Jednostkowe procesy fizyczne. Ekstrakcja.

EKSTRAKCJA
Metoda rozdzielania mieszanin ciekłych lub stałych za pomocą ciekłego rozpuszczalnika,
polegająca na poddaniu mieszaniny ciał działaniu odpowiedniego rozpuszczalnika w celu
wydzielenia z niej w postaci roztworu składnika, który w tym rozpuszczalniku łatwiej się
rozpuszcza od innych. Ekstrahowaniu poddaje się ciała stałe i ciekłe.
Terminy związane z procesem ekstrakcji:
Surowiec – mieszanina poddana ekstrakcji
Ekstrakt – ciało ekstrahowane
Ekstrahent – rozpuszczalnik, substancja ekstrahująca
Rafinat – ciało lub ciecz wyczerpana, pozostałość po ekstrakcji
Ługowanie - ekstrakcja ciał stałych za pomocą wody
W czasie ekstrakcji następuje wymiana mas między surowcem, a rozpuszczalnikiem pod
wpływem róŜnicy stęŜeń w drodze dyfuzji (ze środowiska o większym stęŜeniu, do
środowiska o mniejszym stęŜeniu) zgodnie z prawem dyfuzji.
Prawo dyfuzji (prawo Ficka)
G = k . F . t (c1 – c2)
G – ilość substancji dyfundującej
k – współczynnik wymiany masowej zaleŜny od rozpuszczalnika i substancji ekstrahowanej
F – powierzchnia zetknięcia się faz. MoŜna ją zwiększyć przez rozdrobnienie w przypadku
ciała stałego lub przez mieszanie cieczy. Rozdrobnienie moŜna prowadzić tylko do
pewnego stopnia, gdyŜ z jego wzrostem wzrastają opory przepływu rozpuszczalników, co
utrudnia przebieg ekstrakcji
t – czas, wielkość, którą naleŜy zmniejszać
(c1 – c2) – róŜnica stęŜeń substancji dyfundującej (w surowcu i rozpuszczalniku), którą moŜna
zwiększyć przez:
1. zwiększenie ilości rozpuszczalnika
2. zasilanie dodatkowe surowca co pewien czas rozpuszczalnikiem
3. prowadzenie ekstrakcji przeciwprądowo
Na szybkość i wydajność procesu ekstrakcji ma wpływ temperatura - wzrost jej (do pewnych
granic) zmniejsza lepkość rozpuszczalnika i wzmaga ruch molekularno- kinetyczny, a tym
samym przyspiesza proces dyfuzji. Nie zawsze ten czynnik moŜna wykorzystywać ze
względu na nietrwałość substancji lub wzrost rozpuszczalności zanieczyszczeń.
Proces dyfuzji, a tym samym i ekstrakcji zachodzi do momentu ustalenia się pewnej
równowagi stęŜeń k.
Prawo Nernsta
k = c2/c1
c1 – stęŜenie ekstraktu w surowcu, w roztworze wodnym
c2 – stęŜenie ekstraktu w roztworze rozpuszczalnika
k – współczynnik podziału
Ekstrakcji zwykle nie przeprowadza się jednorazowo. Rozpuszczalnik uŜyty do ekstrakcji
dzieli się na porcje. Kilkukrotna ekstrakcja bywa bardzo opłacalna. W zaleŜności od ceny
ekstraktu, rozpuszczalnika i współczynnika podziału najlepiej stosować 3-, 4-, 5- krotną
rzadko 6-krotną ekstrakcję.
Cechy rozpuszczalnika stosowanego do ekstrakcji:
1. obojętność chemiczna – w stosunku do substancji ekstrahowanej i aparatury
2. selektywność – duŜa róŜnica rozpuszczalności ciała ekstrahowanego i zanieczyszczeń
3. małe ciepło właściwe, parowania, niska temperatura wrzenia
4. duŜa dyfuzyjność
5. niepalność i nietoksyczność
6. niska cena
Najczęściej stosowane rozpuszczalniki: H2O, C2H5OH, octan etylu, CHCl3, CCl4, aceton,
trichloroetylen, eter, benzyna.
Aparaty stosowane w ekstrakcji:
I.
ciał stałych
a) maceratory i perkolatory
b) aparaty ekstrakcyjne wg schematu Soxhleta
II.
cieczy
a) ekstraktor kolumnowy
b) ekstraktor z mieszadłem,
Aparat ekstrakcyjny typu Soxhleta:
1-
ekstraktor; 2- zbiornik rozpuszczalnika; 3- kocioł destylacyjny 4- flaszka florentyńska, 5- chłodnica;
6- dno sitowe; 7-węŜownica
Stosowany jest tylko dla substancji ekstrahowanych nie wraŜliwych na podwyŜszoną
temperaturę, nie rozkładających się w temperaturze wrzenia roztworu wytworzonego w
rozpuszczalniku.
Instalacja składa się z kotła destylacyjnego,
ekstraktora, chłodnicy i zbiornika
rozpuszczalnika. Ekstraktor posiada podwójne dno sitowe, na którym układa się materiał. Pod
dnem znajduje się węŜownica grzejna umoŜliwiająca ekstrakcję na ciepło. Na początku
ekstrakcji ze zbiornika znajdującego się u góry wprowadza się rozpuszczalnik, który po
przejściu przez surowiec spływa z wytworzeniem roztworu do kotła destylacyjnego. Tu
wyciąg (który zawiera pewną ilość substancji ekstrahowanej) jest zagęszczany, a pary
rozpuszczalnika przechodzą do chłodnicy, gdzie skraplają się i poprzez flaszkę florentyńską i
zbiornik spływają z powrotem do ekstraktora. Flaszka florentyńska rozdziela warstwy (wodna
i rozpuszczalnik) w przypadku gdy uŜywa się rozpuszczalnika nie mieszającego się z wodą.
Zawartą wodę w surowcu odprowadza się na zewnątrz (na ogół jest to dolna warstwa), a
rozpuszczalnik znajdujący się jako lŜejszy (górna warstwa) spływa poprzez zbiornik do
ekstraktora.
W ten sposób duŜe ilości surowca ekstrahuje się małą ilością rozpuszczalnika.
Ekstraktor kolumnowy:
1-
doprowadzenie cieczy lŜejszej; 2- odprowadzenie wyciągu;
3- odprowadzenie cieczy cięŜszej; 4- cieczowskaz;
Ekstrakcja w tym ekstraktorze prowadzona jest w przeciwprądzie. Ciecz cięŜsza płynie z góry
na dół, a lŜejsza odwrotnie. W wyniku przenikania cieczy zachodzi ekstrakcja. Ciecze
przepuszcza się przez bełkotki lub sita dla zwiększenia powierzchni zetknięcia.
Ekstraktor z mieszadłem:
1-
płaszcz ekstraktora; 2-mieszadło ruchome; 3- pręty (łamacze); 4-wał obrotowy
Ekstraktor to zbiornik kształtu kadzi lub cylindra, zaopatrzony jest w mieszadło osadzone
na wale, a w ścianach wmontowane są łamacze. Wprowadzenie cieczy odbywa się, jak w
ekstraktorze kolumnowym.