Extracción líquido – líquido

Extracción líquido – líquido (LLE) consiste en transferir una (o más) solute(s) contenida en una solución de alimentación a otro inmiscibles en () líquidosolvente). El solvente que se enriquece en solute(s) se llama extracto. La solución de alimentación que se gaste en solute(s) se llama refinado.

Extracción por solvente.

Extracción líquido – líquido, también conocida como extracción por solvente y partición, es un método para separar compuestos basados en su relativa solubilidad en dos diferentes líquidos inmiscibles, generalmente agua y un disolvente orgánico. Es una extracción de una sustancia de un líquido en otra fase líquida. La extracción líquido – líquido es una técnica básica en laboratorios químicos, donde se lleva a cabo usando una variedad de aparatos, de Embudos Separatory Para distribución a contracorriente equipo. Este tipo de proceso se realiza con frecuencia después de una reacción química como parte de la el work-up.

El término partición se utiliza comúnmente para referirse a los procesos físicos y químicos subyacentes implicados en extracción líquido – líquido, pero en otra lectura puede ser totalmente sinónimo con él. El término extracción por solvente también puede referirse a la separación de una sustancia de una mezcla mediante la disolución preferencial de esa sustancia en un solvente adecuado. En ese caso, se separa un compuesto soluble de un compuesto insoluble o una matriz compleja.

Extracción por solventes se utiliza en reprocesamiento nuclear, el procesamiento, la producción de finos de minerales compuestos orgánicos, el proceso de perfumes, la producción de aceites vegetales y biodiésely otras industrias.

La extracción líquido – líquido es posible en sistemas no acuosos: en un sistema formado por un metal fundido en contacto con sales fundidas, metales se pueden extraer de una fase a otra. Esto está relacionado con un mercurio electrodo de donde se puede reducir un metal, el metal a menudo entonces se disuelve en el mercurio para formar una amalgama modifica grandemente su electroquímica. Por ejemplo, es posible que sodio cationes reducirse en un mercury cátodo para formar amalgama del sodio, mientras que en un electrodo inerte (como el platino) los cationes de sodio no se reducen. En cambio, el agua se reduce a hidrógeno. A detergente o multa sólido se puede utilizar para estabilizar un emulsión, o tercera fase.

Medidas de eficacia

Cociente de distribución

En extracción por solvente, una proporción de distribución es a menudo citada como una medida de cómo bien extraído es una especie. El cociente () distribuciónD) es igual a la concentración de una soluto en la fase orgánica dividida por su concentración en la fase acuosa. Dependiendo del sistema, el cociente de distribución puede ser una función de la temperatura, la concentración de especies químicas en el sistema y un gran número de otros parámetros. Tenga en cuenta que D se relaciona con la ΔG el proceso de extracción.

A veces, la relación de distribución se conoce como la coeficiente de partición, que a menudo se expresa como el logaritmo. Tenga en cuenta que una relación de distribución de uranio y Neptunio entre dos sólidos inorgánicos (zirconolite y perovskita) se ha divulgado. En extracción por solvente, dos líquidos inmiscibles se agitan juntos. La más polar solutos se disuelven preferentemente en el disolvente más polar y los menos polar de solutos en el solvente menos polar. En este experimento, los halógenos no polares disuelven preferentemente en el aceite mineral no polar.

Factores de separación

El factor de separación es una relación de distribución dividida por otra; es una medida de la capacidad del sistema para separar dos solutos. Por ejemplo, si la relación de distribución de níquel (D_Ni) es 10 y la relación de distribución de plata (D_Ag) es 100, entonces el factor de separación del plata/níquel (SF_AG/Ni) es igual a D_Ag/D_Ni = SF_AG/Ni = 10.

Factor de descontaminación

Esto se utiliza para expresar la capacidad de un proceso para eliminar una contaminantes de un producto. Por ejemplo, si un proceso se alimenta con una mezcla de 1:9 cadmio Para indioy el producto es una mezcla de material de cadmio y el indio, entonces el factor de descontaminación (para la remoción de cadmio) del proceso de 0,11 / 0.01 = 11.

