《特殊萃取》PPT课件.ppt
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1、6.1 基本知识,液液传质分离是利用溶质在两液相中不同的分配特性,通过相间传质达到分离的目的。,第六章特殊萃取,6.1.1 萃取剂的选择和萃取体系的分类,一、萃取剂的选择 一个合用的萃取剂应与原溶液形成不互溶的两液相,萃取剂还应具备以下性质:两液相容易分开,不形成乳化液;萃取剂与任何进料组分之间不形成共沸物;萃取剂对关键组分的选择性尽可能地高;萃取剂在萃余相中的溶解度应尽可能地低。,萃取剂的搜寻方法:(1)搜寻数据库。(2)主要筛选方法:a)选择同系物为萃取剂 b)罗宾斯表 c)氢键 d)极性作用 e)特定萃取剂的认定。,(1)简单分子萃取体系(2)中性络合体系(3)酸性络合萃取体系(4)离子
2、缔合萃取体系(5)胺类萃取体系,二、萃取体系的分类,案例,伯、仲、叔胺分子中的氮原于具有孤对电子,能和无机酸的H+离子以稳定的配位键形成相应的铵盐。这些铵盐和季铵盐中的阴离子与水相中的金属络合阴离子发生交换,使被萃取物进入有机相。因此,这种萃取机理主要是阴离子交换反应。胺类萃取剂一般适用于无机酸、金属离子的萃取。另外,胺类萃取剂属于Lewis碱,利用它的弱碱特性,可实现对有机羧酸、酚类等的萃取分离。,6.2 溶剂萃取(Solvent extraction),溶剂萃取是利用液-液界面的平衡分配关系进行的分离操作。液液界面的面积越大,达到平衡的速度也就越快。因此要求两相的液滴应尽量细小化。平衡后,
3、各自相的液滴还要集中起来再分成两相。通常溶剂萃取指物质由水相转入另一与水相不互溶的有机相后实现分离的方法。分离特点:简便、快速、应用广,溶剂萃取的基本原理,1.为什么溶质会转移?2.如何达到分配平衡?,静置分层,振荡萃取,含Ni2+水溶液(水相)氨性缓冲液(pH9)丁二酮肟萃取剂 加入CHCl3有机相,萃取过程,无机盐类溶于水,发生离解形成水合离子,它们易溶于水中,难溶于有机溶剂,物质的这种性质称为亲水性。离子化合物,极性化合物是亲水性物质。,物质的亲水性和疏水性,许多非极性有机化合物,如烷烃、油脂、萘、蒽等难溶于水,而易溶于有机溶剂,物质的这种性质称为疏水性(亲油性)。,萃取过程,萃取过程可
4、以看作是被萃物M在水相和有机相中两个溶解过程之间的竞争。萃取过程为:S-S+2(M-Aq)Aq-Aq+2(M-S),有机物(包括一些在水中不离解的非极性的共价化合物)的萃取原理适用于“相似相溶原理”。从水溶液中将某些离子萃取到有机相,必须设法将离子的亲水性转化为疏水性。,中和电荷,引入疏水基,萃取剂-“运载工具”,丁二酮肟,亲水性水合阳离子中性疏水螯合物萃入有机相,8-羟基喹啉,+,萃取法基本参数,分配定律和分配比 分离系数 萃取率与萃取次数,分配系数和分配比,分配系数,例如,I2稀溶液在H2O/CCl4的分配,分配定律:在一定的温度下,当萃取分配过程达到平衡时,溶质在互不相溶的两相中的浓度比
5、为一常数。即,例 含有I-的I2溶液在H2O/CCl4的分配,水溶液不仅有I2,还有I3-,这时分配系数并不是一个常数。,在实际工作中,人们所关注的是被萃物分配在两相中的实际总浓度各为多少,而不是它们的具体存在的型体。,即,在一定条件下,当达到萃取平衡时,被萃物质在有机相和在水相的总浓度之比。,分配比,分配系数和分配比的比较,分配比随着萃取条件变化而改变。因而改变萃取条件,可使分配比按照所需的方向改变,从而使萃取分离更加完全。,概念不同,关注的对象有差别两者有一定的联系,KD表示在特定的平衡条件下,被萃物在两相中的有效浓度(即分子形式一样)的比值;而D表示实际平衡条件下被萃物在两相中总浓度(即
