萃取原理知識(shí)講座

液液萃取原理液液萃取是指兩個(gè)完全不互溶或部分互溶的液相接觸后，一個(gè)液相中的溶質(zhì)經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)作用另一個(gè)液相，或在兩相中重新分配的過(guò)程。如下A,其余稱稀釋劑B2溶劑S：為萃取A而加入的溶劑，也稱萃取劑3萃取相：原溶劑和稀釋劑混合萃取后，分成兩相，含溶劑S較多的一相；萃余相：主含稀釋劑的一相萃取液：萃取相脫溶劑后的溶液萃余液：萃余相脫溶劑后的溶液萃取過(guò)程的條件：1．兩個(gè)接觸的液相完全不互溶或部分互溶2．溶質(zhì)組分和稀釋劑在兩相中分配比不同3．兩相接觸混合和分相；4. 溶劑S對(duì)A和B的溶解能力不一樣，溶劑具有選擇性，即2a€竺yB XB其中：y表示萃取相內(nèi)組分濃度；x表示萃余相內(nèi)組分濃度。上式說(shuō)明：萃取相中A／B的濃度比值應(yīng)大于萃余相中A／B的濃度比值。典型工業(yè)萃取過(guò)程1以醋酸乙酯為溶劑萃取稀醋酸水溶液中的醋酸，制取無(wú)水醋酸。由于萃取相中含有水，萃余相中含有醋酸乙酯，所以萃取后產(chǎn)品和溶劑均須通過(guò)精餾別離實(shí)現(xiàn)。以醋酸丁酯為溶劑萃取青霉素產(chǎn)品。以環(huán)砜為溶劑從石油輕餾分中提取環(huán)烴；以輕油為溶劑從廢水中脫酚；以丙烷為溶劑從植物油中提取維生素。萃取過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性1混合物的相對(duì)揮發(fā)度下或形成恒沸物，用一般精餾方法不能別離或很不經(jīng)濟(jì)；2.混合物濃度很稀，采用精餾方法必須將大量稀釋劑B氣化，能耗國(guó)道；3混合液含熱敏性物質(zhì)〔如藥物等〕，采用萃取方法精制可防止物料受熱破壞。萃取過(guò)程對(duì)萃取劑要求選擇性好；萃取容量大；化學(xué)穩(wěn)定性好；分相好；易于反萃取或精餾別離；操作安全、經(jīng)濟(jì)、毒性小常用的工業(yè)萃取劑醇類：異戊醇；仲辛醇；取代伯醇醚類：二異丙醚；乙基己基醚酮類：甲基異丁基酮；環(huán)己酮酯類：乙酸乙酯、乙酸戊酯、乙酸丁酯磷酸酯類：己基磷酸二〔2－乙基己基〕酯、二辛基磷酸辛指、磷酸三丁酯亞砜類：二辛基亞砜、二苯基亞砜、烴基亞砜羧酸類：肉桂酸、脂肪酸、月桂酸、環(huán)烷酸磺酸類：十二烷基苯磺酸、三壬基萘磺酸有機(jī)胺類：三烷基甲胺、二癸胺、三辛胺、三壬胺等等典型的萃取過(guò)程及設(shè)備1．單級(jí)萃?。夯旌铣燎宀廴鐖D混和器沉降槽重梆輕湘 XJ—fc-圖11-3噴灑萃JR混和器沉降槽重梆輕湘 XJ—fc-圖11-3噴灑萃JR塔2?多級(jí)混合一澄清槽mi1-4蛆級(jí)混和沉降槽多級(jí)錯(cuò)流萃取多級(jí)逆流萃取b賽級(jí)逆流萃取卜徑相出汕I 料浪車州N專分層界孫T——二一旦h圖門*翁級(jí)琴收3塔式接觸設(shè)備：噴淋塔；板式塔；填料塔；脈動(dòng)塔；轉(zhuǎn)盤塔萃取原理萃取是利用系統(tǒng)中組分在溶劑中有不同的溶解度來(lái)別離混合物的單元操作，利用相似相溶原理，萃取有兩種方式：液-液萃取，用選定的溶劑別離液體混合物中某種組分，溶劑必須與被萃取的混合物液體不相溶，具有選擇性的溶解能力，而且必須有好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，并有小的毒性和腐蝕性。