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Die Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE) ist eine Technik zur Trennung von Flüssigkeiten, die aufgrund temperaturempfindlicher Bestandteile oder ähnlicher Siedepunkte von Lösungsmitteln nicht durch Destillation getrennt werden können. Der Stofftransport in LLE wird durch die Löslichkeitsdifferenz des gelösten Stoffes in den nicht oder teilweise mischbaren Zulauf- und Lösungsmittelströmen angetrieben. Der Zulaufstrom, der den gelösten Stoff enthält, wird mit dem Lösungsmittelstrom vermischt, oft unter Verwendung eines Rührwerks, wodurch der gelöste Stoff vom Zulauf auf das Lösungsmittel übergehen kann. Das abgereicherte Futtermittel, das sogenannte Raffinat, wird vom Extrakt getrennt, bei dem es sich um die lösungsstoffreiche Lösungsmittelphase handelt. In diesem Video wird eine Extraktion von Isopropanol aus n-Nonan unter Verwendung von reinem Wasser veranschaulicht und untersucht, wie sich Betriebsvariablen auf die Gesamteffizienz der Säule auswirken.
LLE wird in der Regel in kontinuierlichen Stufen mit Gleichstrom- oder Gegenstromfluss durchgeführt. Gegenstromanlagen werden in der Regel bevorzugt, da sie tendenziell effizienter sind. In der Regel sind die Bühnen in einer einzigen Einheit untergebracht. Gegenstrom-Extraktionssäulen können auf zwei Arten aufgestellt werden. Wenn das Lösungsmittel schwerer ist als die Speiseflüssigkeit oder das Verdünnungsmittel, wird das Lösungsmittel am oberen Ende der Säule eingeführt und der gelöste Stoff tritt dann unten aus. Wenn das Lösungsmittel leichter als das Verdünnungsmittel ist, wird das Lösungsmittel am unteren Ende der Säule eingeführt, und der gelöste Stoff verlässt die Säule oben. Im stationären Zustand ist die Materialbilanz des gelösten Stoffes zwischen dem Zuführende des Prozesses und einer mit N bezeichneten Stufe wie gezeigt. Dabei ist X der Molenbruch des gelösten Stoffes im Verdünnungsmittel, Y ist der Molenbruch des gelösten Stoffes zum Lösungsmittel. F ist die molare Flussrate des Zulaufverdünnungsmittels und S ist die molare Flussrate des Lösungsmittels. Die Analyse theoretischer Platten wird verwendet, um die Effizienz des Trennprozesses zu bewerten. Bei diesen Platten handelt es sich um hypothetische Stadien, in denen sich zwei Phasen im Gleichgewicht zueinander befinden. Wenn sich die beiden Flüssigkeiten auf einer Stufe im Gleichgewicht befinden, was bedeutet, dass es bei längerer Mischzeit keine Konzentrationsänderung geben würde, dann wird die Stufe als theoretische Platte betrachtet. Je höher die Anzahl der theoretischen Platten, desto effizienter ist der Prozess. Betriebsgrößen wie Temperatur, Druck, Durchflussmengen und Rührwerksdrehzahl beeinflussen den Wirkungsgrad und damit die theoretische Plattenanalyse. Im folgenden Experiment wird ein LLE-Verfahren zur Extraktion des gelösten Isopropanols aus n-Nonan unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel untersucht. Dieses System, das drei Flüssigkeiten enthält, wird als ternäres System bezeichnet. Oft sind alle drei flüssigen Komponenten bis zu einem gewissen Grad mischbar. Das Gleichgewichtsverhalten für diese und andere Lösungsmittel ist in der Literatur zu finden. Nachdem nun die Grundlagen von LLE und seine Funktionsweise erläutert wurden, werfen wir einen Blick auf einen Trennprozess.
Für dieses Experiment wird eine York-Scheibel-Säule verwendet. Es handelt sich um eine Rührkolonne mit internen Schaufelradlaufrädern, die mit einem Vertikalantrieb verbunden sind. Jede Ebene enthält Drahtgeflechtpackungen, um eine Phasentrennung zu ermöglichen, und ist durch Trennwände getrennt, um einzelne Stufen bereitzustellen. Verwenden Sie zunächst den Bedienknopf und die Digitalanzeige auf dem Bedienfeld, um die Drehzahl des Rührwerks zu steuern. Verwenden Sie die Rotameter an den Zulauf- und Lösungsmitteleinlässen, um die Durchflussrate von Zuführung und Lösungsmittel zu messen. Verwenden Sie Messzylinder und eine Uhr, um die Durchflussraten des Extrakts und des Raffinats zu messen. Starten Sie nun den Mischer und halten Sie die Rührwerksdrehzahl konstant bei 300 U/min. Öffnen Sie die Kugelhähne für das Lösungsmittel, die Zuführung, den Extrakt und das Raffinat. Starten Sie den Wasserfluss in die Säule, um das gewünschte molare Verhältnis von Lösungsmittel zu Futter mit einer Geschwindigkeit von 200 Millilitern pro Minute zu erhalten. Es ist zu beobachten, ob eine Grenzfläche zwischen Lösungsmitteleintritt und Raffinataustritt vorhanden ist, und wenn nicht, lassen Sie die dispergierte Phase aufsteigen, um die obere Grenzfläche zu bilden. Starten Sie den Vorschubfluss, wenn sich die obere Schnittstelle bildet. Passen Sie vorsichtig die Höhe des umgekehrten U an der Extraktionsleitung von der Unterseite des Turms an, um die Höhe der oberen Grenzfläche zwischen den beiden Phasen zu steuern. Dadurch wird sichergestellt, dass die Raffinatphase nicht in den Extraktionstank fließt, wenn die Schnittstelle zu niedrig eingestellt ist, oder dass der Extrakt nicht in den Raffinattank fließt, wenn die Schnittstelle zu hoch eingestellt ist.