6、不管分子以什么形式存在)的比值。分配比随着萃取条件变化而改变。,分离系数:A/B=DA/DB“表示两种分离组分分离的可能性和效果”,问题:DA 和DB相差不太大,如何处理?,分配比可以衡量被萃物在一定条件下进入有机相的难易程度,但它不能直接表示出被萃物有多少量已被萃取出来。那么,如何表示萃取完全程度呢?,萃取率(Extractability/Percent Extration)),同除cw Vo,相比R=Vw/Vo,当R=1时,,从萃取率公式可以得出如下几点结论:分配比越大,萃取率越高 有机相的体积越大,萃取率越大 萃取率与被萃物的含量大小无关,这就是所谓的“定量分离”,萃取率与萃取次数的关系
7、多次萃取,设水相体积为V水(mL),水中含被萃物W0(g),用V有(mL)萃取剂萃取一次,水相中剩余W1(g)被萃物,则,每次用V有 新鲜溶剂,连续萃取n次,则水相被萃物的剩余量为:,萃取进入有机相的被萃物总量为:,在实际工作中,对于分配比较小的萃取体系,可采用多次萃取操作技术提高萃取率,以满足定量分离的需要。萃取次数:,两种物质的分离,在实际工作中,萃取常用于两种或两种以上物质间的定量分离。决定两物质萃取分离效果的影响因子被定义为分离因子Kd:,A:易萃取组分B:难萃取组分,可见,分离因子和物质的分配比和浓度有关。但应指出,Kd只是提供A、B两种物质萃取分离难易的相对量度,而实际进行萃取分离
8、的好坏与分配比的绝对大小有关。要实现A与B的一次萃取完全分离,应选择或控制萃取条件,使得DA102,DB10-2。,逆流型多级萃取方式,在萃取中,当lgKd不满足定量分离要求时,可采用逆流型多级萃取方式,经过若干级萃取后也可满足定量分离的要求。,Operation of extraction containers of Craig apparatus,Diagrammatic representation of distribution of solute in Craig extraction process,Distribution of solutes A and B in the Cr
9、aig apparatus,例:8-羟基喹啉/氯仿萃取La3+,10mL氯仿一次萃取,E=95.6%10mL氯仿分二次萃取:第一次,E 1=91.5%第二次,E 2=99.3%可见,连续两次萃取提高了萃取率。,协同效应与协同萃取体系,在溶剂萃取过程中,用两种或两种以上萃取剂的混合物萃取某些金属离子时,其分配比(D协同)明显地大于在相同条件下单独使用每一种萃取剂时分配比之和(D1+D2),即D协同(D1+D2)。这种现象称为协同效应。具有协同效应的萃取体系称为协同萃取体系。,例如,用HTTA-TBP-C6H6溶液从硝酸介质中萃取钇:,协同萃取中的第二萃取剂,通常采用活性溶剂或中性萃取剂。它们应具
10、有如下特性:溶剂能取代已配位的水分子;溶剂本身具有一定的疏水性,但对金属离子的配位能力较有机螯合物弱;有利于满足金属配位数和配位体的几何因数,D分别1E4和1E6,协同萃取的应用 提高萃取的浓缩倍数 E=D/(DVw/Vorg)100%对于一般的萃取,通常Vw:Vorg不超过10,由于D的限制,一般只能浓缩10倍。而对于协同效应,由于D大大提高,可进一步提高相比。例如Cd()-H2dz-TOPO协同萃取,相比100:1时还可定量萃取。若结合反萃取,浓缩倍数可达1000。提高萃取比色的灵敏度 萃取剂本身是显色剂,通过形成三元络合物增大。例如Sn()与邻苯二酚紫(PV)形成二元络合物呈红色(555
