Методы разделения и концентрирования, страница 2
Описание файла
Документ из архива "Методы разделения и концентрирования", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "методы разделения и концентрирования" из 3 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. .
Онлайн просмотр документа "Методы разделения и концентрирования"
Текст 2 страницы из документа "Методы разделения и концентрирования"
1.3. Классификация методов
Целям аналитического разделения и концентрирования служат многочисленные методы; в научно-методическом плане они развиты в разной степени и сильно отличаются масштабами использования. Их арсенал все время пополняется за счет появления новых методов или новых вариантов уже известных. Для решения задач используют почти все химические и физические свойства веществ и процессы, происходящие с ними. Для того чтобы можно было ориентироваться в многообразии методов разделения и концентрирования, предложены различные классификации.
Ю.А. Золотов предложил классифицировать методы концентрирования по фазовому состоянию системы в процессе концентрирования и конечному состоянию концентрата. В рамках этой классификации наибольшее значение имеют методы, основанные на на различиях в распределении веществ между двумя фазами такими, как жидкость – жидкость, жидкость – твердое тело, жидкость – газ и твердое тело – газ. При этом однофазная система может превращаться в двухфазную путем какой-либо вспомогательной операции (осаждение и соосаждение, испарение, дистилляция, кристаллизация и др.), либо введением вспомогательной фазы – жидкой, твердой, газообразной (таковы методы экстракции, сорбции, хроматографии). В табл. 1 приведена классификация наиболее распространенных методов концентрирования, построенная по принципу распределения вещества между фазами.
Степень использования указанных методов концентрирования различна. Выбор метода концентрирования применительно к конкретному объекту анализа зависит от многих факторов. Решать эту задачу нельзя в отрыве от объекта анализа и метода анализа концентрата. При выборе метода концентрирования учитывают следующие факторы: природу анализируемого объекта; перечень микрокомпонентов, которые необходимо выделить и определить в этом объекте и их содержание;
Таблица 1. Классификация методов по фазовому состоянию системы в процессе концентрирования и конечному состоянию концентрата
| Фазовое состояние системы в процессе концентрирования | Конечное фазовое состояние концентрата | Метод концентрирования |
| Жидкость – жидкость | Жидкость | Жидкость – жидкостная экстракция |
| Твердое тело | Экстракция расплавами Пробирная плавка | |
| Жидкость – твердое тело | Жидкость | Жидкостная экстракция из твердых матриц Мокрая минерализация |
| Твердое тело | Осаждение и соосаждение Сорбция Электролитическое выделение Направленная кристаллизация и зонная плавка | |
| Жидкость – газ | Жидкость или газ | Экстракция газовая Испарение, отгонка с водяным паром, испарение в результате химических превращений Криогенное концентрирование |
| Твердое тело – газ | Твердое тело или газ | Сорбция Сублимация |
| Твердое тело (жидкость) – вещество в сверхкритическом состоянии | Вещество в сверхкритическом состоянии | Сверхкритическая флюидная экстракция |
сочетаемость выбранного метода концентрирования и метода последующего определения компонентов в концентрате; количественные и
метрологические характеристики методики концентрирования (степень извлечения, коэффициент концентрирования, воспроизводимость и др.); приборную и кадровую оснащенность лаборатории, которая будет использовать выбранную методику; экономические затраты на стадию концентрирования; необходимость обеспечения безопасных условий работы. Кроме того, при выборе метода концентрирования необходимо учитывать взаимное влияние матрицы и микрокомпонентов. Например, экстракции нередко сопутствует соэкстракция, осаждению – соосаждение, испарение осложняется образованием азеотропных смесей.
В методах разделения и концентрирования веществ, основанных на различиях в межфазном распределении, всегда существуют ограничения по массопереносу. Из одной фазы в другую не может перейти вещества больше, чем это следует из коэффициента распределения. Для решения задач, требующих увеличения массопереноса без возрастания объема разделяющей фазы, более перспективными оказались две группы методов, основанные: 1) на индуцируемом межфазном переносе вещества из одной фазы в другую, через разделяющую их третью фазу, являющуюся мембраной, или 2) на разделении компонентов в пределах одной гомогенной фазы под воздействием электрического, магнитного, гравитационного или теплового полей. Л.Н. Москвин предложил классифицировать мембранные методы разделения по принципу системы фаз и движущей силы процесса (табл. 2), а методы внутрифазного разделения – по природе сил, вызывающих различное пространственное перемещение ионов, атомов или молекул в пределах одной фазы (табл. 3). Различия в скорости пространственного перемещения ионов, атомов или молекул в методах внутрифазового разделения проявляются в зависимости от их массы, размера, заряда, энергии взаимодействия частиц с ионами и молекулами, находящимися в среде, в которой происходит разделение.