Entnehmen Sie alle 10 Minuten Proben an der Raffinat-Probenstelle in vier Milliliterflaschen. Verwenden Sie die Gaschromatographie (GC), um die Komponenten zu quantifizieren und zu bestätigen, dass ein stationärer Zustand erreicht wurde. Sammeln Sie anschließend mit einem sauberen Messzylinder 250 Milliliter des Extrakts an der Probenahmestelle und messen Sie dann mit einem Hydrometer das spezifische Gewicht oder die relative Dichte der Probe zu Wasser. Interpolieren Sie den Gewichtsprozentsatz des Isopropanols in der Probe anhand der bereitgestellten Tabelle, die die Zusammensetzung des Extraktstroms in Abhängigkeit vom spezifischen Gewicht anzeigt. Wiederholen Sie den Vorgang für zwei weitere niedrigere Vorschübe. Achten Sie darauf, sowohl das Lösemittel-zu-Futter-Verhältnis als auch die Rührwerksdrehzahl konstant zu halten. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie das Rührwerk und den Netzschalter aus und schließen Sie die Zulauf- und Lösungsmittelkugelhähne, wobei Sie die Raffinat- und Auslasskugelhähne offen lassen. Lassen Sie uns nun die Ergebnisse auswerten.
Werfen wir zunächst einen Blick auf die prozentuale Rückgewinnung von Isopropanol bei unterschiedlicher Zulauf-Durchflussrate und unterschiedlicher Rührgeschwindigkeit. Mit erhöhter Zulaufmenge steigt die prozentuale Rückgewinnung und pendelt sich ein. Dies ist typisch für ein System, das nicht kurz vor einer Überschwemmung steht. Die erhöhte Rührgeschwindigkeit erhöhte auch die prozentuale Rückgewinnung. Auch der Tischwirkungsgrad, der mit Hilfe der theoretischen Plattenanalyse mittels Computersimulation berechnet wird, wird von diesen Parametern beeinflusst. Erwartungsgemäß steigen sowohl der Wirkungsgrad der Stufe als auch die prozentuale Rückgewinnung mit höherer Durchflussrate und Rührung. Dies ist auf eine verbesserte Durchmischung zurückzuführen, die zu kleineren Tröpfchen und einer verbesserten Dispersion führt, wodurch der Stofftransport verbessert wird, jedoch pendeln sich beide Beziehungen bei höheren Fördergeschwindigkeiten ein. Der Wirkungsgrad und der prozentuale Rückgewinnungsgrad gleichen sich aufgrund von Emulgierung und Überflutung aus und nehmen schließlich ab. Die Bildung einer Emulsion wirkt sich negativ auf die Rückgewinnung und Effizienz aus, da sich die Phasen nicht mehr sauber trennen können, um zur nächsten Stufe nach oben oder unten zu gelangen. Bei Systemen wie der York-Scheibel-Anlage kann dies ein Problem darstellen, so dass Mischer- und Absetzbehälter in Reihe eine attraktive Alternative sind.
Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist eine Trenntechnik, die in einer Vielzahl von Trennungen eingesetzt wird und in einer Vielzahl von Setups eingesetzt werden kann. In den Fällen, in denen die Emulgierung von Phasen eine Herausforderung darstellt, können Mischer-Absetzbecken in Reihe verwendet werden. Bei diesem einfachen Aufbau wird ein Tank verwendet, in dem die beiden Phasen durch ein Rührwerk gemischt werden. Die beiden Phasen verschmelzen dann im Absetzbecken, wo sich die schwere Phase schließlich am Boden absetzt und durch einen Auslass am Boden des Tanks entfernt wird. Die Lichtphase setzt sich nach oben ab und wird über einen weiteren Ausgang abgeführt. Eine weitere Trenntechnik, die sich die Löslichkeitseigenschaften eines gelösten Stoffes zunutze macht, ist die Fest-Flüssig-Extraktion. Bei der Fest-Flüssig-Extraktion wird der in einer festen Matrix vorhandene gelöste Stoff durch kräftiges Mischen in eine Flüssigkeit extrahiert. Diese Technik wird in großem Maßstab für viele Anwendungen eingesetzt, z. B. für die Entfernung von Giftstoffen wie dem Herbizid Atrazin aus dem Boden.
Sie haben gerade Joves Einführung in die Flüssig-Flüssig-Extraktion gesehen. Sie sollten nun die Grundlagen einer LLE-Extraktion mit einer York-Scheibel-Säule verstehen und wissen, wie Prozessvariablen wie Rührwerk und Durchflussmenge die Rückgewinnung des gelösten Stoffes und die Effizienz der Säule beeinflussen können. Danke fürs Zuschauen.
