استخراج

استخراج از فاز جامد و مایع

مقدمه:

در عمليات استخراج مايع- مايع هدف جداسازي اجزاء يك خوراك است كه ممكن است شامل دو يا چند جزء باشد. در اين عمليات خوراك با يك جريان مايع ديگر كه به حلال معروف است تماس پيدا مي¬كند. كه يك يا چند جزء از خوراك به ميزان خيلي كم در حلال حل شده (يا ممكن است اصلاً حل نشوند) و يك يا چند جزء ديگر كاملاً يا به طور نسبي در حلال حل مي-شوند و اين توزيع اجزاء خوراك اوليه بين دو فاز مايع مجزا، باعث جداسازي نسبي اجزاء خواهد گردید. طبق نظر دری و ویلیامز ، عمليات استخراج مايع- مايع حداقل از زمان روميان براي جداسازي طلا و نقره از مس مذاب مورد استفاده قرار گرفته و بعدها از سولفور به جهت انتخاب¬پذيري آن استفاده شده است. استفاده از اين روش ارزشمند از سال 1930 در مقياس صنعتي گسترش يافت و براي جداسازي آروماتيك و تركيبات گوگردي از نفت سفيد از حلال دي¬اكسيد گوگرد استفاده شد زیرا جداسازي آروماتيك از نفت سفيد باعث بهتر سوختن آن خواهد شد. استفاده از اين روش در سال¬هاي اخير به دليل تقاضا براي مواد حساس به دما، خلوص بالا، تجهيزات با راندمان بالا و در دسترس بودن حلال¬هاي جديد با قدرت انتخاب¬پذيري بالا، افزايش يافته است. عمليات استخراج مايع- مايع علاوه بر موارد ذكر شده در صنعت بيوشيمي براي جداسازي پروتئين¬ها و آنتي¬بيوتيك¬ها و خالص¬سازي آنها، در صنعت فلزات براي جداسازي مس از محلول مذاب آن، در صنايع شيميايي براي جداسازي موادي كه نقطه جوش بالايي دارند مانند اسيد سولفوريك و اسيد باريك از محلول¬هاي رقيق مورد استفاده قرار مي¬گيرد.

انتخاب حلال:

اولين مرحله در استخراج مایع- مایع، پيدا كردن حلال مناسب است. حلال ایده¬آل باید دارای شرایط زیر باشد: 1- انتخاب¬پذیری جزء حل شونده نسبت به جزء حمل شونده توسط حلال باید بیشترین مقدار را داشته باشد. در صورتی که انتخاب¬پذیری بالا باشد هزینه بازیابی جزء حمل شونده از حلال کاهش خواهد یافت. 2- ظرفیت حل کنندگی جزء سبک در حلال بالا باشد تا بتوان نسبت حلال به خوراک را کاهش داد و حلال کمتری در فرآیند استخراج مایع- مایع مورد استفاده قرار گیرد. 3- حلال کمترین حل شوندگی را در جزء حمل شونده داشته باشد. 4- ضریب فراریت بین جزء حل شونده و حلال در حد مناسبی باشد که بتوان این دو جزء را توسط فرآیند تقطیر از یکدیگر جدا نمود. فشار بخار حلال نباید زیاد باشد زیرا باعث افزایش فشار استخراج کننده شده و از طرفی نباید فشار بخار حلال آنقدر کم باشد که باعث بالا رفتن دما در جوش¬آور برج تقطیر بازیابی حلال شود. 5- حلال باید از لحاظ شیمیایی پایدار باشد تا میزان تزریقی جبرانی به سیستم کاهش یابد. 6- حلال نباید تاثیر منفی از قبیل خوردگی روی تجهیزات داشته باشد. 7- برای کاهش افت فشار و افزایش انتقال جرم باید ویسکوزیته حلال پایین باشد. 8- جهت ایمنی اپراتور نباید حلال سمی و اشتعال¬پذیر باشد. 9- حلال ارزان و در دسترس باشد. 10- جهت تماس و جداسازی مناسب دو فاز باید کشش سطحی در حد متوسط باشد. 11- هر چه اختلاف دانسیته حلال و جزء حمل شونده بیشتر باشد، ظرفیت استخراج کننده نیز بیشتر خواهد بود.

