги (ідеальних тарілок). Графічне визначення числа рівнів рівноваги показане на мал. 1 , а . В разі часткової розчинності розчинника А і екстрагента З рівновага системи зображається в плоскості рівностороннього трикутника ( мал. 1 , в). Кожній крапці усередині трикутника відповідає потрійна суміш, в якій концентрації компонентів А, В, З вимірюються довжинами перпендикулярів опущених на сторони, що протилежать. Під кривою EG (бінодальной кривою) розташована область гетерогенних сумішей, а над кривою — гомогенних розчинів. Процеси Е., оскільки в них чергуються акти змішення і розшаровування фаз, протікають лише в гетерогенної області. Змішавши вихідний розчин з деякою кількістю екстрагента, отримаємо потрійну гетерогенну суміш Р, яка розшаровується на екстракт Q і рафінат R з концентрацією речовини Ст , що екстрагується, Якщо тепер змішати рафінат зі свіжою порцією екстрагента, отримаємо нову гетерогенну суміш P 1 , яка розшарується на екстракт Q 1 і рафінат R 1 з нижчою концентрацією Q 1 . Положення прямих QR і Q 1 R 1 , називається конодамі, визначається для кожної системи експериментальним дорогою. Продовжуючи акти змішення і розшаровування, можна добиватися подальшого пониження концентрації компонента В в рафінаті, тобто підвищення міри Е. Совершенно очевидно, що число побудованих конод (їх може бути скільки завгодно) дорівнює числу рівнів рівноваги. У наведеному прикладі періодичної Е. після кожного акту змішення і розшаровування падає концентрація В як в рафінаті, так і в екстракті. Для підвищення концентрації речовини В в екстракті і більшого його вичерпання з рафінату у багатьох випадках удаються до Е. з так званою зворотною флегмою. Суть цього процесу зводиться до часткового відділення екстрагента від екстракту і вихідного розчинника від рафінату і зворотного повернення доль цих фракцій в апарат назустріч вирушаючим потокам.
Для екстракційного розділення двох компонентів ( B 1 і B 2 ), особливо з близькою розчинністю у вихідному розчиннику, часто використовують два екстрагенти з різною селективністю. Вихідний розчин поступає в середню частину екстрактора, один з екстрагентів — у верхню частину, інший — в ніжнюю. В результаті компонент B 1 переходить у фазу одного екстрагента, компонент B 2 — у фазу іншого ( мал. 2 ).
Найбільш ефективна безперервна Е., здійснювана в багатоступінчастих апаратах (екстракторах) при протитечії вихідного розчину і екстрагента. В цьому випадку задана міра Е. досягається при найменшій витраті екстрагента. Багатоступінчасті екстрактори (див. мал. 3 , а, би, в) зазвичай є вертикальними колонами, розділеними поперечними перфорованими тарілками, дисками, що обертаються, мішалками і т. п. на рівні (секції). У кожному рівні відбувається перемішування взаємодіючих фаз і їх розшаровування. Т. о., вихідний розчин і екстрагент багато разів перемішуються і розшаровуються. Ефективність цих апаратів оцінюється ккд(коефіцієнт корисної дії) окремих рівнів або висотою апарату, еквівалентною одному рівню рівноваги — теоретичній тарілці (див. Ректифікація ) .
Означає, поширення набули екстрактори ситчатиє і з механічним перемішуванням. У ситчатих ( мал. 3 , а) рівні розмежовані перфорованими горизонтальними тарілками і повідомляються між собою переливними трубками. Одна з контактуючих рідин, проходячи через отвори тарілок, диспергує, чим створюється велика поверхня контакту із зустрічною рідиною, що протікає по переливних трубках у вигляді суцільної фази. Екстрактори з механічним перемішуванням діляться на роторно-дискові ( мал. 3 , би) і з секціями насадок змішувачів і відстійних, що чергуються ( мал. 3 , в). У роторно-дискових екстракторах диски, що обертаються, перемішують і диспергують рідини, після чого вони розшаровуються. У екстракторах з секціями змішувачів і насадок лопатеві або турбінні мішалки розміщені на загальному вертикальному валу поперемінно з шарами нерухомої насадки (кільця Рашига, спіралі, пакети сіток і пр.). Перемішані рідини, пройдя через шари насадки, розшаровуються. Застосовуються також екстрактори з безперервним контактом взаємодіючих фаз (распилітельниє, насадки), не розділені на отд.(окремий) рівні, їх ефективність при достатній висоті вимірюється декількома рівнями. Распилітельниє екстрактори ( мал. 3 , г) забезпечені соплами, інжекторами і т. п. для диспергування взаємодіючих рідин. Такі апарати відрізняються простотою і високою продуктивністю, але порівняно невисокою ефективністю. Декілька ефективніші, але менш продуктивні екстрактори ( мал. 3 , д) насадок, наповнені кільцями Рашига, кільцями Паливши і ін. Часто використовуються ящичні екстрактори, які розділені вертикальними перегородками на рівні, кожна з яких складається з камер змішувача і відстійної ( мал. 4 ). Розташовані в камері змішувача турбінні мішалки перемішують рідини і одночасно транспортують їх з рівня в рівень.