Pendientes de los gráficos

La manera fácil de trabajar el mecanismo de extracción es dibujar gráficas y medir las pendientes. Si fuera por un sistema de extracción de la D valor es proporcional al cuadrado de la concentración de un reactivo (Z) entonces la pendiente de la gráfica de log₁₀(D) contra el registro₁₀([[Z]]) serán dos.

Técnicas de

Solo lotes de la etapa extracciones

Esto se usa comúnmente en la pequeña escala en laboratorios químicos. Es normal que se utilice un embudo de separación. Por ejemplo, si fuera un químico extraer Anisole desde un mezcla de agua y el 5% ácido acético utilizando éter, entonces el anisole entrará en la fase orgánica. Luego se separarían las dos fases.

El ácido acético puede entonces ser fregado (eliminado) de la fase orgánica agitando el extracto orgánico con bicarbonato de sodio. El ácido acético reacciona con el bicarbonato de sodio para formar acetato de sodio, dióxido de carbonoy el agua.

Procesos continuos contracorriente graduales

Coflore extractor contracorriente continua.

Estos son comúnmente utilizados en industria para el procesamiento de metales tales como la lantánidos; porque los factores de separación entre los lantánidos son tan pequeños se necesitan muchas etapas de extracción. En los procesos de varias etapas, el acuosos refinado de desde la extracción de una unidad se alimenta a la unidad siguiente como la alimentación acuosa, mientras que la fase orgánica se mueve en la dirección opuesta. Por lo tanto, de esta manera, aunque la separación entre dos metales en cada etapa es pequeña, el sistema en general puede tener un mayor factor de descontaminación.

Multietapas a contracorriente arreglos de discos se han utilizado para la separación de lantánidos. Para el diseño de un buen proceso, el cociente de distribución no debería ser demasiado elevado (> 100) o muy baja (< 0.1) en la porción del proceso de extracción. A menudo es el caso de que el proceso tendrá una sección para fregar con metales no deseados de la fase orgánica y finalmente un stripping sección para obtener el metal detrás de la fase orgánica.

Mezcladores-sedimentadores

Batería de Mezcladores-sedimentadores contador actualmente interconectado. Cada colono mezclador proporciona una sola etapa de extracción. Un colono mezclador consiste en una primera etapa que mezcla las fases juntos seguidas por una etapa de asentamiento quieta que permite que las fases a separar por gravedad.

En el proceso de múltiples etapas a contracorriente, se instalan varios colonos de mezclador con la mezcla y colocar cámaras en alternar extremos para cada etapa (desde la salida de las secciones colocar alimentan las entradas de las secciones de mezcla de la fase adyacente). Mezcladores-sedimentadores son utilizados cuando un proceso requiere tiempos de residencia más largos y las soluciones son fácilmente separadas por gravedad. Requieren un espacio de grandes instalaciones, pero no requiere mucho espacio y necesitan mantenimiento remoto limitado capacidad para reemplazo ocasional de los motores de mezcla. (Colven, 1956; Davidson, 1957)

batería de 4 fases de Mezcladores-sedimentadores para extracción contracorriente.

Extractores centrífugos

Extractores centrífugos mezclar y separar en una unidad. Dos líquidos se mezclarán intensivo entre el rotor giratorio y estacionario vivienda a velocidades de hasta 6000 RPM. Esto desarrolla grandes superficies para una transferencia de masa ideal de la fase acuosa en la fase orgánica. 200 – 2000 g, ambas fases se separarán fácilmente otra vez. Extractores centrífugos minimizan el disolvente en el proceso, optimización la carga de producto en el solvente y extracción la fase acuosa totalmente. El contador actual y la cruzadas extracciones actuales se establecen fácilmente.

Extracción sin cambio químico

Algunos solutos como gases nobles se puede extraer de una fase a otra sin necesidad de una reacción química (véase absorción). Este es el tipo más simple de extracción por solvente. Cuando se extrae un solvente, se agitan juntos dos líquidos inmiscibles. Los solutos más polares se disuelven preferentemente en el disolvente más polar y los menos polar de solutos en el solvente menos polar. Algunos solutos que no a primera vista parecen experimentar una reacción durante el proceso de extracción no tiene relación de distribución que es independiente de la concentración. Un ejemplo clásico es la extracción de ácidos carboxílicos (HA) en medios no polares tales como benceno. Aquí, a menudo es el caso de que el ácido carboxílico formará un dimer en la capa orgánica por lo que el cociente de distribución cambiará en función de la concentración del ácido (medida en cada fase).