تجهيزات:

در زمينه استخراج مايع- مايع تجهيزات متنوعي وجود دارد كه برخي از اين دستگاه¬ها براي جذب ، دفع و تقطير نيز كاربرد داشته اما راندمان خیلی بالايي ندارند مگر در حالتی که ويسكوزيته مايع كم و اختلاف دانسيته دو فاز مايع زياد باشد. براي زمانيكه ويسكوزيته زياد و اختلاف دانسيته¬ها كم باشد استفاده از همزن مكانيكي توصيه مي¬شود. تعداد مراحل تئوري بدون در نظر گرفتن نوع دستگاه محاسبه مي¬شود. اما ابعاد دستگاه براي سيستم پيوسته و غير همسو با استفاده از روش تجربي داده¬هاي انتقال جرم مربوط به همان دستگاه¬ها مشخص مي¬شود. در استخراج مايع- مایع علاوه بر روش ذکر شده، پارامتر ديگري تحت عنوان ارتفاع معادل یک مرحله تعادلی جهت تعيين طول دستگاه به کار برده می¬شود.

برج آکنده:

برج¬هاي پر شده نيز براي استخراج مايع- مايع بكار مي¬روند. اختلاط محوري در برج¬هاي پاششي كم است و مي¬توان توسط برج¬هاي پر شده آن را كم¬تر كرد اما نمي¬توان آن را توسط اين روش حذف نمود. به ازای طول مشخصی از برج از یک توزیع کننده مجدد استفاده می¬شود. به طور کلی آكنه¬ها ميزان انتقال جرم را افزايش مي¬دهند چون آكنه¬ها باعث شكسته شدن قطرات بزرگ به قطرات كوچكتر مي¬شوند و با تغيير شكل قطرات باعث اختلاط در خود قطره مي¬شوند و توزيع در آن را از بين مي¬برند (مقاومت انتقال جرم داخل قطرات را از بين مي¬برند) و با اين عمل اختلاف غلظت بين داخل قطره و خارج قطره افزايش مي¬يابد و انتقال جرم بيشتر مي¬شود. بجز حلقه¬هاي راشينگ، همه آكنه¬هايي كه در تقطير و جذب گاز استفاده مي¬شوند در عمليات استخراج مايع- مايع نيز ميتوانند مورد استفاده قرار گيرند.

برج سيني¬دار:

برج سيني¬دار نيز براي استخراج مايع- مايع بكار مي¬رود. شمایی از یک برج سینی¬دار با سینی مشبک که در فرآیند استخراج مایع- مایع استفاده می¬شود. در برج سینی¬دار نیز هر کدام از فازها می¬توانند به صورت توزیع شده باشند و فاز دیگر، فاز پیوسته خواهد بود.

سيستم يك مرحله¬اي و سيستم¬هاي متقاطع:

سيستم¬هاي يك مرحله¬اي توسط قوانيني كه ارائه شد به راحتي قابل حل مي¬باشند. سيستم يك مرحله¬اي ممكن است به صورت جريان پيوسته يا به صورت ناپيوسته باشند. يك سيستم ناپيوسته استخراج مايع- مايع شامل يك مخزن است كه به همزن مجهز شده است كه خوراك و حلال به آن تزريق مي¬شوند و پس از تزريق، توسط همزن مخلوط مي¬شوند. سپس زمان لازم به آنها داده مي¬شود تا به دو فاز تبديل شوند و در نهايت محصولات خارج مي¬شوند. اما در سيستم با جريان پيوسته، دستگاه استخراج مايع- مايع شامل يك همزن و يك ته¬نشين كننده مي¬باشد كه خوراك و حلال به طور پيوسته به همزن تزريق مي¬شوند و محصولات نيز به طور پيوسته از ته¬نشين كننده خارج مي¬شوند.

خطوط تعادل:

خطوط تعادلي كه در دياگرام¬هاي سه¬تايي وجود دارند با استفاده از آزمايش به دست آمدهاند و تعداد نقاط این آزمایش¬ها محدود می¬باشند. گاهي اوقات لازم است كه بين خطوط تعادلي ميان¬يابي كنيم. براي اين منظور از روش ميان¬يابي استفاده ميكنيم.