如用苯別離煤焦油中的酚；用有機(jī)溶劑別離石油餾分中的烯烴；用CC14萃取水中的Br2.固-液萃取，也叫浸取，用溶劑別離固體混合物中的組分，如用水浸取甜菜中的糖類；用酒精浸取黃豆中的豆油以提高油產(chǎn)量；用水從中藥中浸取有效成分以制取流浸膏叫“滲瀝”或“浸瀝”。雖然萃取經(jīng)常被用在化學(xué)試驗(yàn)中，但它的操作過(guò)程并不造成被萃取物質(zhì)化學(xué)成分的改變〔或說(shuō)化學(xué)反應(yīng)〕，所以萃取操作是一個(gè)物理過(guò)程。萃取是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中用來(lái)提純和純化化合物的手段之一。通過(guò)萃取，能從固體或液體混合物中提取出所需要的化合物。這里介紹常用的液－液萃取?；驹砝没衔镌趦煞N互不相溶〔或微溶〕的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使化合物從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移到另外一種溶劑中。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次萃取，將絕大部分的化合物提取出來(lái)。分配定律是萃取方法理論的主要依據(jù)，物質(zhì)對(duì)不同的溶劑有著不同的溶解度。同時(shí)，在兩種互不相溶的溶劑中，加入某種可溶性的物質(zhì)時(shí)，它能分別溶解于兩種溶劑中，實(shí)驗(yàn)證明，在一定溫度下，該化合物與此兩種溶劑不發(fā)生分解、電解、締合和溶劑化等作用時(shí)，此化合物在兩液層中之比是一個(gè)定值。不管所加物質(zhì)的量是多少，都是如此。屬于物理變化。用公式表示。CA/CB=KCA.CB分別表示一種化合物在兩種互不相溶地溶劑中的量濃度。K是一個(gè)常數(shù)，稱為“分配系數(shù)”。有機(jī)化合物在有機(jī)溶劑中一般比在水中溶解度大。用有機(jī)溶劑提取溶解于水的化合物是萃取的典型實(shí)例。在萃取時(shí)，假設(shè)在水溶液中加入一定量的電解質(zhì)〔如氯化鈉〕，利用“鹽析效應(yīng)”以降低有機(jī)物和萃取溶劑在水溶液中的溶解度，?？商岣咻腿⌒Ч?。要把所需要的化合物從溶液中完全萃取出來(lái)，通常萃取一次是不夠的，必須重復(fù)萃取數(shù)次。利用分配定律的關(guān)系，可以算出經(jīng)過(guò)萃取后化合物的剩余量。設(shè)：V為原溶液的體積w0為萃取前化合物的總量w1為萃取一次后化合物的剩余量w2為萃取二次后化合物的剩余量w3為萃取n次后化合物的剩余量S為萃取溶液的體積經(jīng)一次萃取，原溶液中該化合物的濃度為w1/V；而萃取溶劑中該化合物的濃度為(wO-wl)/S；兩者之比等于K，即：wl/V=Kwl=w0KV(w0-wl)/SKV+S同理，經(jīng)二次萃取后，則有w2/V=K即(wl-w2)/Sw2=wlKV=w0KVKV+SKV+S因此，經(jīng)n次提取后:wn=w0(KV)KV+S當(dāng)用一定量溶劑時(shí)，希望在水中的剩余量越少越好。而上式KV/(KV+S)總是小于1,所以n越大，wn就越小。也就是說(shuō)把溶劑分成數(shù)次作多次萃取比用全部量的溶劑作一次萃取為好。但應(yīng)該注意，上面的公式適用于幾乎和水不相溶地溶劑，例如苯，四氯化碳等。而與水有少量互溶地溶劑乙醚等，上面公式只是近似的。但還是可以定性地指出預(yù)期的結(jié)果。