Экстракция

Экстракционный метод используется для очистки сточных вод от вредных и токсичных веществ органической природы (например, фенолы, масла, органические кислоты) или для селективного извлечения ценных неорганических примесей (например, металлов) из технологических растворов и жидких отходов.

Экстракция основана на распределении извлекаемого компонента в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей в соответствии с eгo растворимостью в них. После распределения устанавливается равновесие, которое характеризуется законом равновесного распределения, выражаемым через коэффициент распределения Кр:

Кр == Сэ/Св ,где С э и СВ - концентрация компонента в экстрагенте и в воде, соответственно.

При удачном выборе экстрагента концентрация в нем извлекаемoгo компонента может значительно превышать eгo исходную концентрацию в воде. Сконцентрированный компонент затем отдeляют от экстрагента, и он может быть утилизирован или использован как товарный продукт. Экстрагент после соответствующей очистки также может быть повторно использован.

Экстракционный метод целесообразен для применения, когда стоимость извлеченного компонента превышает затраты на экстрагирование, или если все другие методы неприменимы. То есть, peнтабельность экстракции в сравнении, например, с конкурирующим методом ионного обмена, будет определяться различными технологическими соображениями, стоимостью и доступностью экстрагента, величиной eгo потерь и ценностью выделенных веществ.

Но, есть другая основная гpаница рентабельности метода экстракции - концентрационная. Опыт и расчеты показывают, что большинство продуктов, концентрация которых превышает 4 г/л, рациональнее извлекать экстракцией. При исходной концентрации компонента в воде менее 1 г/ л экстракция практически неприменима.

Коэффициент распределения зависит от следующих факторов:

• температура (с ее изменением изменяются растворимость компонента и взаимная растворимость водной и органической фаз);
• концентрация компонента и eгo состава;
• концентрация примесей в воде и в экстрагенте (влияют на ceлективность экстрагента);
• возможность дополнительного взаимодействия компонента с экстрагентом;
• кислотность раствора.

Основные требования к экстрагенту:

• высокий коэффициент распределения (хорошая экстрагирующая способность);
• высокая селективность;
• малая растворимость в воде;
• значительная разница между плотностью эстрагента и воды (с целью последующего их разделения);
• температура кипения, отличающаяся от температуры кипения компонента;
• невозможность взаимодействия с извлекаемым компонентом и аппаратурой;
• малая теплота испарения и малая теплоемкость (для снижения расхода пара и охлаждающей воды);
• малая oгнe- и взрывоопасность и токсичность;
• невысокая стоимость.

Если в сточной воде содержатся несколько примесей, то лучше извлекать экстракцией сначала один из компонентов, а затем другой. Экстрагенты для разных компонентов мoгyт быть различные. Технология экстракционной очистки включает три основных процесса, от простоты и экономичности которых зависит целесообразность метода:

• смешение сточной воды с экстрагентом в условиях максимального развития поверхности соприкосновения;
• возможно более быстрое разделение жидкостей после экстракции;
• удаление и регенерация экcгpагента из водной и органической фаз.

Необходимость регенерации экстрагента из экстракта связана с тем, что в большинстве случаев eгo необходимо вернуть в процесс для повторного использования. Извлекать eгo можно отгонкой в виде азеотропной смеси с водой, двухстадийной ректификацией под давлением и под вакуумом, выпариванием, химическим взаимодействием и т.д. Можно из экстракта извлекать и растворенный компонент, например, переводом eгo в ионизированную форму, осаждением или реэкстракцией.

Часть экстрагента неизбежно растворяется в очищенной воде, становясь как бы новым ее загpязнителем. Поэтому экстрагент надо удалять и из рафината или очищенной воды. Это также необходимо делать и для сокращения потерь растворителя. Экстрагент обычно регенерируют отгонкой в виде азеотропной смеси с водой в насадочных колоннах. Растворители с большим давлением паров Moгyт

быть регенерированы отдувкой воздухом или другими газами. Используется также метод реэкстракции более дешевым и легко отделяющимся растворителем.

Методы экстракции по схемам контакта сточной воды с экстpaгентoм подразделяются на ступенчатопротивоточные и непрерывнопротивоточные. При ступенчатопроточному варианту на каждой стадии экстракт последующей ступени смешивается с водной фазой предыдущей ступени. Каждая ступень или стадия включает в себя устройство для перемешивания фаз и отстойник для их гpавитационного разделени. При непрерывнопротивоточной организации процесса вода и экстрагент движутся навстречу друг другy в одном аппарате, а разделение фаз осуществляется на входе и выходе из колонны.

Колонны непрерывного действия обычно большие по высоте, так как она эквивалентна количеству ступеней экстракции. В этом способе обычно используются колонны распылительные, насадочные, тарельчатые или колонны пульсирующего действия. Выбор ти па колонны обычно связан с необходимым числом ступеней экстракции и допустимыми энергетическими затратами.

Жидкостная экстракция достаточно эффективно используется для извлечения металлов из сточных вод. Этот процесс проводят катионообменной экстракцией, анионообменной или координационной. Извлекаемые металлы переходят из водной в органическую фазу, а затем в результате реэкстракции

из органической фазы в водный раствор. При этом достигается очистка сточных вод и концентрирование металла для eгo последующей рекуперации. В качестве экстрагентов обычно используются различные органические кислоты, эфиры, спирты, кетоны, амины, соли четвертичного аммониевогo основания и другие. Реэкстрагентами чаще являются растворы кислот и оснований.

К преимуществам процессов экстракции можно отнести очень высокую кинетику процесса, возможность применения при больших исходных концентрациях извлекаемого компонента. Огpаничивает же использование этого метода достаточно высокая стоимость opгaнических экстрагентов, возможность загpязнения ими уже очищенных сточных вод и неэффективность при малых концентрациях вeщества.