Para este caso, la constante de extracción k es descrito por k = [[HA_orgánica]]²/[[HA_acuoso]]

Mecanismo de solvatación

Mediante extracción por solventes es posible extraer uranio, plutonio, o torio de soluciones ácidas. Es un solvente usado para este propósito el fosfato orgánico fosfato de tributilo (PDD). El PUREX proceso que se utiliza comúnmente en reprocesamiento nuclear utiliza una mezcla de fosfato de tri-n-butilo y un inerte hidrocarburos (queroseno), la uranium(VI) se extraen de ácido nítrico fuerte y son extraídos de detrás (despojado) usando ácido nítrico débil. Un uranio soluble orgánico complejo [UO₂(TBP)₂(NO₃)₂] se forma, entonces la capa orgánica teniendo el uranio está traída en contacto con un diluir solución de ácido nítrico; el equilibrio se desplaza de uranio soluble orgánica compleja y hacia la TBP libre y nitrato de uranilo en ácido nítrico diluido. La plutonium(IV) forma un complejo similar a la uranium(VI), pero es posible desnudar el plutonio en más de una vez; un agente de reducción convierte el plutonio para la trivalente Estado de oxidación se pueden agregar. Este estado de oxidación no forma un establo complejo con TBP y nitrato de a menos que la concentración de nitrato es muy alta (alrededor de 10 mol/L nitrato es necesaria en la fase acuosa). Otro método es simplemente usar ácido nítrico diluido como agente de extracción para el plutonio. Esta química PUREX es un ejemplo clásico de un solvatación extracción.

Aquí, en este caso D_U = k TBP²[[NO₃]]²

Mecanismo de intercambio iónico

Otro mecanismo de extracción es conocida como la intercambio de iones mecanismo. Aquí, cuando un ion se transfiere de la fase acuosa a la fase orgánica, otro ion se transfiere en la dirección opuesta para mantener el equilibrio de carga. Este ión adicional es a menudo un ion de hidrógeno; mecanismos de intercambio de iones, el coeficiente de distribución es a menudo una función de pH. Un ejemplo de un intercambio iónico extracción sería la extracción de americio por una combinación de terpyridine y un ácido carboxílico en terc-butilo benceno. En este caso

D_Am = k terpyridine¹ácido carboxílico³H+⁻³

Otro ejemplo es la extracción de cinc, cadmio, o plomo por una diAlquilo ácido phosphinic (R₂PO₂H) en una no polar diluyente tales como una alcano. Una no-polar diluyente favorece la formación de descargadas no polar metal complejos.

Algunos sistemas de extracción son capaces de extraer metales por la solvatación y mecanismos de intercambio iónico; un ejemplo de tal sistema es el americio (y serie de los lantánidos) la extracción de ácido nítrico por una combinación de 6.6'-bis-(5,6-dipentilo-1,2,4 - triazin-3-yl)-2, 2'-bipyridine y 2-bromoácido hexanoico en terc-butilo benceno. En ambas concentraciones de ácido alta y baja-nítrico, la proporción de distribución metal es mayor que para una concentración de ácido nítrico intermedio.

Extracción de par de iones

Es posible por elección cuidadosa del contra-ión para extraer un metal. Por ejemplo, si el nitrato de concentración es alta, es posible extraer americio como un aniónicos complejo nitrato si la mezcla contiene un lipofílicas sal de amonio cuaternario.

Un ejemplo que es más probable ser encontrado por el 'promedio' químico es el uso de un catalizador de transferencia de fase. Se trata de una especie cargada que transfiere a otro ion a la fase orgánica. El ion reacciona y luego forma otro ion, que luego se transfiere a la fase acuosa.

Por ejemplo, el 31,1 kJ mol⁻¹ es necesaria para transferir un acetato de anión en nitrobenceno, mientras que la energía requerida para transferir un anión cloruro de una fase acuosa a nitrobenceno es 43,8 kJ mol⁻¹. Por lo tanto, si la fase acuosa en una reacción es una solución de acetato de sodio mientras que la fase orgánica es una solución de nitrobenceno de cloruro de bencilo, entonces, cuando un catalizador de transferencia de fase, los aniones acetato pueden transferirse de la capa acuosa que reaccionan con el bencilo cloruro de para formar acetato de bencilo y un anión cloruro. El anión cloruro se transfiere a la fase acuosa. Las energías de la transferencia de los aniones contribuyen a de la reacción.