萃取可分為以下幾種：一、 雙水相萃取雙水相萃取技術(shù)((Two-aqueousphaseextraction，簡(jiǎn)稱ATPS)是指親水性聚合物水溶液在一定條件下可以形成雙水相,由于被別離物在兩相中分配不同,便可實(shí)現(xiàn)別離"被廣泛用于生物化學(xué)細(xì)胞生物學(xué)和生物化工等領(lǐng)域的產(chǎn)品別離和提取"雙水相萃取技術(shù)設(shè)備投資少，操作簡(jiǎn)單"該類雙水相體系多為聚乙二醇-葡萄糖和聚乙二醇-無(wú)機(jī)鹽兩種"由于水溶性高聚物難以揮發(fā)，使反萃取必不可少，且鹽進(jìn)入反萃取劑中，對(duì)隨后的分析測(cè)定帶來(lái)很大的影響"另外水溶性高聚物大多黏度較大，不易定量操作，也給后續(xù)研究帶來(lái)麻煩"事實(shí)上，普通的能與水互溶的有機(jī)溶劑在無(wú)機(jī)鹽的存在下也可生成雙水相體系，并已用于血清銅和血漿鉻的形態(tài)分析"基于與水互溶的有機(jī)溶劑和鹽水相的雙水相萃取體系具有價(jià)廉!低毒!較易揮發(fā)而無(wú)需反萃取和防止使用黏稠水溶性高聚物等特點(diǎn)。二、 有機(jī)溶劑萃取水洗分液法是用水將有機(jī)相中溶于水的雜質(zhì)別離出來(lái)，到達(dá)純化有機(jī)相的目的。有機(jī)溶劑萃取法就是常說(shuō)的萃取，即用有機(jī)溶劑把水相、固相〔或其它不溶于該溶劑的相〕中溶于該溶劑的組分別離出來(lái)的方法。理論部分見Afeastforeye的內(nèi)容。一般萃取實(shí)驗(yàn)中，萃取后的有機(jī)相〔含所需化合物〕還要用水或飽和食鹽水洗，進(jìn)一步純化有機(jī)相。這兩種方法都需要分液漏斗，操作過(guò)程基本相同，只需確定哪一層〔相〕需要保留。三、 超臨界萃取超臨界萃取所用的萃取劑為超臨界流體，超臨界流體是介于氣液之間的一種既非氣態(tài)又非液態(tài)的物態(tài)，這種物質(zhì)只能在其溫度和壓力超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)才能存在。超臨界流體的密度較大，與液體相仿，而它的粘度又較接近于氣體。因此超臨界流體是一種十分理想的萃取劑。超臨界流體的溶劑強(qiáng)度取決于萃取的溫度和壓力。利用這種特性，只需改變萃取劑流體的壓力和溫度，就可以把樣品中的不同組分按在流體中溶解度的大小，先后萃取出來(lái)，在低壓下弱極性的物質(zhì)先萃取，隨著壓力的增加，極性較大和大分子量的物質(zhì)與基本性質(zhì)，所以在程序升壓下進(jìn)行超臨界萃取不同萃取組分，同時(shí)還可以起到別離的作用。溫度的變化表達(dá)在影響萃取劑的密度與溶質(zhì)的蒸汽壓兩個(gè)因素，在低溫區(qū)〔仍在臨界溫度以上〕，溫度升高降低流體密度，而溶質(zhì)蒸汽壓增加不多，因此，萃取劑的溶解能力時(shí)的升溫可以使溶質(zhì)從流體萃取劑中析出，溫度進(jìn)一步升高到高溫區(qū)時(shí)，雖然萃取劑的密度進(jìn)一步降低，但溶質(zhì)蒸汽壓增加，揮發(fā)度提高，萃取率不但不會(huì)減少反而有增大的趨勢(shì)。除壓力與溫度外，在超臨界流體中加入少量其他溶劑也可改變它對(duì)溶質(zhì)的溶解能力。其作用機(jī)理至今尚未完全清楚。通常加入量不超過(guò)10％，且以極性溶劑甲醇、異丙醇等居多。加入少量的極性溶劑，可以使超臨界萃取技術(shù)的適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大到極性較大化合物。