萃取的工作原理

1．萃取操作過程及術語

對于液體混合物的分離，除可采用蒸餾的方法外，還可采用萃取的方法，即在液體混合物（原料液）中加入一個與其基本不相混溶的液體作為溶劑，造成第二相，利用原料液中各組分在兩個液相中的溶解度不同而使原料液混合物得以分離。液-液萃取，亦稱溶劑萃取，簡稱萃取或抽提。選用的溶劑稱為萃取劑，以S表示；原料液中易溶于S的組分，稱為溶質，以A表示；難溶于S的組分稱為原溶劑（或稀釋劑），以B表示。

如果萃取過程中，萃取劑與原料液中的有關組分不發生化學反應，則稱之為物理萃取，反之則稱之為化學萃取。

萃取操作的基本過程如圖4-11所示。將一定量萃取劑加入原料液中，然后加以攪拌使原料液與萃取劑充分混合，溶質通過相界面由原料液向萃取劑中擴散，所以萃取操作與精餾、吸收等過程一樣，也屬于兩相間的傳質過程。攪拌停止后，兩液相因密度不同而分層：一層以溶劑S為主，并溶有較多的溶質，稱為萃取相，以E表示；另一層以原溶劑（稀釋劑）B為主，且含有未被萃取完的溶質，稱為萃余相，以R表示。若溶劑S和B為部分互溶，則萃取相中還含有少量的B，萃余相中亦含有少量的S。

由上可知，萃取操作并未有得到純凈的組分，而是新的混合液：萃取相E和萃余相R。為了得到產品A，并回收溶劑以供循環使用，尚需對這兩相分別進行分離。通常采用蒸餾或蒸發的方法，有時也可采用結晶等其它方法。脫除溶劑后的萃取相和萃余相分別稱為萃取液和萃余液。

對于一種液體混合物，究竟是采用蒸餾還是萃取加以分離，主要取決于技術上的可行性和經濟上的合理性。一般地，在下列情況下采用萃取方法更為有利

(1) 原料液中各組分間的沸點非常接近，也即組分間的相對揮發度接近于1，若采用蒸餾方法很不經濟；

(2) 料液在蒸餾時形成恒沸物，用普通蒸餾方法不能達到所需的純度；

(3) 原料液中需分離的組分含量很低且為難揮發組分，若采用蒸餾方法須將大量稀釋劑汽化，能耗較大；

(4) 原料液中需分離的組分是熱敏性物質，蒸餾時易于分解、聚合或發生其它變化。

2．萃取劑的選擇

選擇合適的萃取劑是保證萃取操作能夠正常進行且經濟合理的關鍵。萃取劑的選擇主要考慮以下因素。

（1）萃取劑的選擇性及選擇性系數

萃取劑的選擇性是指萃取劑S對原料液中兩個組分溶解能力的差異。若S對溶質A的溶解能力比對原溶劑B的溶解能力大得多，即萃取相中比大得多，萃余相中比大得多，那么這種萃取劑的選擇性就好。

萃取劑的選擇性可用選擇性系數表示，其定義式為

	（4-6）

將式4-3代入上式得

（4-7）

式中

由的定義可知，選擇性系數為組分A、B的分配系數之比，其物理意義頗似蒸餾中的相對揮發度。若＞1，說明組分A在萃取相中的相對含量比萃余相中的高，即組分A、B得到了一定程度的分離，顯然值越大，值越小，選擇性系數就越大，組分A、B的分離也就越容易，相應的萃取劑的選擇性也就越高；若=1，則由式4-6可知，或，即萃取相和萃余相在脫除溶劑S

后將具有相同的組成，并且等于原料液的組成，說明A、B兩組分不能用此萃取劑分離，換言之所選擇的萃取劑是不適宜的。

萃取劑的選擇性越高，則完成一定的分離任務，所需的萃取劑用量也就越少，相應的用于回收溶劑操作的能耗也就越低。

由式4-6可知，當組分B、S完全不互溶時，則選擇性系數趨于無窮大，顯然這是最理想的情況。

（2）原溶劑B與萃取劑S的互溶度

圖4-12所示為在相同溫度下，同一種二元原料液與不同萃取劑、所構成的相平衡關系圖。由圖可見，萃取劑與組分B的互溶度較小。

為便于說明組分B與S的互溶度對萃取分離的影響，首先介紹所謂的萃取液最高組成的概念。

如前所述，萃取操作都是在兩相區內進行的，達平衡后均分成兩個平衡的E相和R相。若將E相脫除溶劑，則得到萃取液，根據杠桿規則，萃取液組成點必為SE延長線與AB邊的交點，顯然溶解度曲線的切線與AB邊的交點即為萃取相脫除溶劑后可能得到的具有最高溶質組成的萃取液，以表示，其溶質組成設為。與組分B、S的互溶度密切相關，互溶度越小，可能得到的便越高，也就越有利于萃取分離，此結論與對選擇性的分析相一致。由圖可知，選擇與組分B具有較小互溶度的萃取劑比更利于溶質A的分離。

(3) 萃取劑回收的難易與經濟性

萃取后的E相和R相，通常以蒸餾的方法進行分離。萃取劑回收的難易直接影響萃取操作的費用，從而在很大程度上決定萃取過程的經濟性。因此，要求萃取劑S與原料液中的組分的相對揮發度要大，不應形成恒沸物，并且最好是組成低的組分為易揮發組分。若被萃取的溶質不揮發或揮發度很低時，則要求S的汽化熱要小，以節省能耗。

(4) 萃取劑的其它物性

為使兩相在萃取器中能較快的分層，要求萃取劑與被分離混合物有較大的密度差，特別是對沒有外加能量的設備，較大的密度差可加速分層，提高設備的生產能力。

兩液相間的界面張力對萃取操作具有重要影響。萃取物系的界面張力較大時，分散相液滴易聚結，有利于分層，但界面張力過大，則液體不易分散，難以使兩相充分混合，反而使萃取效果降低。界面張力過小，雖然液體容易分散，但易產生乳化現象，使兩相較難分離，因之，界面張力要適中。常用物系的界面張力數值可從有關文獻查取。

溶劑的粘度對分離效果也有重要影響。溶劑的粘度低，有利于兩相的混合與分層，也有利于流動與傳質，故當萃取劑的粘度較大時，往往加入其它溶劑以降低其粘度。

此外，選擇萃取劑時，還應考慮其它因素，如萃取劑應具有化學穩定性和熱穩定性，對設備的腐蝕性要小，來源充分，價格較低廉，不易燃易爆等。

通常，很難找到能同時滿足上述所有要求的萃取劑，這就需要根據實際情況加以權衡，以保證滿足主要要求。