» » Теория экстрагирования
15.05.2015

Экстрагированием называют извлечение растворенного вещества D из его раствора в растворителе А с помощью другого растворителя В, не смешивающегося с А и образующего самостоятельную фазу.
Теория растворов указывает закономерность, связывающую равновесные концентрации растворенного вещества в двух сосуществующих растворах, а именно:
[D]A ÷ [D]B= k',

где [D]A и [D]B — концентрации вещества D соответственно в растворителе A и в растворителе В;
k' — коэффициент распределения; постоянная для заданной температуры величина.
Если концентрации вещества D в обоих растворах малы, то можно принять объемы обоих растворов равными объемам растворителей, т. е. пропорциональными массам растворителей в каждом из растворов, и выразить коэффициент распределения следующим образом:
Теория экстрагирования

где хА и хВ — массы растворенного вещества в растворителях А и В;
GА и GВ — массы растворителей в каждом из сосуществующих растворов.
Растворитель, применяемый для извлечения вещества D из его раствора в А, называют экстрагирующим реагентом, а раствор D в экстрагирующем реагенте — экстрактом.
Если обозначить массу вещества D в исходном растворе через x0, массу вещества D в растворе после экстрагирования через x, массу исходного растворителя через w, массу экстрагирующего реагента через L и коэффициент распределения через k, то масса вещества D в экстракте будет равна (x0—x), а коэффициент распределения выразится следующей формулой:
x/w / x0-x/L = k.

Отсюда тождественными преобразованиями получаем общее выражение для величины х при экстрагировании:
Теория экстрагирования

Покажем замечательную особенность процесса экстрагирования, состоящую в том, что извлечение растворенного вещества в экстракт при последовательном применении нескольких равных порций экстрагирующего реагента будет больше, чем при применении всей массы реагента в одной операции.
Пусть экстрагирующий реагент применяется для n последовательных экстракций одного и того же исходного раствора (w, х), а масса порции экстрагирующего реагента равна L. Тогда первая экстракция даст отработанный раствор с содержанием растворенного вещества x1.
Теория экстрагирования

Подвергая полученный отработанный раствор (x, w) новой экстракции с тем же количеством свежего реагента L, получим второй экстракт и второй отработанный раствор, содержащий x2 растворенного вещества D:
Теория экстрагирования

Для последнего n-го отработанного раствора величина x составит:
Теория экстрагирования

или, развертывая знаменатель по формуле бинома Ньютона, получим выражение
Теория экстрагирования

Если вместо n последовательных экстракций применять одно экстрагирование с nL массой экстрагирующего реагента, то содержание вещества D в полученном отработанном растворе х1' выразится следующей формулой:
Теория экстрагирования

Сравнение выражений (I, 10, и I, 11) показывает, что xnСхема такого многократного экстрагирования (рис. 11) используется в технике в тех случаях, когда вещество D не представляет ценности и его только нужно удалить из исходного раствора и экстрагирующий реагент — вещество дешевое.
Теория экстрагирования

Если вещество D нужно не только отделить от вещества А, но и получить в чистом виде, то предшествующая схема неудобна, так как при такой работе получается n различных экстрактов с постепенно уменьшающимися концентрациями вещества D.
В этом случае целесообразно применить каскадную схему (рис. 12), в которой экстракты операций используют в качестве экстрагирующих реагентов для предшествующих операций.
Теория экстрагирования

При таком способе работы экстрагирующий реагент дают только в последнюю операцию каскада, все остальные операции получают в качестве экстрагирующего реагента экстракт последующих операций. Из каскада выходят только два продукта: первый экстракт и последний отработанный раствор, все остальные продукты операций являются промежуточными, оборачивающимися продуктами.
Расчетная формула результатов действия каскада экстрагирований для установившегося режима работы имеет следующий вид:
Теория экстрагирования

Это выражение позволяет рассчитать величину хn — массу компонента D в отработанном растворе последней операции каскада по заданным x0, L, W, X и n.
Если величина L/kw больше единицы, то с увеличением числа операций каскада можно получить сколь угодно высокую степень удаления вещества D из исходного раствора, если L/kw меньше единицы, то при увеличении числа операций каскада величина — стремится к определенному конечному пределу, т. е. сколь угодно высокая степень удаления D из раствора не достижима.
В пирометаллургии процесс экстрагирования применяют для извлечения серебра из свинца с помощью жидкого цинка и для разделения сульфидов меди и никеля с помощью сернистого натрия в разделительных плавках медноникелевых файнштейнов.
Методы ликвационного рафинирования с применением реагентов используют при обессеребрении свинца цинком, рафинировании свинца от висмута присадками кальция и магния, рафинировании вторичного алюминия от железа.
В перечисленные процессах специальная добавка вызывает появление ликвирующих твердых фаз переменного состава, выводящих примеси из жидкого расплава. Количество ликвирующей фазы и содержание в ней примеси определяется количеством добавки, так что действие добавки подобно действию экстрагирующего реагента при экстракции. Однако роль экстракта в этих процессах принадлежит кристаллам, выделяющимся из жидкости в широком интервале температур в условиях сильного торможения диффузии, что приводит к неоднородности кристаллического продукта.