超臨界流體萃取過(guò)程簡(jiǎn)介將萃取原料裝入萃取釜。采用二氧化碳為超臨界溶劑。二氧化碳?xì)怏w經(jīng)熱交換器冷凝成液體，用加壓泵把壓力提升到工藝過(guò)程所需的壓力(應(yīng)高于二氧化碳的臨界壓力)，同時(shí)調(diào)節(jié)溫度，使其成為超臨界二氧化碳流體。二氧化碳流體作為溶劑從萃取釜底部進(jìn)入，與被萃取物料充分接觸，選擇性溶解出所需的化學(xué)成分。含溶解萃取物的高壓二氧化碳流體經(jīng)節(jié)流閥降壓到低于二氧化碳臨界壓力以下進(jìn)入別離釜(又稱解析釜)，由于二氧化碳溶解度急劇下降而析出溶質(zhì)，自動(dòng)別離成溶質(zhì)和二氧化碳?xì)怏w二部分，前者為過(guò)程產(chǎn)品，定期從別離釜底部放出，后者為循環(huán)二氧化碳?xì)怏w，經(jīng)過(guò)熱交換器冷凝成二氧化碳液體再循環(huán)使用。整個(gè)別離過(guò)程是利用二氧化碳流體在超臨界狀態(tài)下對(duì)有機(jī)物有特異增加的溶解度，而低于臨界狀態(tài)下對(duì)有機(jī)物基本不溶解的特性，將二氧化碳流體不斷在萃取釜和別離釜間循環(huán)，從而有效地將需要?jiǎng)e離提取的組分從原料中別離出來(lái)。四、液膜萃取是一項(xiàng)新的萃取技術(shù)。以水為連續(xù)相，分散以外表活性劑和有機(jī)相包覆有水相內(nèi)核的液滴，形成一乳狀液。在外水相中某些組分被液滴外的有機(jī)相萃取后進(jìn)入液滴內(nèi)的水相，實(shí)現(xiàn)萃取別離。由于液滴的直徑只幾微米，液膜的比外表大，加以被萃取組分很快從有機(jī)相轉(zhuǎn)入內(nèi)水相，傳質(zhì)推動(dòng)力大、傳質(zhì)不受外水相與表機(jī)相平衡濃度的限制，故萃取效率很高。技術(shù)的難點(diǎn)是破乳。目前在高壓靜電場(chǎng)下破乳是最有效的。可用在金屬離子別離、生物產(chǎn)品別離以及污水處理等方面。五、固相萃取固相萃取法是色譜法的一個(gè)重要的應(yīng)用。在此方法中，使一定體積的樣品溶液通過(guò)裝有固體吸附劑的小柱，樣品中與吸附劑有強(qiáng)作用的組分被完全吸附；然后，用強(qiáng)洗脫溶劑將被吸附的組分洗脫出來(lái)，定容成小體積被測(cè)樣品溶液。使用固相萃取法，可以使樣品中的組分得到濃縮，同時(shí)可初步除去對(duì)感興趣組分有干擾的成分，從而提高了分析的靈敏度。固相萃取不僅可用于色譜分析中的樣品預(yù)處理，而且可用于紅外光譜、質(zhì)譜、核磁共振、紫外和原子吸收等各種分析方法的樣品預(yù)處理。C18固相萃取小柱具有疏水作用，對(duì)非極性的組分有吸附作用，因此可以從水中將多核芳烴萃取出來(lái)，完成濃縮樣品的作用。固相萃取小柱還有其他類型，如極性、離子交換等。六、液固萃取利用填充了細(xì)顆粒吸附劑的小柱作液-固萃取(liquid?solidextraction,LSE)的方法很快就把液一液萃取方法比了下去，在樣品基質(zhì)的簡(jiǎn)化和痕量樣品的富集等方面建立起自己的地位。液一液萃取有這樣的一些問(wèn)題：勞動(dòng)力密集；經(jīng)常受到乳化等實(shí)際問(wèn)題的困擾；傾向于消耗大量的高純度溶劑，這些溶劑往往對(duì)操作者健康和環(huán)境造成危害；在排放的時(shí)候帶來(lái)額外的費(fèi)