Ten artykuł dotyczy procesu rozdziału zwi?zkow chemicznych. Zobacz te?: ekstrakcja z?ba .

Ekstrakcja ? wyodr?bnianie składnika lub składnikow mieszanin metod? dyfuzji do cieczy lepiej rozpuszczaj?cych te zwi?zki chemiczne . Poj?cie ekstrakcji odnosi si? najcz??ciej do procesow prowadzonych w układach ciecz ? ciecz, w obszarze ograniczonej mieszalno?ci . Ekstrakcj? nazywa si? rownie? analogiczny proces, prowadzony w układach ciecz ? ciało stałe ( ługowanie , enfleurage ) ^{[1] [2] [3]} .

W układach ciecz ? ciecz substancje ekstrahowane ulegaj? podziałowi mi?dzy rozpuszczalnik pierwotny (roztwor surowy), a rozpuszczalnik wtorny (ekstrahent), ktory powinien w miar? mo?liwo?ci selektywnie absorbowa? odzyskiwane zwi?zki chemiczne. Uzyskuje si? rafinat (rozpuszczalnik pierwotny, pozbawiony du?ej cz??ci odzyskiwanego zwi?zku) i ekstrakt, ktory mo?e by? np. poddawany destylacji w celu odzyskania substancji ekstrahowanej i rozpuszczalnika

Efektywno?? procesu ekstrakcji zale?y przede wszystkim od rodzaju rozpuszczalnika, ale du?e znaczenie ma rownie? temperatura i techniki post?powania (np. stopie? rozwini?cia powierzchni wymiany masy, intensywno?? mieszania faz). Zło?one mieszaniny zwi?zkow chemicznych s? rozdzielane metodami ekstrakcji frakcyjnej , z u?yciem ro?nych ekstrahentow.

Po osi?gni?ciu stanu zbli?onego do rownowagi obie ciecze ? ekstrakt i rafinat ? s? rozdzielane, np. z u?yciem rozdzielaczy laboratoryjnych, wirowek lub przemysłowych separatorow. Ekstrakty rozdziela si? na frakcje lub pojedyncze zwi?zki np. metod? destylacji , odzyskuj?c rozpuszczalnik.

Przykładem procesu ekstrakcji w układzie ciało stałe ? ciecz jest proces parzenia kawy lub herbaty . Zawarte w kawie substancje smakowe dyfunduj? z ziarna (surowiec) do wody (ekstrahent). Analogicznie s? otrzymywane leki galenowe ( napary , odwary , wyci?gi , nalewki ). Ro?ne tłuszcze ro?linne , mi?dzy innymi biopaliwa , s? rownie? produkowane z wykorzystaniem ekstrakcji. Ekstrakcj? rozpuszczalnikami organicznymi stosuje si? przede wszystkim do odzyskiwania oleju pozostaj?cego w materiale po wytłaczaniu (wytłoki).

Podstawy fizykochemiczne [ edytuj | edytuj kod ]

Wykresy fazowe w układach trojskładnikowych (przykłady)

Reguła d?wigni i prosta ekstrakcja trojstopniowa

Ekstraktory laboratoryjne

Urz?dzenia do ekstrakcji (przykłady)

Sił? nap?dow? procesu ekstrakcji jest ro?nica mi?dzy potencjałami termodynamicznymi układu przed i po procesie wymiany masy. Pod stałym ci?nieniem i w stałej temperaturze dyfuzja składnikow pomi?dzy niemieszaj?cymi si? cieczami zachodzi samorzutnie tak długo, dopoki maleje entalpia swobodna układu ^[5] , co zapisuje si? matematycznie:

${\displaystyle dG_{T,p}\leqslant 0,}$

gdzie:

${\displaystyle G=\sum _{i=1}^{r}{\mu _{i}N_{i}},}$

${\displaystyle \mu _{i}=\left({\frac {\partial G}{\partial N_{i}}}\right)_{V,T,N_{j\neq i}},}$

${\displaystyle r}$ ? liczba składnikow (ro?nych substancji),

${\displaystyle \mu _{i}}$ ? potencjał chemiczny ${\displaystyle i}$-tego składnika.

