Способ жидкостной экстракции

 

Изобретение относится к методам извлечения, разделения и концентрирования веществ жидкостной экстракцией. Результат изобретения - ускорение массопереноса при извлечении веществ. Приводят в контакт статические или ламинарные жидкости. Одну из жидкостей периодически дозируют из капилляра на поверхность сплошного слоя другой жидкости с возможностью растекания капель по поверхности вплоть до образования монослоя. Жидкость, образующая сплошной слой, представляет собой водную фазу. Жидкость, дозируемая каплями, представляет собой органическую фазу. Оптимально сплошной слой жидкости имеет толщину 3-6 мм, а расстояние от дозирующего капилляра до поверхности слоя жидкости не превышает размера капли. Обновление поверхности контакта жидкостей и нанесение следующих капель производят через 150-240 с. 3 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к методам извлечения, разделения и концентрирования веществ, а именно к жидкостной экстракции. Оно может найти применение в химической и биохимической промышленности, особенно в процессах с малыми объемами реагентов.

В известных методах извлечение одного или нескольких веществ из одной фазы в другую осуществляется при их контакте в течение определенного времени. В подавляющем большинстве случаев фазы перемешивают, используя мешалки или внешние пульсаторы (Основы жидкостной экстракции. / Ягодин Г.А., Каган С.З., Тарасов В.В. и др. М.: Химия. 1981. - 400 с.).

Недостаток этих методов состоит в повышенных расходах энергии, т.к. при использовании перемешивающих устройств энергия затрачивается на перемешивание объемов жидкостей. В том случае, когда образуется эмульсия, энергия затрачивается на диспергирование одной жидкости в другой, т.е. для создания развитой поверхности контакта фаз. Разделение фаз после их контактирования может протекать очень медленно, если присутствующие в системе вещества обладают поверхностно-активными свойствами. При этом снижается производительность экстракторов и для ускорения процесса коалесценции капель либо усложняют аппараты, либо дополнительно затрачивают энергию.

Существует метод, при котором в контакт приводятся две жидкие стационарные или ламинарные фазы, а поверхность раздела фаз остается неизменной в течение всего процесса. Существенным недостатком такого способа является низкая скорость процесса, вызванная низким коэффициентом массопередачи извлекаемого вещества при естественной конвекции, развивающейся при таком проведении процесса. Поверхность раздела фаз может искажаться, если процесс экстракции осложнен движением жидкости в приповерхностных слоях, ввиду проявления эффекта Марангони (Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача Пер. с англ. Кулова Н.Н. под ред. В.А.Малюсова М.: Химия. 1982, с. 211). В этом случае коэффициент массопередачи значительно выше, однако энергия, возникающая при наличии эффекта Марангони, диссипирует в объемах контактирующих фаз в виде тепла.

Наиболее близким к предложенному является способ жидкостной экстракции, при котором приводят в контакт статические или ламинарные жидкости. Время контактировая фаз очень малою Способ ускоряет массооперенос (см. RU 2039705).

Настоящее изобретение позволяет ускорить массоперенос при извлечении веществ методом жидкостной экстракции.

Предлагаемый метод основан на том, что процесс жидкостной экстракции проводят при растекании одной из фаз (как правило, органической фазы) по поверхности другой (водной) фазы вплоть до образования монослоя. Высокая скорость растекания и активное обновление формирующейся поверхности фазового контакта, сочетаемое с малой толщиной органической жидкости, обеспечивают ускорение массопереноса. Коэффициент массопередачи на несколько порядков превышает значение, характерное для процесса массопередачи, протекающей в режиме естественной конвекции при контакте двух сплошных жидких фаз.

Способ экстракции в системах жидкость - жидкость согласно изобретению, при котором приводят в контакт статические или ламинарные жидкости, предусматривает периодическое дозирование одной жидкости из капилляра на поверхность сплошного слоя другой жидкости с возможностью растекания капель по поверхности вплоть до образования монослоя.

Жидкость, образующая сплошной слой, обычно представляет собой водную фазу, а жидкость, дозируемая каплями, представляет собой органическую фазу. Но возможна и обратная ситуация, если плотность органической фазы больше плотности водной фазы.

В оптимальном варианте сплошной слой жидкости имеет толщину 3-6 мм, а расстояние от дозирующего капилляра до поверхности слоя жидкости не превышает размера капли. Уменьшение указанной толщины может нарушить сплошность слоя жидкости. Увеличение расстояния между капилляром и слоем жидкости приведет к падению капель с высоты и их первоначальному погружению под поверхность сплошного слоя жидкости и будет осложнять процесс растекания капель и/или нарушать ламинарность течения.

