5. Екстракція
В основі екстракції як методу поділу й очищення лежить відмінність в розчинності компонентів у двохфазній системі, що найчастіше складається з водяної й органічної фаз, що не змішуються. Таку екстракцію називають рідинної, хоча звичайно останній термін опускають, тому що процес екстракції в системі тверде тіло — рідина вивчена вкрай мало і практичного значення майже не має.
Таким чином, по своїй природі між екстракцією й іншими методами одержання високочистих речовин, заснованими на розподілі домішки між двома різними фазами (ректифікація, зонна плавка, сорбція), мається глибока аналогія. Так само, як і ці процеси, екстракція ґрунтується на законах, що відносяться до явищ розчинності, гетерогенної рівноваги і дифузії.
Велике значення екстракції в аналітичній хімії, коли використання екстракції дозволяє сконцентрувати аналізований об'єкт, відокремити небажані сполуки, що перешкоджають проведенню аналізу й ін. У радіохімії екстракція застосовується для поділу і концентрування радіоізотопів. При вивченні неорганічних комплексних сполук екстракція служить для виділення досліджуваних об'єктів, установлення їхньої природи і складу.
Селективність, висока продуктивність і можливість здійснення екстракційного процесу у великих масштабах і в безупинному варіанті обумовлюють прогресуюче застосування цього методу в промисловості. По масштабах виробництва на першому місці — використання екстракції в нафтовій і коксохімічній промисловості, трохи менше за обсягом (хоча різноманітне по номенклатурі) застосування, екстракція одержала в технології органічних виробництв.
У технології неорганічних речовин запропоновано використовувати екстракцію головним чином як метод поділу близьких за властивостями металів: рідкоземельних елементів, цирконію і гафнію, ніобію і танталу, хрому і ванадію, нікелю і кобальту. Однак найбільший розвиток екстракція одержала у численних технологічних схемах, використовуваних у виробництві матеріалів для ядерної енергетики. Готування основних вихідних речовин і допоміжних матеріалів, а також процеси регенерації продуктів розпаду, що утворюються в атомному реакторі, значною мірою ґрунтуються на екстракції.
Незважаючи на широкі можливості екстракційного методу, число прикладів використання цього процесу при одержанні речовин особливої чистоти порівняно невелике. Очевидно, це зв'язано зі специфікою одержання особливо чистих речовин, що висуває додаткові вимоги до екстрагентів і умов проведення екстракційних процесів. Насамперед, очищаючи цільовий продукт від одних домішок, необхідно уникнути внесення яких-небудь інших забруднень. Розчинений екстрагент повинний легко і цілком віддалятися. Необхідно також, щоб його можна було легко одержати в досить чистому стані.
При проведенні екстракційного очищення вибору екстрагента повинний передувати ретельний аналіз наявних даних і з'ясування характеру взаємодії з передбачуваним екстрагентом речовини, що очищається, і домішкових сполук. Від обраного екстрагента потрібно, щоб видалення домішок, коли останні екстрагуються в органічну фазу або залишаються у водяній фазі, а в органічну переходить продукт, що очищається, було не тільки високоефективним, але і носило груповий, колективний характер.
Апаратура
В основі екстракційного механізму лежать дифузійні явища, що сприяють переходу молекул розчиненої речовини через границю розділу фаз.
Для здійснення екстракційних процесів розроблене велике число різноманітних апаратів, з яких найбільше часто застосовуються вертикальні екстракційні колони і горизонтальні змішувачі-відстійники. При одержанні речовин високої чистоти на конструкцію екстракційних апаратів накладаються визначені вимоги. Насамперед, необхідно застосовувати неметалічні матеріали (поліетилен, фторопласт) і, коли можливо, нержавіючу сталь. Використання цих матеріалів обмежує коло екстракційних апаратів, серед яких, у першу чергу, варто віддати перевагу так званим немеханічним екстракторам, тобто апаратам, у яких відсутні обертові мішалки, ротори і т.п.
У екстракційній колоні, що звичайно має форму вертикальної труби, обидві рідкі фази переміщаються друг щодо друга завдяки різниці густин. По всій робочій довжині колони обидві фази безупинно контактують. Геометричні параметри колони визначаються рядом факторів: властивостями рідин, гідродинамічним режимом і т.п.
У нижню частину колони подається легка рідина (звичайно екстрагент), а у верхню — важка (водяний розчин). Одна з рідин (частіше важка) утворює у колоні суцільну фазу, друга вводиться в диспергованому стані. Потік першої фази забезпечується насосом чи різницею рівнів, а рух другої фази відбувається завдяки різниці густин обох рідин. Поверхня розділу фаз знаходиться вище штуцера подачі суцільної фази, що забезпечує краплям диспергованого екстрагента найбільший шлях у колоні.
Змішувачі-відстійники менш придатні для проведення процесів екстракційного ультраочищення, ніж екстракційні колони, тому що в змішувачах-відстійниках майже завжди присутні різноманітні механічні пристрої (мішалки, насоси). Крім того, у силу більш зробленого характеру процесу в колонах необхідний ефект при застосуванні останніх досягається швидше, ніж у багатоступінчастих змішувачах-відстійниках. Таким чином, у екстракційних колонах речовина, що очищається, протягом більш тривалого відрізка часу контактує зі стінками апаратури, трубопроводами, різними пристроями, що ущільнюють, підвищує імовірність внесення в нього зовнішніх забруднень.
Необхідно згадати і про відцентрові екстрактори, принцип дії яких заснований на тому, що відцентрова сила створює противотік між двома фазами, одна з яких тече суцільним тонким шаром по твердій поверхні, а друга — через навколишній її простір. Відцентрові екстрактори уступають в економічних відносинах описаним вище апаратам, при їхньому виготовленні не можуть бути використані в необхідній мірі неметалічні матеріали, однак вони відрізняються компактністю, великою продуктивністю і малим часом контакту. Апарати подібного роду знаходять застосування в невеликих по масштабі виробництвах при очищенні не володіють агресивністю речовин, наприклад деяких біохімічних препаратів.