Rownania wskazuj?, ?e w wielofazowych układach wieloskładnikowych o kierunku przemiany decyduj? zmiany potencjałow chemicznych wszystkich zwi?zkow we wszystkich fazach (ewentualnie dodatkowo praca zewn?trzna, ktora jest wykonywana).

W uproszczeniu stan izotermiczno-izobarycznej rownowagi termodynamicznej w procesie podziału zwi?zku chemicznego mi?dzy dwie fazy ciekłe opisuje si? korzystaj?c z prawa podziału Nernsta ^[6] :

${\displaystyle k_{x(1,2)}={\frac {x_{1}}{x_{2}}},}$

gdzie:

${\displaystyle k_{x(1,2)}}$ ? stała podziału (wspołczynnik podziału) substancji pomi?dzy fazy 1 i 2 wyra?ony jako stosunek st??e? ( ułamkow molowych ),

${\displaystyle x_{1},{:}}$ ${\displaystyle x_{2}}$ ? ułamek molowy substancji w fazach 1 i 2 .

Wspołczynnik podziału ${\displaystyle k_{x}}$ ma warto?? stał? dla roztworow doskonałych . W przypadku roztworow rzeczywistych warto?ci stałe maj? wspołczynniki ${\displaystyle k_{a},}$ obliczane z wykorzystaniem odpowiednich wspołczynnikow aktywno?ci . Wspołczynniki ${\displaystyle k_{x}}$ s? zale?ne od st??enia zwi?zku w roztworach.

Wykresy fazowe dla układow trojskładnikowych ( p = const) [ edytuj | edytuj kod ]

Najprostsze przypadki rownowag ekstrakcyjnych dotycz? układow trojskładnikowych, zawieraj?cych dwa rozpuszczalniki o ograniczonej wzajemnej rozpuszczalno?ci i zwi?zek chemiczny, rozpuszczalny w obu cieczach.

Wzajemna rozpuszczalno?? dwoch cieczy zale?y od:

• ich wła?ciwo?ci fizykochemicznych (np. moment dipolowy , polaryzowalno?? ), decyduj?cych o wielko?ci sił oddziaływania mi?dzycz?steczkowego ,
• temperatury,
• rodzaju i ilo?ci zwi?zkow rozpuszczonych.

Wprowadzany do układu dwuskładnikowego (A + B) trzeci składnik (C) mo?e zwi?ksza? lub zmniejsza? obszar ograniczonej mieszalno?ci A z B. Zale?y to od wielko?ci oddziaływa? cz?steczek zwi?zku C z cz?steczkami A i B. W przypadku ekstrakcji jest niezb?dne, aby zwi?zek ekstrahowany (C) rozpuszczał si? w obu rozpuszczalnikach, co wyst?puje, gdy istniej? wystarczaj?co du?e siły przyci?gania A?C i B?C. W miar? zwi?kszania zawarto?ci C w obu fazach zanika przyczyna wzajemnej niemieszalno?ci A z B. Obecno?? C sprawia, ?e przestaje odgrywa? znacz?c? rol? ro?nica mi?dzy siłami oddziaływania A ? A, B ? B i A ? B, a wskutek tego wzrasta wzajemna mieszalno?? (do zaniku rozwarstwienia cieczy).

Zale?no?? wzajemnej rozpuszczalno?ci cieczy od składu układu A?B?C oraz temperatury przedstawia si? w trojwymiarowym układzie wspołrz?dnych skład ? temperatura (graniastosłup, ktorego podstaw? jest trojk?t Gibbsa ). Na co najmniej jednej ze ?cian graniastosłupa (np. A?B?T) musi si? znajdowa? wykres fazowy układu dwuskładnikowego z obszarem ograniczonej mieszalno?ci cieczy. Zakres tego obszaru oraz odpowiedniej trojwymiarowej przestrzeni wspołistnienia dwoch faz ciekłych zwykle zmniejsza si? wraz ze wzrostem temperatury. W wi?kszo?ci układow wyst?puje gorna graniczna temperatura mieszalno?ci (na ?cianie graniastosłupa lub w jego wn?trzu).