Обновление поверхности контакта жидкостей и нанесение следующих капель производят через 150-240 с. Для неподвижных (стационарных) систем обновление поверхности контакта производится путем отвода верхнего растекшегося слоя (монослоя) жидкости. В системах с ламинарным течением растекшийся слой выносится из-под дозирующего капилляра.

Практически предлагаемый способ реализуют следующим образом. Вначале готовят экстракт, например кислоты в органическом растворителе, контактируя определенные объемы водной и органической фаз. После расслаивания органическую фазу отделяют от водной фазы. Далее в ячейку помещают водную фазу, а на ее поверхность наносят органическую фазу в таком количестве, чтобы поверхность водной фазы была достаточной для образования монослоя экстракта после его растекания. За массопереносом следят кондуктометрически, предварительно построив калибровочную кривую, позволяющую значения электропроводности переводить в концентрацию. Калибровочную кривую строят обычным способом, т.е. помещая в ячейку разбавленные растворы кислоты с известной концентрацией (менее 0,01 моль/л) и определяя соответствующие значения электропроводности раствора. Величину площади межфазной поверхности находят по геометрическим размерам кондуктометрической ячейки. Затем по калибровке кондуктометрической ячейки находят текущие концентрации вещества и рассчитывают значения коэффициента массопередачи столько раз, сколько измерено значений текущей электропроводности. Коэффициент массопередачи (k) определяют любым методом, например по изменению концентрации вещества в принимающей фазе во времени: где dC/dt - производная от концентрации вещества по времени; С*, С - равновесная и текущая концентрации вещества в принимающей фазе; а - удельная поверхность контакта фаз, определяемая как отношение площади межфазной поверхности к объему лимитирующей фазы.

Равновесное значение концентрации в водной фазе определяют любым способом, например методом потенциометрического титрования.

Пример 1. Приготовили экстракт азотной кислоты в толуоле, контактируя в течение 5 мин равные объемы толуола и водного раствора азотной кислоты с концентрацией 12,69 М. После 30-минутного расслаивания органическую фазу отделили от водной. Далее 8 мл воды поместили в ячейку, которая представляет собой обычную конусообразную воронку диаметром в широкой части 60 мм, снабженную двумя платиновыми электродами, которые установлены диаметрально противоположно. Площадь поверхности воды 6,07 см², С помощью пипетки на поверхность воды наносили капли (0,1 мл) экстракта. Периодически определяли значения коэффициента массопередачи в течение процесса по вышеуказанному уравнению, считая, что лимитирующей фазой является органическая фаза. Данные представлены в табл. 1.

В случае, если объем вносимой органической фазы 2 мл, среднее значение коэффициента массопередачи для такого же временного интервала 0,008 см/с. Следовательно, коэффициент массопередачи в предлагаемом способе превышает соответствующее значение в 35 раз.

Пример 2. Подготовка экстракта азотной кислоты в толуоле такая же, как в примере 1. Установка такая же, как в примере 1. Наносили каплю органической фазы, объем которой 0,025 мл. Периодически определяли коэффициент массопередачи, величина которого приведена в табл. 2.

В случае, если объем вносимой органической фазы 2 мл, среднее значение коэффициента массопередачи для такого же временного интервала 0,008 см/с. Следовательно, коэффициет массопередачи в предлагаемом способе превышает соответствующее значение в 65 раз.

Повторяя многократно указанную процедуру, можно применить предлагаемый способ для извлечения вещества из заданного объема раствора.

Предлагаемый способ позволяет интенсифицировать массопередачу вещества в системах с подвижной границей раздела фаз жидкость - жидкость. Метод может быть использован при экстракции (рэкстракции) веществ в системах, содержащих ПАВ, в системах со сложным составом как водной, так и органической фаз в системах без принудительного перемешивания фаз.

Формула изобретения

1. Способ жидкостной экстракции, при котором приводят в контакт статические или ламинарные жидкости, отличающийся тем, что одну из жидкостей периодически дозируют из капилляра на поверхность сплошного слоя другой жидкости с возможностью растекания капель по поверхности вплоть до образования монослоя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкость, образующая сплошной слой, представляет собой водную фазу, а жидкость, дозируемая каплями, представляет собой органическую фазу.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сплошной слой жидкости имеет толщину 3-6 мм, а расстояние от дозирующего капилляра до поверхности слоя жидкости не превышает размера капли.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обновление поверхности контакта жидкостей и нанесение следующих капель производят через 150 - 240 с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2