Separarea unor substante prin extractie

Separarea unor substante prin extractie

Extractia este un procedeu de separare a unor substante dintr-un lichid pe baza diferentei de solubilitate a componentilor aflati intr-un amestec de doua sau mai multe componente in raport cu un anumit solvent sau mai multi solventi. Procedeul se alica la epurarea apelor industriale uzate mai ales atunci cand componentul care trebuie separat poate fi valorificat. Este de exemplu cazul recuperarii fenolului din apele reziduale de la cocserii. De asemenea sunt cazuri in care scopul este acela de a extrage anumite substante toxice din apele uzate in vederea distrugerii si astfel se reduce riscul poluarii mediului prin deversarea apei uzate in emisar.

Principiul extractiei lichid - lichid poate fi explicat in felul urmator: daca notam cu "A" componenta majoritara, respectiv apa, cu "B" componentul ce trebuie extras, cu "S" solventul utilizat la extractie si cu litere mici cantitatile acestor componenti dar in procent mic, aflate in diferitele faze ale procesului, atunci putem prezenta schema de principiu al extractiei astfel:

(A+B) + S = [(A - a ) + b + s] + [a + (B - b) + (S - s)]

amestec rafinat extract

Amestecul omogen de apa uzata din care dorim sa extragem componentul B este pus in contact cu solventul selectiv S, in care apa, respectiv componentul A are o solubilitate mica in comparatie cu componentul ce dorim sa-l extragem B, care are o mare solubilitate. Dupa amestecarea solventului cu apa uzata se lasa timp pentru sedimentare si se formeaza doua straturi si anume:

Rafinatul, care contine aproape intreaga cantitate din componentul A, respectiv apa, precum si mici cantitati din componentul b si din solventul s;

Extractul, care contine mici cantitati de apa, respectiv componentul a, cea mai mare parte din componentul B si cea mai mare parte din solventul S.

Dupa separarea celor doua lichide prin diverse procedee se trece la recuperarea solventului, de regula prin distilare, obtinandu-se separat solventul S si substanta separata B. Se ajunge astfel la urmatoarea rezultat final: 

(A + B) = [(A - a) + b] + [a + (B - b)]

amestec initial fractiune bogata in A(apa) fractiune bogata in B

Aprecierea eficacitatii procesului de extractie se face utilizand coeficientul de selectivitate si constanta de distributie.

Constanta de distributie K este raportul dintre concentratiile unuia dintre componenti in extract fata de aceea a concentratiei din rafinat, atunci cand acestea sunt in contact in conditii de echilibru. Concentratiile se exprima de regula in mg/l, moli/l sau chiar in procente de masa sau fractie molara.

De regula notatiile se fac cu x pentru substanta din rafinat si cu y din extract. De exemplu pentru componentul B din apa uzata, constanta de distributie se calculeaza cu relatia:

Constanta de distributie nu depinde de concentratia solutiei doar daca solutiile sunt diluate, solventii sunt nemiscibili, compusul B nu se disociaza, nu se asociaza nu da reactii chimice in solutia in care se gaseste.

In figura 4.14. este prezentata schematic principiul de lucru a extractiei simple.

In practica se utilizeaza o diagrama, numita diagrama x - y, care se realizeaza de regula pe baza unor experimente sau teoretic pe baza constantelor fizico - chimice  ale substantelor. In diagrama figureaza curba de echilibru precum si o linie de operatie, care corespunde conditiilor reale in care decurge procesul de extractie, intrucat in practica nu se poate decat foarte greu sa se stabileasca conditiile de echilibru.

Fig. 4.14. Schema principiala a extractiei simple

Fig.4.15. Diagramele x - y pentru un component

Linia de operatie ( fig.4.15.) este determinata de urmatoarea expresie:

In formula de mai sus avem urmatoarele notatii:

y_i si y_f sunt concentratiile initiale, respectiv finale in solvent a componentului ce se extrage din solutie, in mg / l;

x_i si x_f  sunt concentratiile initiale si finale in amestecul ce trebuie epurat (apa uzata) a componentului B care trebuie extras, in mg / l;

A - debitul de apa uzata, in l / sec;

S - debitul de solvent, in l / sec.