W ni?szej temperaturze przestrze? wspołistnienia dwoch cieczy mo?e si? ł?czy? z przestrzeni? wspołistnienia cieczy z faz? stał?. Mie?ci si? ona pod powierzchniami roztworow nasyconych składnikami A, B i C. Kształt tych powierzchni zale?y od rodzaju wykresow fazowych dla układow podwojnych A?B, B?C i C?A (?ciany graniastosłupa). Na liniach wspolnych dla s?siednich powierzchni nasyconych roztworow (np. nasyconych składnikami A i B) le?? punkty okre?laj?ce temperatur? i skład eutektykow podwojnych, zawieraj?cych trzeci składnik (np. rownowaga A(BC)+B(AC)+ciecz). Układ ma jeden eutektyk potrojny, bez stopni swobody .

Na trojk?tnych izotermicznych przekrojach graniastosłupa znajduj? si? linie przeci?cia powierzchni roztworow nasyconych, ktore ograniczaj? obszary wspołistnienia faz (np. nasyconego roztworu z kryształami lub dwoch wspołistniej?cych cieczy). Obszary wspołistnienia s? przecinane ci?ciwami rownowagi. Ci?ciwy ł?cz? punkty okre?laj?ce st??enia składnikow A, B i C we wspołistniej?cych fazach. Ilo?ciowe udziały obu faz w dwufazowej mieszaninie okre?la si? korzystaj?c z reguły d?wigni .

Jednostopniowa ekstrakcja prosta polega na zmieszaniu (np. w rozdzielaczu) okre?lonych ilo?ci roztworu surowego (n. produkt syntezy chemicznej w wodnym roztworze) i czystego rozpuszczalnika wtornego (np. eteru). Punkt opisuj?cy chemiczny skład całej zawarto?ci rozdzielacza le?y na linii prostej ł?cz?cej wierzchołek trojk?ta, w ktorym st??enia ekstrahenta jest rowne 100% z punktem okre?laj?cym skład roztworu surowego. Miejsce punktu na tej prostej zale?y od proporcji cieczy wprowadzonych do rozdzielacza. Po doprowadzeniu do stanu rownowagi warstw? wodn? mo?na przenie?? do drugiego rozdzielacza i doda? do niej drug? porcj? czystego rozpuszczalnika organicznego. Czynno?ci wytrz?sania cieczy, oddzielania warstwy wodnej i ekstrahowania czystym rozpuszczalnikiem mog? by? powtarzane wielokrotnie, a? do osi?gni?cia po??danego stopnia odzyskania zwi?zku chemicznego z roztworu wodnego. Dysponuj?c ograniczon? ilo?ci? czystego rozpuszczalnika mo?na przeprowadzi? ekstrakcj? kilkoma du?ymi porcjami, lecz zastosowanie wi?kszej liczby małych porcji umo?liwia odzyskanie wi?kszej ilo?ci preparatu.

Post?powanie bardziej efektywne polega na stosowaniu mało st??onych ekstraktow organicznych do ekstrakcji z ze st??onych roztworow wodnych. Jest to istot? ekstrakcji zwykłej wielokrotnej, wykonywanej w laboratoriach z u?yciem rozdzielaczy, lub przeciwpr?dowej ekstrakcji ci?głej, stosowanej w przemy?le.

Urz?dzenia [ edytuj | edytuj kod ]

W warunkach laboratoryjnych jest stosowana ekstrakcja prosta lub wielokrotna z u?yciem rozdzielaczy (wytrz?sanie) lub ekstrakcja ci?gła, z u?yciem ekstraktorow lub perkolatorow o ro?nej konstrukcji, takich jak aparat Soxhleta lub Aparat Graefego ( perkolacja ) ^[7] .