11、 nm,6.5104),加入阳离子表面活性剂溴化十六烷基三甲胺(CTMAB)后形成三元络合物(662 nm,9.56104),光谱红移,灵敏度增大。,洗涤、反萃取和解萃,洗涤:使杂质(含包藏水相)由有机相反萃到水相,而被萃物仍留在有机相。所以洗涤水相的条件选择应有利于杂质在水中的分配,如常在水中加入少量能与杂质元素络合的水溶性络合剂。反萃取:通过加入一种新的不含被萃物的水相,与萃取液接触,使被萃物返回水相的过程。反萃取技术通常是调节水相的酸度和络合剂、还原剂等组成,或者络合反萃、还原反萃、分步反萃等方法。可见,洗涤是一种特殊的反萃取。解萃:指把被萃物从有机相移出来的过程。除了反萃取外,还可采用
12、蒸发方式除去有机溶剂。如醚的除去,可往有机相加入少量水,然后水浴加热除去醚。,乳浊液的形成及其消除在萃取过程中,由于剧烈振荡等原因,可能出现乳浊液现象,造成分层困难影响萃取效果。乳浊液是一种液体分散在另一种液体形成的亚稳态,与溶剂的特性,如表面张力有关。防止和消除乳浊液现象的主要措施有:避免过于激烈的振荡 加入中性盐 加入有机稀释剂,如少量乙醇或异丙醇 让乳浊液流过多孔物质 改成连续萃取,例:有机化合物的萃取,有机物的溶解规律:极性有机化合物,包括易形成氢键的化合物或盐类,通常溶于水而不溶于非极性或弱极性有机溶剂;非极性或弱极性有机化合物则不溶于水,但可溶于非极性和弱极性有机溶剂。,有机物萃取
13、的溶剂选择:难溶于水的物质用石油醚等溶剂;较易溶者,用乙醚或苯萃取;易溶于水的物质用乙酸乙酯或其它类似溶剂萃取。,极性和非极性有机混合物 如丙醇和溴丙烷混合物,可加入水萃取丙醇;马来酸酐和马来酸混合物,可加入苯萃取马来酸酐。,极性相差不大的混合物 对于这类混合物,应选择合适的萃取条件,使混合物中某些组分与其它组分性质有较大的差别,同时选择合适的溶剂进行萃取。例如:,羧酸、酚、胺和酮混合物的分离 甲苯、苯胺和苯甲酸的分离,6.3 液固萃取-索氏(Soxhlet)萃取,液固萃取,又称浸取或提取,是一种分离和富集某些天然产物、生化试剂和添加剂的有效手段。由于溶剂渗入固体试样内部是比较缓慢的过程,因此
14、液固萃取需要较长的时间,一般需要连续萃取。,索氏(Soxhlet)萃取器,萃取剂流向:Gas:C D E(gl)Liq.:A S(ex.)B C 新鲜溶剂循环萃取“静态”萃取,常将试样置于索氏萃取器中,用溶剂连续抽提,然后蒸出溶剂,便可达到含量较原试样增加上百倍的试液,有利于后续的测定。,应用 分析橡胶、塑料中添加剂。另外,一些天然化合物的提取也采用索氏萃取技术。例如:一种高效天然的甜味剂-甜菊叶中甜菊甙分析,是把甜菊叶粉末放在索氏萃取器内,用乙醇回流进行样品提取的。,6.4 微波萃取,微波加热特性:微波辐射能够穿透一些介质,直接把能量作用到反应物上使极性分子每秒产生25亿次以上的分子旋转和碰
15、撞。能量传递方式与传统的传导加热方式不同,不仅加热速度快,而且可控能力强,从而量化地为反应提供精确的能量。,微波萃取是利用微波能强化溶剂萃取的效率,使固体或半固体试样中的某些有机成分与基体有效地分离,并能保持分析对象的原本化合物状态。特点:快速、节能、节省溶剂、污染小;有利于热不稳定物质,较少受被萃物极性的限制实验条件:萃取剂及用量,时间、温度和压力应用:提取土壤和沉积物中的多环芳烃等污染物;动植物中的天然产物,6.5 金属螯合物萃取,典型的金属螯合剂有Ox、H2Dz、DDTC、APDC等。螯合物萃取具有如下特点:金属螯合物通常具有较大的分配比金属螯合物在有机相的溶解度一般不大。可用于萃取分光
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