Un 43.8 a 31,1 kJ mol⁻¹ = 12,7 kJ mol⁻¹ de energía adicional se da por la reacción en comparación con energía si la reacción se ha hecho en Nitrobenceno utilizando una peso equivalente de una tetraalkylammonium acetato.

Extracción de dos fases acuosa

Extracción de dos fases acuosa, también conocido como dos fases extracción líquida, es una forma única de extracción por solvente. En una extracción de dos fases acuosa, los compuestos todavía están separados en base a su solubilidad, pero las dos fases inmiscibles están a base de agua, un sistema bifásico acuoso.

Extracción de dos fases acuosas puede tener un número de ventajas sobre los tradicionales de extracción por solvente. Solventes son a menudo destructivos a las proteínas, imposibilitando la extracción tradicional de purificación de proteínas. Además, los solventes orgánicos pueden ser inflamables, y su uso puede causar tanto ambiental y problemas de salud. Fase acuosa y dos extracciones no requieren solventes y así evitar estos problemas.

Tipos de extracciones de dos fases acuosas

Sistemas de polímero, polímero. En un sistema de polímero, polímero, ambas fases se generan por un polímero disuelto. La fase pesada generalmente será Glicol de polietileno (PEG), y la fase ligera es generalmente un polisacárido. Tradicionalmente, el polímero utilizado es dextrano. Sin embargo, dextrano es relativamente caro e investigación ha explorado utilizando polisacáridos menos costosos para generar la fase de la luz. Si el compuesto objetivo estando separado es una proteína o enzima, es posible incorporar un ligando el destino de una de las fases del polímero. Esto mejora la afinidad del target para esa fase y mejora su capacidad de partición de una fase en la otra. Esto, así como la ausencia de solventes u otros agentes de desnaturalización, hace extracciones de polímero, polímero una opción atractiva para purificar proteínas. Las dos fases de un sistema de polímero, polímero a menudo tienen densidades muy similares y muy baja tensión superficial entre ellas. Debido a esto, demixing un sistema de polímero, polímero suele ser mucho más difícil que demixing una extracción por solvente. Métodos para mejorar la demixing incluyen centrifugacióny la aplicación de un campo eléctrico.

Sistemas de polímero – sal. Sistemas bifásicos acuosos también pueden generarse introduciendo una alta concentración de sal en una solución de polímero. La fase de polímero es generalmente todavía PEG. Por lo general, un kosmotropic sal, tales como Na₃PO₄ se utiliza, sin embargo se han documentado sistemas PEG – NaCl cuando la concentración de sal es bastante alta. Desde sistemas de polímero – sal desmezclar fácilmente son fáciles de usar. Sin embargo, en altas concentraciones de sal, proteínas generalmente desnaturalizar o precipitan de la solución. Así, los sistemas polímero-sal no son tan útiles para purificar proteínas.

Sistemas de líquidos iónicos. Líquidos iónicos son compuestos iónicos con puntos de fusión bajos. Aunque no son técnicamente acuosas, investigaciones recientes ha experimentado con el uso de una extracción que no utiliza solventes orgánicos.

Aplicaciones

• Purificación de DNA: la capacidad de purificar el ADN de una muestra es importante para muchos procesos de la biotecnología moderna. Sin embargo, las muestras contienen a menudo las nucleasas que degradan el ADN diana antes de que puede ser purificado. Se ha demostrado que de fragmentos de ADN serán la partición en la fase de la luz de un sistema de separación de polímero – sal. Si se incorporan ligandos conocidos para enlazar y desactivar las nucleasas en la fase de polímero, las nucleasas se luego la partición en la fase pesada y desactivado. Así, este sistema de polímero – la sal es una herramienta útil para purificar el ADN de una muestra mientras que al mismo tiempo protegiéndolo de las nucleasas.