Aparat Soxhleta działa podobnie do ekspresu do kawy. Rozpuszczalnik jest ogrzewany w kolbie okr?głodennej, a pary s? skraplane w umieszczonej nad ni? chłodnicy wodnej. Spływaj?c do kolby przepłukuje materiał poddawany ekstrakcji, umieszczony w gilzie ekstrakcyjnej. Wzbogaca si? w ekstrahowany składnik, o wi?kszym ci??arze wła?ciwym od rozpuszczalnika. Ekstrakt spływa do kolby, gdy poziom kondensatu w nasadce z gilz? przekroczy pozom przelewu (kolanko bocznej rurki lewarowej).

Zasada działania laboratoryjnych perkolatorow do ci?głej ekstrakcji cieczy jest analogiczna. Aparaty umo?liwiaj? ekstrakcj? substancjii o wspołczynniku podziału k < 1,5, z zastosowaniem bardzo małych ilo?ci rozpuszczalnika.

W warunkach przemysłowych procesy ekstrakcji (mieszania cieczy), rozdzielania faz ciekłych i odzyskiwania rozpuszczalnika metod? destylacji s? zwykle wykonywane w odr?bnych aparatach. Stosuje si? baterie poł?czonych blokow, zło?onych z ekstaktora (zbiornik z mieszadłem), separatora faz ciekłych i destylatora (odzyskiwanie ekstrahenty), co umo?liwia ekstrakcj? wielostopniow?. Rafinat z pierwszego bloku jest kierowany do kolejnego ekstraktora baterii, gdzie jest poddawany działaniu czystego rozpuszczalnika (wielokrotna ekstrakcja prosta) lub rozpuszczalnika opuszczaj?cego ekstraktor nast?pnego bloku. W drugim przypadku bateria ekstraktorow pracuje jak przeciwpr?dowa kolumna ekstrakcyjna. Elementarne ekstraktory odgrywaj? rol? połek, na ktorych ustalaj? si? kolejne stany rownowagi.

Przemysłowe urz?dzenia do ekstrakcji z substancji stałych s? zwykle cylindrycznymi zbiornikami, w ktorych rozpuszczalnik przepływa przez materiał nieruchomy lub wsad w ruchu.

Zło?e nieruchome jest umieszczane na ruszcie i okresowo usuwane po ekstrakcji. Ekstraktory s? wyposa?one w instalacj? doprowadzania i odprowadzania rozpuszczalnika oraz system ogrzewania par? (bezprzeponowo i przeponowo. Pracuj? okresowo w cyklach: załadowanie, ekstrakcja, parowanie i wyładowanie. Wła?ciwa koordynacjia pracy czterech ekstraktorow pozwala uzyska? ci?gło?? pracy baterii.

W ekstraktorach pracuj?cych w sposob ci?gły materiał przesypuje si? w doł lub jest transportowany w gor?, np. transporterami kubełkowymi lub ?limakowymi, w przeciwpr?dzie do spływaj?cego w doł rozpuszczalnika.

Zastosowania ekstrakcji w przemy?le (przykłady) [ edytuj | edytuj kod ]

Ekstrakcja jest metod? rozdzielania wielu ro?nych naturalnych mieszanin zwi?zkow chemicznych lub produktow syntez. Jest stosowana zwłaszcza w tych sytuacjach, gdy zawodz? techniki destylacyjne , np. ze wzgl?du na bardzo małe st??enia odzyskiwanych składnikow, tworzenie azeotropow ), procesy termicznego rozkładu cz??ci zwi?zkow itp.

Przykład 1 ? ekstrakcja w produkcji olejow ro?linnych

Ekstrakcja odgrywa znaczn? rol? w przemy?le otrzymywania olejow ro?linnych wykorzystywanych jako tłuszcze jadalne, składniki kosmetykow, paliwa i inne. Bywa bardziej korzystnym procesem rozdziału składnikow materiału ro?linnego od destylacji. Rafinowane oleje ro?linne podczas przerobki trac? wiele swoich warto?ci, w tym zapachowych i smakowych (w pełni zachowywanych w procesie tłoczenia na zimno ).