حداقل و حداکثر نسبت دبي حلال به خوراك:

تعداد مراحل تئوري را زماني مي¬توان محاسبه كرد كه مقدار حلال بيشتر از مقدار مينيمم آن و كمتر از مقدار ماكزيمم باشد. مينيمم حلال، مقدار جرياني از حلال است كه براي جداسازي به بينهايت مرحله تئوري نياز داشته باشد. ماكزيمم مقدار حلال، مقدار جرياني از حلال است كه مي¬توان به خوراك اضافه كرد تا به صورت دو فاز باقي بماند و بعد از آن اگر حلال اضافه كنيم محلول از حالت دو فاز به حالت يك فاز تغيير خواهد كرد. هر دو حالت اخير باعث بروز مشكلاتي خواهد شد. اگر از مينيمم مقدار حلال استفاده كنيم تعداد مراحل تئوري براي جداسازي بينهايت خواهد شد و ابعاد دستگاه خيلي بزرگ مي¬شود و در نتیجه هزينه¬ها افزايش مي¬يابد و در صورتي كه از ماكزيمم مقدار حلال استفاده كنيم هزينه تهيه حلال و جداسازي¬هاي بعد از آن افزايش خواهد يافت.

به دست آوردن حداقل تعداد مراحل تئوري:

هرگاه نسبت جریان برگشتی را زیاد کرده و به سمت بینهایت میل دهیم، تعداد مراحل تئوری لازم به کمترین مقدار خود خواهد رسید که به آن، حداقل تعداد مراحل تئوری گویند.

طراحی همزن و مخزن ته¬نشين كننده:

طراحي سيستم همزن با استفاده از معادلات تغییر ابعاد سيستم¬هاي پيوسته يا ناپيوسته دستگاه¬هاي آزمايشگاهي به خوبي انجام مي¬شود. در هر حال محاسبات طراحي اوليه با استفاده از تئوري و داده¬های تجربي انجام مي¬شود.

استخراج جامد- مایع:

در بسياري موارد مواد غذايي، زيستي، آلي و غير آلي به صورت يک مخلوط در فاز جامد موجود مي¬باشند. براي جداسازي يک جزء مطلوب يا خارج کردن يک جزء نامطلوب از فاز جامد مي¬توان از تماس فاز جامد با حلال مايع استفاده نمود. وقتي که دو فاز با هم در تماس هستند يک يا چند جزء حل شونده تمايل دارند از فاز جامد به فاز مايع نفوذ کنند که در نتيجه يک جداسازي بين اجزاء بوجود مي¬آيد. اين جداسازي استخراج جامد- مايع یا لیچینگ نام دارد. در فرآيند استخراج جامد- مايع وقتي جزء نامطلوب توسط حلال آب از فاز جامد جدا مي¬شود به فرآيند اصطلاحاً شستشو گويند.

فرآيند استخراج جامد-مايع در صنايع غذايي و زيستي:

در صنايع غذايي بسياري از محصولات توسط فرآيند استخراج جامد- مايع از مواد خام جداسازي مي¬شوند. يکي از اين فرآيندها که بسيار حائز اهميت مي¬باشد فرآيند جداسازي قند از چقندر قند توسط آب گرم است. همچنين در توليد روغن¬هاي نباتي حلال¬هاي آلي همچون هگزان، استون و يا اتر استفاده مي¬شوند تا بتوان روغن موجود در بادام زميني، سويا، کتان، دانه¬ها کرچک، دانه¬ها آفتابگردان، دانه¬ها پنبه و ماهي را جدا کرد. در صنايع دارويي بسياري از داروها توسط استخراج جامد- مايع از ريشه يا ساقه گياهان استخراج مي¬شوند و مثال معمول آن استخراج قهوه و همچنين درست کردن نوشيدني چاي از چاي خشک مي-باشد. اسيد تانيک نيز توسط آب از پوست درخت جدا مي¬شود.

فرآيند استخراج جامد- مايع براي مواد آلي و غير آلي:

فرآيند استخراج جامد- مايع به طور وسيعي در صنايع فلزات مورد استفاده قرار مي¬گيرد. فلزات سودمند معمولاً با درصد پايين در مخلوطي از مواد نامطلوب قرار گرفته¬اند که توسط يک حلال از اين مواد استخراج مي¬شوند. نمک مس موجود در سنگ معدن توسط اسيد سولفوريک و محلول¬هاي آمونياکي استخراج مي¬شود. نمک کبالت و نيکل توسط حلال اسيد سولفوريک- آمونياک- اکسيژن از سنگ معدن استخراج مي¬شود و طلا توسط محلول سيانيد سديم از سنگ معدن آن استخراج مي¬شود.

