Экстракция твердых и жидких веществ

Экстракция - процесс разделения смеси твердых или жидких веществ с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). Физическая сущность экстракции состоит в переходе извлекаемого вещества из жидкой или твердой фазы в фазу жидкого экстрагента при их взаимном соприкосновении.

Экстракция органическими растворителями - один из наиболее эффективных и универсальных методов разделения, концентрирования и очистки веществ.

В простейшем случае для экстракции растворенного вещества из воды к водному раствору прибавляют органический растворитель (экстрагент), практически не смешивающийся с водой, и смесь взбалтывают для ускорения распределения растворенных веществ между двумя жидкостями. По установлении межфазного равновесия, что обычно достигается после взбалтывания в течение 2-5 мин, взбалтывание прекращают, и жидкие фазы вновь расслаиваются.

При экстракции в делительной воронке нижний слой жидкости можно аккуратно слить и таким образом разделить два растворенных вещества. Если плотность экстрагента больше плотности воды, то он образует нижний слой, а если меньше - верхний.

Предположим, что исходный водный раствор содержал два растворенных вещества А и Б. Если сродство органического растворителя к одному из них намного больше, чем сродство к нему воды, то это вещество полностью или почти полностью перейдет из водной фазы в органическую. Распределение растворенного вещества между двумя жидкими фазами определяется законом распределения: согласно ему отношение концентрации вещества, которое растворено в двух несмешивающихся и находящихся в равновесии жидких фазах, при определенной температуре - величина постоянная, называемая концентрационным коэффициентом распределения Dc:

Если разность Dc экстрагируемых веществ в двух несмешивающихся растворителях достаточно велика, то их можно разделить простой однократной экстракцией; в ином случае применяют многократную простую или же дробную экстракцию.

В отличие от большинства других методов очистки веществ экстрагирование органическими растворителями из водных растворов чаще всего осуществляют при относительно невысокой температуре, а иногда при охлаждении, что особенно удобно при работе с термически нестойкими веществами. Эффективность экстракции в системе твердое вещество - жидкость определяется прежде всего растворимостью и скоростью перехода твердого вещества в растворитель.

Растворимость твердого экстрагируемого вещества можно регулировать, подбирая растворитель с таким расчетом, чтобы в раствор переходило преимущественно очищаемое вещество, а загрязнения оставались в твердой фазе. Скорость перехода вещества из твердой фазы в раствор определяется, в основном, скоростью проникновения экстрагента в твердую фазу, диффузии экстрагируемого вещества в жидкости и удаления вещества с поверхности твердое тело - жидкость (влияние температуры и перемешивания).

В отличие от системы жидкость - жидкость, на границе твердой и жидкой фаз равновесия практически не наступает. Основная задача, возникающая при экстракции твердых веществ (смол, жиров, растительных продуктов), заключается в максимальном ускорении приближения системы к состоянию равновесия, что достигается увеличением поверхности твердой фазы (измельчение), постоянной подачей свежего растворителя на границу фаз, перемешиванием или противотоком.

В настоящем разделе рассматриваются лишь простейшие методы экстракции, обычно используемые в практике работы препаративных и аналитических лабораторий. Более подробные сведения о методах экстракции (дробной, противоточной) можно найти в рекомендуемой литературе.

Экстракция твердых веществ

Выделение и очистка твердого вещества может осуществляться однократной или многократной экстракцией.

При однократной экстракции твердое тонкоизмельченное вещество при перемешивании нагревают с растворителем, (экстрагентом) в колбе с обратным холодильником, после чего экстракт отфильтровывают, испаряют растворитель и выделившееся твердое вещество очищают перекристаллизацией.