Ekstrakcja jest stosowana przede wszystkim w procesach odzyskiwania tłuszczow z materiałow ubogich w tłuszcz (np. ko?ci, kiełkow kukurydzy i zbo?) lub z wytłokow (pozostało?ci po tłoczeniu). Proces jest prowadzony ?na zimno” (przepłukiwania surowca ciekłym rozpuszczalnikiem) lub na gor?co (wprowadzanie pary rozpuszczalnika, kondensuj?cych w warstwie surowca). Spo?rod licznych stosowanych rozpuszczalnikow mo?na wymieni? takie jak czterochlorek w?gla , trichloroetylen , benzol , benzyna ekstrakcyjna i inne.

W Polsce i wi?kszo?ci innych krajow Europy podstawowym surowcem oleistym jest rzepak . Olej rzepakowy przeznaczony na biopaliwa jest otrzymywany z ziaren rzepaku w procesach tłoczenia na gor?co i ekstrakcji z u?yciem heksanu. Ziarna, po mechanicznym oczyszczeniu, s? wst?pnie pra?one i rozdrabniane, po czym kierowane do w?zła wytłaczania. Z pras odbierany jest olej i wytłoki . Olej pozostały w wytłokach jest odzyskiwany metod? ekstrakcji, np. z u?yciem heksanu jako rozpuszczalnika. Wytłoki przemieszczaj? si? w ekstraktorze z gory w doł. na dolny poziom ekstraktora jest wprowadzany heksan, a na poziomy wy?sze ? tzw. miscella (rozpuszczalnik-olej), o coraz wi?kszym st??eniu oleju.

?ruta opuszczaj?ca ekstraktor jest odciskana (odzyskanie cz??ci rozpuszczalnika), a nast?pnie ogrzewana par? wodn? ? po?rednio i bezpo?rednio (odparowanie reszty rozpuszczalnika). Odzyskiwany z mieszaniny par heksan zawraca si? do ekstraktora ^[4] .

Przykład 2 ? ekstrakcja w?gla brunatnego i torfu

W?giel brunatny i torfy zawieraj? bituminy (10?20%), ktore s? wyodr?bniane z rozdrobnionego materiału metod? ekstrakcji na gor?co takimi rozpuszczalnikami, jak benzyna ekstrakcyjna lub mieszaniny benzenu z etanolem. Dodatek etanolu ? rozpuszczalnika hydrofilowego ? jest korzystny ze wzgl?du na zawarto?? wilgoci w surowcach (do 20%). Ekstrakcj? prowadzi si? w bateriach ?elaznych ekstraktorow, wypełnianych rozdrobnionym surowcem, umieszczonym na rusztach. Do aparatow s? wprowadzane pary rozpuszczalnika, ktore kondensuj? na zło?u materiału i spływaj? w doł. Roztwor gromadz?cy si? w dolnej cz??ci ekstraktora, zawieraj?cy bituminy, jest kierowany do wyparki, Po odparowaniu ? rozpuszczalnika pozostaje bitumin, spływaj?cy do form, w ktorych zastyga. Pary skraplaj? si? z utworzeniem kondensatu dwufazowego (benzen ? wodny roztwor alkoholu). Dwuskładnikowy rozpuszczalnik benzen-etanol jest odzyskiwany i zawracany do ekstraktora po rozdzieleniu fazy wodnej metod? rektyfikacji.

Poekstrakcyjny w?giel i torf s? wykorzystywane jako paliwo. Otrzymane ekstrakty ( bituminy ) s? stosowane do wyrobu materiałow izolacyjnych lub poddawane dalszej ekstrakcji rozpuszczalnikami selektywnymi (otrzymywanie woskow, ?ywic, substancji asfaltowych).

Olej, odprowadzany z ekstraktora w formie st??onej miscelli, jest uwalniany od rozpuszczalnika w aparatach wyparnych ^[4] .

Zobacz te? [ edytuj | edytuj kod ]

Zobacz hasło ekstrakcja w Wikisłowniku

• ekstrakcja do fazy stałej
• mikroekstrakcja
• ekstrakcja z?ba

Przypisy [ edytuj | edytuj kod ]