Такі екстрактори можуть працювати при будь-якому співвідношенні вихідного розчину і екстрагента, зберігаючи при цьому робочі концентрації рідин при припиненні процесу.
Для Е. нестійких з'єднань (наприклад, антибіотиків) використовуються відцентрові екстрактори, ротор яких складається з набору циліндрів, перфорованих з обох кінців, або спіральних стрічок. Вихідний розчин і екстрагент рухаються назустріч один одному, причому важча рідина — від центру до периферії, а легша — у зворотному напрямі. Контакт рідин відбувається на дорозі їх руху, а диспергування — при проходженні через перфоровані частини циліндрів.
Е. з твердих речовин зображається діаграмою фазової рівноваги, показаною на мал. 1, а . В цьому випадку залежно від конструкції використовуваного апарату екстрагент проходить або через шар нерухомої твердої фази, або перемішується з нею, або рухається в протитечії до твердої фази, переміщуваної різними транспортними пристроями. Застосовується, наприклад, безперервний протиточний екстрактор ( мал. 5 ), де тверда фаза переміщається перфорованими шнеками уподовж U -образного циліндрового корпусу назустріч екстрагенту. Екстракт відводиться через проціджувач — циліндровий аркуш з вертикальними прорізами.
Е. широко застосовується в хімічній, нафтопереробній, металургійній, фармацевтичній, харчовій і ін. галузях промисловості, наприклад для витягання ароматичних вуглеводнів з нафтопродуктів, масляних фракцій з сірчистих нафт, фенолу із стічних вод, антибіотиків з культуральних рідин, металів (в т.ч. рідких) або їх з'єднань з руд, багатьох природних органічних сполук з рослинної сировини (цукру з буряка і очерету, масла з соєвих бобів і олійного насіння, таніну з деревної кори, фармацевтичних препаратів з коріння і листя рослин і т. п.).
Н. І. Гельперін, Ст Л. Пебалк.
Е. у аналітичній хімії і радіохімії. Для хімічного аналізу елементів, а також при розділенні, концентрації і очищенні радіоактивних ізотопів найбільше вживання знайшла Е. з водних розчинів. Екстрагентами при цьому служать спирти, кетон, прості і складні ефіри, аміни, ефіри фосфорної кислоти, хелатотворні з'єднання і ін. Екстрагенти використовують в сумішах з розчинниками — рідинами, які служать для поліпшення фізеських (в'язкість, щільність) або екстракційних властивостей екстрагентів. Розчинниками можуть бути гас, бензол, хлороформ і т. п.
Основні напрями Е. у аналітичній хімії наступні: 1) виборче витягання цільових елементів з сумішей для кількостей, аналізу; 2) визначення вмісту домішок в досліджуваних речовинах, що особливо важливе в техніці здобуття особливо чистих речовин. Достоїнствами Е. у аналітичній хімії є: висока вибірковість, простота здійснення, універсальність (тобто можливість виділення практично будь-якого елементу). У радіохімії Е. використовується головним чином для очищення різних радіоактивних речовин від домішок; витягання і розділення радіоактивних ізотопів з опромінених мішеней; виділення природних радіоактивних ізотопів з різних об'єктів і т. д.
Гідністю Е. при роботі з короткоживучими радіоактивними ізотопами є також експрессность. У таких процесах екстрагенти повинні володіти радіаційною стійкістю. Для забезпечення безпеки людини при Е. радіоактивних речовин застосовують дистанційне керування.
У багатьох випадках використання Е. у аналітичній хімії і радіохімії поєднують з іншими методами (хроматографією, соосажденієм, дистиляцією і т. д.).
С. С. Бердоносов .
Літ.: Пратт Р. Р. До., Екстракція рідина — рідина в теорії і практиці, в збірці: Рідинна екстракція, М., 1958; Фомін Ст Ст, Хімія екстракційних процесів, М., 1960; Моррісон Дж., Фрейзер Г., Екстракція в аналітичній хімії, пер.(переведення) з англ.(англійський), Л., 1960; Екстракція в аналітичній хімії і радіохімії. [Сб. ст.]. під ред. Ю. А. Золотова, М., 1961; Шкоропад Д. Е., Лиськовцов І. Ст, Відцентрові рідинні екстрактори, М., 1962; Зюлковський 3., Рідинна екстракція в хімічній промисловості, пер.(переведення) з польськ.(польський), Л., 1963; Трейбал P. Рідинна екстракція, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Броунштейн Би. І., Железняк А. С., Физико-хімічні основи рідинної екстракції, М.— Л., 1966; 3олотов Ю. А., Кузьмін Н. М., Екстрактционноє концентрація, М., 1971; Хімія процесів екстракції, М., 1972; Аксельруд Р. А., Лисянський Ст М., Екстрагування, Л., 1974.