При многократной экстракции экстрагируемый материал помещают непосредственно в экстракционный сосуд (насадку), снабженный промежуточным дном из пористого стекла, либо в специальный патрон из фильтровальной бумаги. Пары растворителя из перегонной колбы поступают в обратный холодильник, и сконденсированный растворитель попадает на экстрагируемое вещество в патроне. Когда экстракционный сосуд наполнится до сгиба сливной трубки, экстракт сбрасывается по сифону в перегонную колбу, и процесс экстрагирования повторяется. В подобных экстракторах непрерывного действия экстракт на поверхности экстрагируемого вещества все время обновляется.

При экстракции твердых веществ, смол, масел и растительных продуктов органическими растворителями часто применяют аппарат Сокслета (рис. 171). Эффект экстракции в аппаратах Сокслета зависит, главным образом, от конструкции насадки. Выпускаются лабораторные стеклянные насадки для экстракции твердых веществ с конусными шлифами типа НЭТ, со впаянным стеклянным фильтром (типа НЭТФ) и со вставным стеклянным вкладышем (типа НЭТВ), с конусными шлифами (рис. 172).

На лабораторном штативе укрепляют колбу с соответствующим номером КШ муфты, присоединяют насадку и обратный холодильник с КШ 45/40 и проверяют герметичность соединений установки.

Размер насадки выбирают так, чтобы патрон с экстрагируемым веществом заполнял приблизительно 2/3 ее объема. Навеску экстрагируемого вещества помещают в стеклянный вставной вкладыш насадки НЭТВ (при малой массе навески) или в патрон из фильтровальной бумаги - при использовании насадок НЭТ и НЭТФ. Патроны с твердым веществом вводят в насадки и наливают растворитель до тех пор, пока он не начнет стекать по сифонной трубке в колбу. Когда растворитель стечет полностью, его добавляют еще один раз, а затем присоединяют обратный холодильник, пускают в него холодную воду, погружают колбу в водяную баню и начинают нагревать. Продолжительность нагревания устанавливается опытным путем.

Если экстрагируемое вещество окрашено, то окончание экстрагирования определяется моментом, когда жидкость в насадке станет бесцветной. Если экстрагируемое вещество бесцветно, можно периодически отбирать пробы раствора из насадки при помощи капиллярной трубки, которую вводят через холодильник. Пробу испаряют на часовом стекле. Если на стекле не образуется матового пятна или пленки, экстракцию можно считать законченной. Разбирая установку, следует прежде всего отключить холодильник от водопроводной сети, затем осторожно снять холодильник и дать стечь экстрагенту из насадки в колбу, для чего насадку наклоняют так, чтобы жидкость переливалась через отводную трубку.

Полученный экстракт выпаривают до минимального объема и завершают испарение в вакуум-эксикаторе.

Учитывая, что аппарат Сокслета часто работает много часов подряд, а растворитель - горючая жидкость, необходимо обеспечить безопасный обогрев; наиболее надежна воздушная баня с ламповым нагревом.

Экстрагирование твердых веществ водой или водными растворами принято называть выщелачиванием. Обычно выщелачивание или водную экстракцию проводят в стеклянном или фарфоровом стакане при энергичном перемешивании. Затем, прекратив перемешивание, дают жидкости отстояться, сливают прозрачную жидкость на бумажный фильтр, а к не растворившейся части вещества снова добавляют растворитель и повторяют операцию до полного извлечения нужного вещества. Окончание экстракции определяют по специфической реакции извлекаемого вещества.

Экстракция веществ из растворов

Простейший вид экстракции - встряхивание раствора вещества в определенном растворителе с другим растворителем, не смешивающимся с первым. Растворитель, служащий экстрагентом, должен лучше растворять экстрагируемое вещество, чем растворитель, из которого это вещество извлекается.

Для экстракции органических веществ из водных растворов пользуются делительной воронкой, в которой смешивают водный раствор вещества (около 1/2 объема воронки) с экстрагентом (1/5 - 1/3 объема воронки). Воронку закрывают пробкой и энергично взбалтывают в течение нескольких секунд, придерживая верхнюю пробку одной рукой, а кран на спускной трубке - другой. Затем делительную воронку переворачивают краном вверх и, осторожно открывая кран, выпускают образующиеся пары.