• Industria alimentaria: PEG – NaCl el sistema ha demostrado ser eficaz en la partición de moléculas pequeñas, como péptidos y ácidos nucleicos. Estos compuestos son a menudo aromatizantes o aceites. El sistema podría utilizarse entonces en la industria alimentaria para aislar o eliminar sabores particulares.

• Química analítica: a menudo hay especies químicas presentes o necesarias en una etapa de procesamiento de las muestras que interfiera en el análisis. Por ejemplo, un monitoreo del aire se realiza dibujando el aire a través de un pequeño tubo de vidrio llenado con partículas de adsorbente que han sido revestidas con un producto químico para estabilizar o derivatize el analito de interés. La capa puede ser de una concentración o características que sería dañar la instrumentación o interferir con el análisis. Si la muestra se puede extraer de la absorbente usando un solvente no polar (como tolueno o disulfuro de carbono), y la capa es polar (como HBr o ácido fosfórico) será particionar la capa disuelta en la fase acuosa. Claramente lo contrario es verdad también, usando solvente de extracción polar y un solvente no polar para particionar un interferente no polar. Un pequeño aliquat de la fase orgánica (o en este último caso, (fase polar) se puede inyectar luego en el instrumento para el análisis.

• Purificación de aminas: Aminas (análogamente a amoniaco) tiene un par solitario de electrones en el átomo de nitrógeno que puede para un enlace relativamente débil a un átomo de hidrógeno. Por lo tanto, es el caso que en las aminas condiciones ácidas suelen ser protonada, llevando una carga positiva y bajo condiciones básicas suelen ser deprotonated y neutral. Aminas de suficientemente bajo peso molecular son bastante polares y pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua y por lo tanto se disuelven fácilmente en soluciones acuosas. Deprotonated aminas por el contrario, son neutrales y han grasa, sustituyentes orgánicos no polares, y por lo tanto tienen mayor afinidad para los solventes no polares inorgánicos. Como pasos de purificación pueden ser llevadas a cabo en una solución acuosa de una amina es neutralizada con una base como hidróxido de sodio y luego sacudidos en una embudo de Separatory con un solvente no polar es inmiscible con agua. La fase orgánica es drenada. Posterior tratamiento puede recuperar la amina por técnicas como recristalización, evaporación o destilación; posterior extracción a una fase polar puede realizarse por adición de ácido clorhídrico y agitando otra vez en un embudo de separatory (momento en el que el ion amonio se podría recuperar mediante la adición de un contra-ión insoluble), o en cualquier fase, reacciones podrían realizarse como parte de una síntesis química.

Cinética de extracción

Es importante investigar la tasa a la cual el soluto se transfiere entre las dos fases, en algunos casos por una alteración del tiempo de contacto es posible modificar la selectividad de la extracción. Por ejemplo, la extracción de Paladio o níquel puede ser muy lento porque la tasa de intercambio de ligando en estos centros de metal es mucho menor que las tarifas para el hierro o plata complejos.

Agentes secuestrantes acuosa

Si un agente secuestrante está presente en la fase acuosa se puede reducir el cociente de distribución. Por ejemplo, en el caso de yodo están distribuidos entre el agua y un disolvente orgánico inerte, como tetracloruro de carbono entonces la presencia de yoduro de en la fase acuosa puede alterar la química de la extracción.

En lugar de $D_{\mathrm{I}^{+2}}$ siendo una constante se convierte en $D_{\mathrm{I}^{+2}}$ = k[[I₂._Orgánica]]/[I₂._Acuoso] [[I⁻._Acuoso]]

Esto es porque el yodo reacciona con el yoduro de a la forma I₃⁻. El₃⁻ anión es un ejemplo de un polyhalide anión es bastante común.

Diseño de procesos industriales

En un escenario típico, un proceso industrial utiliza un paso de extracción de solutos que se transfieren de la fase acuosa a la fase orgánica; Esto a menudo es seguida por una etapa de depuración en el que se eliminan solutos indeseados de la fase orgánica, luego una etapa de stripping en que los solutos deseados son removidos de la fase orgánica. La fase orgánica se puede tratar entonces para que quede listo para usar nuevamente.

Después de su uso, la fase orgánica puede ser sometida a un paso de limpieza para eliminar los productos de degradación; por ejemplo, en las plantas PUREX, la fase orgánica usada se lava con carbonato de sodio solución para eliminar hidrógeno ftalato de dibutilo fosfato o fosfato de biácido del butilo que puede estar presente.