آماده¬سازي جامد براي استخراج جامد- مايع:

1- مواد آلي و غير آلي:

آماده¬سازي فاز جامد بشدت به شرايط آن بستگي دارد. در حالت کلي آماده¬سازي فاز جامد به نحوه پراکنده بودن جزء مطلوب در فاز جامد، غلظت جزء مطلوب در فاز جامد و طبيعت فاز جامد از نظر نفوذ حلال در آن بستگي دارد. در صورتي که جزء مطلوب توسط يک لايه غير قابل نفوذ احاطه شده باشد حلال بايد از لايه غير قابل نفوذ عبور داده شود تا بتواند جزء مطلوب را در خود حل کند. براي اين منظور از خرد کردن فاز جامد کمک گرفته مي¬شود. با اين عمل جزء مطلوب بيشتر در معرض حلال قرار گرفته و فرآيند استخراج را بسيار سريع¬تر مي¬نمايد. در صورتي که جزء مطلوب در همه فاز جامد گسترده شده باشد خرد کردن فاز جامد مشکلي را حل نمي¬کند. در اين حالت استفاده از يک حلال متفاوت براي حل کردن مواد ديگر و بالا بردن غلظت جزء مطلوب موثر مي¬باشد.

2- مواد گياهي و حيواني:

مواد زيستي (بيولوژيکي) معمولاً در ساختار سلولي قرار گرفته¬اند بنابراین به مراتب سرعت استخراج اين مواد پايين¬تر است زيرا وجود سلول¬هاي کوچک، مقاومتي براي نفوذ خواهند بود و خردکردن مواد اوليه تا حد بزرگتر از سلول هيچگونه تاثيري بر استخراج جزء مطلوب نخواهد داشت. اما در گياهان اين طور نيست مثلاً چقندر قند خرد مي¬شود تا مسير نفوذ حلال آب کاهش يابد و استخراج سريعتر شود. در استخراج مواد دارويي از ريشه، ساقه و برگ گياهان معمولاً خشک کردن مواد اوليه قبل از استخراج بسيار موثر خواهد بود چون باعث شکاف خوردن پرزها شده و حلال راحت¬تر نفوذ مي¬کند. در استخراج روغن از دانه¬ها روغني نيز خرد کردن يا له کردن اين دانه¬ها موثر مي¬باشد زیراجزء مطلوب راحت¬تر در معرض حلال قرار مي¬گيرد وحتي مقداري از آن بدون حضور حلال و به صورت مستقيم خارج مي¬شود.

سرعت استخراج جامد- مايع:

در استخراج جزء مطلوب از درون فاز جامد توسط حلال مايع به طور کلي مراحل زير انجام مي¬شود. 1- جزء حلال از توده حلال تا سطح جامد نفوذ مي¬کند. 2- جزء حلال در جسم جامد نفوذ مي¬کند. 3- جزء حل¬شونده در حلال حل می¬شود. 4- حلال و جزء حل شده از درون جسم جامد تا سطح جسم جامد نفوذ مي¬کنند. 5- جزء حل شده از سطح جامد تا توده حلال نفوذ مي¬کند. در نظر گرفتن همه اين مراحل باعث پيچيدگي معادله سرعت استخراج خواهد شد. در حالت کلي سرعت نفوذ حلال از توده حلال تا سطح جامد به حد کافي سريع است در حالي که نفوذ حلال در جامد مي-تواند سريع يا کند باشد. در هر حال هر کدام از مراحل بالا داراي سرعت مخصوص به خود مي¬باشند و کمترين سرعت کنترل کننده سرعت استخراج است. به محض اينکه حلال با جسم جامد تماس داده شود حلال خود را به سطح جامد مي¬رساند. استخراج جزء حل شونده در حلال مي¬تواند حل شدن فيزيکي ساده يا يک واکنش شيميايي باشد. مکانيسم¬هاي حل شدن بسيار متفاوت هستند و دانش کلي در مورد آنها کم است. معمولاً سرعت نفوذ حلال از سطح جامد به درون جسم جامد و يا بالعکس سرعت نفوذ حل شونده از درون جسم جامد به سطح جامد کنترل کننده سرعت استخراج مي¬باشند که تابع عوامل مختلفي هستند. داشتن فضاي خالي و متخلخل باعث افزايش سرعت نفوذ خواهد شد که اين نفوذ بر مبناي ضريب نفوذ موثر تعريف مي¬شود. در استخراج قند از چقندر قند، يک پنجم هسته¬ها شکافته مي¬شوند که در اين هسته¬ها استخراج به صورت شستشو مي¬باشد. در بقيه سلولها (که شکافته نشده¬اند)، حلال بايد نفوذ کند و حل شونده را در خود حل کند بنابراین در عملیات استخراج دو مکانيسم وجود دارد که اين استخراج را نمي¬توان به سادگي بر حسب ضريب نفوذ موثر بيان کرد. در سويا همه قسمت¬ها به طور موثر استخراج نمي¬شوند. براي استخراج بهتر بايد آنها را خرد و له کرد که در اين صورت نفوذ حل شونده از درون فاز جامد به سطح جامد به راحتي قابل محاسبه نمي¬باشد.