Если экстрагентом служит диэтиловый эфир, давление паров которого при комнатной температуре довольно велико, в делительной воронке создается значительное избыточное давление. После выравнивания давления кран делительной воронки закрывают, встряхивание и периодическое выпускание паров продолжают до тех пор, пока газовое пространство над жидкостью в делительной воронке не будет заполнено парами растворителя и давление не перестанет меняться. Тогда приступают к более продолжительному и энергичному встряхиванию. По окончании встряхивания делительную воронку укрепляют в штативе, приоткрывают пробку и дают жидкости полностью разделиться на два слоя, которые должны быть совершенно прозрачны. Далее открывают кран и спускают водный слой (если плотность экстрагента меньше плотности воды) в приемную емкость. Слой органической жидкости через верхнее отверстие делительной воронки выливают в колбу с притертой пробкой.

Водный раствор снова переносят в делительную воронку, добавляют новую порцию растворителя и повторяют процесс несколько раз.

Для того чтобы определить, закончен ли процесс экстракции, небольшое количество последней порции экстракта выпаривают на часовом стекле и высушивают в вакуум-эксикаторе над Mg(ClO4)2.

Полученные вытяжки собирают в одну колбу и сушат с помощью соответствующего осушающего средства. После сушки вытяжку фильтруют, затем удаляют растворитель (отгонкой, выпариванием в вакууме), а остаток очищают путем кристаллизации, сублимации или перегонки.

Часто, особенно при экстракции водных щелочных растворов, образуются эмульсии, которые с большим трудом разделяются на два слоя. В этих случаях разделение слоев может быть достигнуто одним из следующих приемов: 1) через жидкость в делительной воронке продувают ток воздуха; 2) водный слой насыщают NaCl; 3) добавляют несколько капель поверхностно-активного вещества, понижающего поверхностное натяжение (например, октилового спирта).

Если вещество значительно лучше растворяется в воде, чем в органическом растворителе, экстракция путем взбалтывания в делительной воронке не дает хороших результатов, и тогда приходится применять непрерывную экстракцию.

Химическое разделение веществ

Из раствора смеси веществ в органическом растворителе можно выделить компоненты, используя различие их химических свойств. Это достигается встряхиванием раствора в делительной воронке с водным раствором кислоты, если нужно отделить вещество основного характера (амины, аминокислоты, аминоспирты), либо водным раствором Na2CO3 или NaHCO3, если нужно отделить вещество кислотного характера. Эту операцию выполняют так же, как и обычную экстракцию, хотя она основана не на различной растворимости вещества в разных растворителях, а на его химических свойствах.

Непрерывная экстракция растворов

С помощью экстракторов непрерывного действия - перколяторов - можно извлекать вещество из раствора небольшим количеством растворителя. Растворитель при этом испаряют в колбе, а пары его конденсируют в обратном холодильнике. Конденсат в виде мелких капель, проходя через раствор, постепенно обогащается извлекаемым веществом и стекает через перелив обратно в колбу. Перколяторы, в зависимости от того, легче или тяжелее растворитель экстрагируемого раствора, различаются конструктивно.

На рис. 173, а изображен простейший прибор, применяемый для экстракции жидкости более легким растворителем. Растворитель нагревают в колбе 1. Пары растворителя через трубку 2 попадают в обратный холодильник, и конденсат стекает в воронку 3; через трубку воронки растворитель попадает в нижнюю часть пробирки 4 и, поднимаясь на поверхность раствора, извлекает растворенное в нем вещество. Экстракт через боковую трубку стекает в колбу 1.

Прибор для экстракции из растворов тяжелым растворителем изображен на рис. 173,6.

Насадки для непрерывного экстрагирования веществ из растворов выпускаются двух типов (рис. 174): НЭР - для экстрагирования тяжелым растворителем; НЭРВ - для экстрагирования легким растворителем.