Equipo

Separación de fases en una escala de laboratorio LLE. La solución de éter orgánico superior de la MTBE se se extrae con el más bajo alcalino acuoso solución de bicarbonato de sodio para eliminar ácido benzoico como el benzoato de anión, dejando a ácidos orgánicos, bencilo, (color amarillo) en la fase orgánica.

Mientras que la extracción por solvente se realiza en pequeña escala por los químicos de laboratorio sintético utilizando un embudo de Separatory, Aparato de Craig o técnicas basadas en la membrana, normalmente se realiza a escala industrial utilizando máquinas que traen las dos fases líquidas en contacto unos con otros. Estas máquinas incluyen Contactores centrífugos, Extracción de capa delgada, columnas de pulverización, columnas pulsadas, y Mezcladores-sedimentadores.

Extracción de metales

Los métodos de extracción para una amplia gama de metales incluyen:

• Cobalto – la extracción de cobalto de ácido clorhídrico uso de alamine 336 en meta-xileno. Cobalto se puede extraer utilizando Cyanex 272 {}bis-(2,4,4-trimethylpentyl) ácido phosphinic}.

• Cobre – cobre puede extraerse usando hidroxioximas como solventes de extracción, un papel reciente describe un solvente de extracción que tiene una buena selectividad de cobre sobre cobalto y níquel.

• Neodimio – esta tierra rara es extraído de di (2-etilhexil) ácido fosfórico en hexano por un mecanismo de intercambio iónico.

• – Níquel puede ser extraído utilizando di (2-etilhexil) ácido fosfórico y fosfato de tributilo en un hidrocarburo diluyente (Shellsol).

• Paladio y platino – sulfuros thioureas, tributil fosfato y alquil aminas se han utilizado para la extracción de estos metales.

• Cinc y el cadmio, el zinc y el cadmio son extraídos por un proceso de intercambio iónico, la N, N, N′, N′-tetrakis (2-pyridylmethyl) etilendiamina (TPEN) actúa como un agente de enmascaramiento para el zinc y un solvente de extracción para el cadmio. En el proceso modificado de Zincex, zinc se separa iones divalentes más por extracción con disolvente. D2EHPA (Di (2) etil hexil fosfórico ácido) se utiliza para esto. Un ion de zinc sustituye el protón de dos moléculas de D2EHPA. Para el zinc de la D2EHPA, se utiliza ácido sulfúrico, a una concentración superior a 170g/l (típicamente 240-265g/l).

Lectura adicional

• B.L. Karger, 2014, "separación y purificación: una etapa versus procesos graduales" y "Separación y purificación: separaciones basadas en equilibrio", Encyclopædia Britannica, ver [1] y [2], visitado el 12 de mayo de 2014.
• GUNT Hamburg, 2014, "ingeniería de procesos térmicos: extracción líquido-líquido y extracción sólido-líquido", ver [3], visitado el 12 de mayo de 2014.
• G.W. Stevens, T.C., Lo y M. H. I. Baird, 2007, "Extracción líquido-líquido", en Enciclopedia de Kirk-Othmer de tecnología química, DOI: 10.1002/0471238961.120917211215.a01.pub2, ver [4], visitado el 12 de mayo de 2014.
• Colin Poole & Michael Cooke, 2000, "Extracción", en Enciclopedia de las Ciencias de separación, 10 vols.., ISBN 9780122267703, ver [5], visitado el 12 de mayo de 2014.

• Sikdar, Cole, et al. extracciones de dos fases acuosas en Bioseparations: una evaluación. Biotecnología 9:254. 1991
• Lo, Giuliano. Bajo costo acuosa dos fase sistema para la extracción de la enzima. 2:4:277 de técnicas de biotecnología. 1988
• Dreyer, Kragl. Líquidos iónicos para la extracción de dos fases acuosa y estabilización de enzimas. Biotecnología y Bioingeniería. 99:6:1416. 2008
• Boland. Sistemas bifásicos acuosos: Métodos y protocolos. PG 259-269
• https://ull.Chemistry.uakron.edu/chemsep/Extraction/

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