Al doilea element ce caracterizeaza procesul de extractie este selectivitatea, notata cu care reprezinta raportul constantelor de distributie pentru cei doi componenti din amestec atat in extract cat si in rafinat.

Daca valoarea lui > 1 , atunci solventul este selectiv pentru componentul B si deci poate fi utilizat cu bune rezultate.

Procesul de separatie prin extractie este puternic influentat de temperatura, pentru ca sunt cazuri in care doua lichide nemiscibile la temperaturi scazute devin miscibile la temperaturi mai ridicate. Pentru a se vedea cum se comporta aceste lichide la diferite temperaturi trebuie realizate experimente care sa duca la stabilirea temperaturii optime al procesului de extractie.

O alta problema importanta este alegerea solventului. Criteriile de alegere a solventului sunt urmatoarele:

Sa aiba o solubilitate redusa in apa;

Sa aiba o constanta de distributie ridicata fata de impuritatea care trebuie extrasa;

Sa aiba o densitate cat mai diferita fata de cea a apei;

Sa nu formeze emulsii cu apa;

Sa nu hidrolizeze sub actiunea apei, a acizilor sau bazelor;

Sa aiba o temperatura de fierbere mult diferita de a apei;

Sa fie stabil la variatii ale temperaturii;

Sa fie cat mai ieftin.

Dintre cele mai uzuali solventi amintim: benzenul, clorbenzenul, eter etilic, alcoolul butilic, acetatul de etil, eter izopropilic, fenosolvanul etc.

In practica s-au dezvoltat o serie de procedee de extractie mai complexe, care sa asigure un randament ridicat si costuri cat mai reduse, Dintre procedeele cele mai intalnite amintim:

Extractia simpla cu un singur contact ( vezi fig. 4.14.);

Extractia simpla cu contact multiplu ( vezi fig. 4.16.);

Extractia cu contact multiplu in contracurent (vezi fig. 8.17.);

Extractia simpla cu un singur contact, consta practic in agitarea intensa a apei uzate in care s-a introdus un solvent specific pentru substanta care trebuie extrasa, urmata de o decantare, pentru ca cele doua lichide sa se separe in doua straturi distincte. Extractul este separat din apa uzata, iar prin distilare solventul este recuperat si este din nou folosit pentru extractia compusului din apa uzata.

Extractia simpla cu contact multiplu este practic o extractie simpla cu un singur contact care se repeta de mai multe ori. La fiecare repetare a procesului se adauga solvent proaspat. Cu cat operatia se repeta de mai multe ori se consuma mai mult solvent, dar se realizeaza o mai intensa purificare a apei uzate. Procedeul poate functiona in regim continuu sau in sarje periodice.

Fig.4.16 Extractia simpla cu contact multiplu

Extractia cu contact multiplu in contracurent permite o mai rationala folosire a solventului, fapt ce reduce substantial consumul de solvent. Principiul de functionare este urmatorul: apa uzata este introdusa in prima unitate de extractie, iar solventul proaspat in ultima unitate. Apa partial epurata si extractele partiale circula in sensuri contrare. Calitatea procedeului depinde in cea mai mare masura de nemiscibilitatea solventului in apa uzata, in sensul ca cu cat solventul este mai nemiscibil cu atat procesul de separare este mai performant. 

In timp s-au perfectionat procedeele de extractie, in dorinta de a scadea costurile procesului si a creste calitatea extractie. Un astfel de procedeu este extractia diferentiala in contracurent, care in principiu functioneaza nu ca un sistem distinct de unitati de extractie ci ca un sistem in care atat apa uzata cat si solventul circula in contracurent pe baza diferentei de densitate. Transferul impuritatilor din apa uzata in solvent se face in mod continuu, diferenta de concentratie este elementul motor care determina transferul poluantului din apa uzata in solvent.

Fig. 4.17. Extractia cu contact multiplu in contracurent