مقاومت انتقال جرم نفوذ حل شونده از سطح جسم جامد به توده حلال معمولاً در مقايسه با نفوذ آن در جسم جامد بسيار کم است اما در استخراج سويا در صورتي که سرعت همزن حلال کم باشد اين مقاومت نیز زياد بوده و بر استخراج تاثير مي¬گذارد.

روش¬ها عملياتي استخراج جامد- مايع:

تعدادي از روش¬هاي عملياتي براي استخراج جامد- مايع که معمول هستند در ادامه شرح داده مي¬شوند. عمليات استخراج به صورت پيوسته يا به صورت ناپيوسته انجام مي¬شود. در يک تقسيمبندي ديگر عمليات به صورت تماس ديفرانسيلي يا به صورت تعدادي مراحل تعادلي انجام مي¬گردد. در صنايع معدني از سيستم ناپيوسته که به استخراج جامد-مایع درجا معروف است استفاده مي¬شود. در اين سيستم حلال در تماس با فاز جامد قرار گرفته و سپس توسط صاف کردن، حلال و فاز جامد را از هم جدا مي¬کنند. در روش ديگر مايع استخراج شده دوباره توسط پمپ روي فاز جامد خرد شده ريخته مي¬شود. مس توسط حلال اسيد سولفوريک از کاني سولفايد با استفاده از اين روش استخراج مي¬شود. در يک روش ديگر جامد خرد شده در يک بستر قرار گرفته و حلال مايع روي آن حرکت مي¬کند. در اين حالت نبايد جامد خرد شده ريز باشد چون جلوي حرکت سيال را خواهد گرفت و گاهي اوقات از چندين تانک که به صورت سري قرار گرفته¬اند براي استخراج استفاده مي¬شود که به این مجموعه، مجموعه استخراج گفته مي¬شود و هر تانک، دیفیوزر ناميده مي¬شود و به هر تانک حلال تازه تزريق مي¬شود. حلال مي¬تواند به صورت غير مستقيم با فاز جامد حرکت کند. در اين سيستم بين هر دو تانک بايد يک پمپ تعبيه شود که با اين سيستم، سیستم شانک اطلاق مي¬شود. از اين روش به طور گسترده¬اي در استخراج نيترات سديم از سنگ معدن، استخراج اسيد تانيک از پوست درختان و چوب، صنايع معدني، صنعت شکر و ديگر فرآيندها استفاده مي¬شود. در برخي فرآيندها فاز جامد خرد شده توسط نوار نقاله يا انتقال دهنده مارپيچي با فاز حلال تماس داده مي¬شود. همچنين جامد خرد شده مي¬تواند در مخازن مجهز به همزن يا تغليظ کننده با حلال تماس داده شود اين فرآيند مي¬تواند به صورت پايا و ناپايا انجام شود.

منابع

• کتاب استخراج از فاز جامد و مایع ، سامان موسویان- داود عشوری،امیر حسین قندی، انتشارات یزدا، چاپ اول

پیوند به بیرون

• لینکهای دانلود کتاب استخراج از فاز جامد و مایع۱
• لینکهای دانلود کتاب استخراج از فاز جامد و مایع۲