2. Жидкость-жидкостная экстракция
Термин "экстракция" приложим к различным фазовым равновесиям, используемым для извлечения нужного вещества, в том числе в системах жидкость – жидкость, твердое тело – жидкость, газ – жидкость, В настоящем разделе будут рассмотрены экстракционные методы выделения и концентрирования микрокомпонентов из водных растворов в слой органического растворителя.
(Вопрос 6). Экстракция – перевод одного или нескольких компонентов из жидкости или твердого тела в другую жидкую или газообразную форму.
Жидкость – жидкостная экстракция основана на распределении растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами (обычно между водой и органическим растворителем). Термин "жидкость – жидкостная экстракция" часто заменяют менее громоздким термином "экстракция".
Таблица 2. Мембранные методы разделения
| Система фаз | Движущая сила процесса | ||
| Градиент химического потенциала | Градиент электрического потенциала | Градиент давления | |
| Жидкость – жидкость – жидкость | Диализ через жидкие мембраны | Электродиализ через жидкие мембраны | — |
| Жидкость – твердое тело – жидкость | Диализ | Электродиализ, донановский диализ, электроосмос | Ультрафиль-трация, обратный осмос |
| Жидкость – твердое тело – газ | Испарение через мембрану | — | — |
| Газ – твердое тело – газ | Газодиффузионное разделение | — | — |
Таблица 3. Методы внутрифазного разделения
| Агрегатное состояние фазы, в которой происходит разделение | Вид сил, вызывающих пространственное перемещение ионов атомов или молекул | ||
| Электрическое поле | Электри-ческое и магнитное поле | Центробежная сила или гравитационное поле | |
| Жидкость | Электрофорез (электромиграция) | — | Ультрацентрифугирование |
| Газ | Электрофорез | Масс-сепарация | Ультрацентрифугирование |
Важными достоинствами жидкость – жидкостной экстракции являются универсальность по отношению к природе выделяемых веществ и их концентраций, а в ряде случаев и высокая селективность, обусловленные возможностью выбора большого числа экстрагентов и использованием для регулирования селективности экстракции таких параметров, как рН, состав водной фазы и температуры. Методы отличаются экспрессностью, простотой и доступностью оборудования, они совместимы с разными методами определения. Экстракционные методы пригодны для извлечения, как микрокомпонентов, так и макрокомпонентов, а также для индивидуального и группового выделения и концентрирования микрокомпонентов при анализе разнообразных промышленных и природных объектов. Многие аналитически важные экстракционные системы стали миниатюрными прообразами некоторых важных технологических экстракционных процессов. К недостаткам можно отнести необходимость работы с горючими и токсичными растворителями, а в ряде случаев и необходимость использования растворителей высокой степени чистоты. Кроме того, нужно регенерировать или утилизировать довольно большие количества растворителей.
2.1. Общая характеристика метода
Основные понятия и термины. Ниже приведены основные термины, которые используются для описания экстракции.
(Вопрос 6). Экстрагентом называют органический растворитель, содержащий или не содержащий другие компоненты и экстрагирующий вещество. Соединение (чаще всего в органической фазе), ответственное за образование экстрагируемого соединения, называют экстракционным реагентом. Инертные органические растворители, такие, как хлороформ, тетрахлорид углерода, бензол и другие, применяемые для улучшения физических и экстракционных свойств экстракционного реагента, называют разбавителями. Органическую фазу, отделенную от водной фазы и содержащую экстрагированные соединения, называют экстрактом. Перевод вещества из органической фазы в водную называют реэкстракцией, а раствор, используемый для реэкстракции – реэкстрагентом. Две взаимно нерастворимые жидкости и распределенный между ними извлекаемый компонент образуют экстракционную систему.
Количественные характеристики и основные законы. Для количественной оценки экстракции используют величины степени извлечения и коэффициенты распределения (см. раздел 1.2). (Вопрос 10). Степень извлечения представляет собой долю проэкстрагированного вещества от общего его количества:
где Q(o) и Q(в) – количество вещества в органической и водной фазах, с(о) и с(в) – концентрация вещества в фазах, V(o) и V(в) – объемы фаз.
Легко показать, поделив числитель и знаменатель в уравнении (5) на с(в)·V(о), что степень извлечения связана с коэффициентом распределения
следующим уравнением:
(6)
При равных объемах фаз имеем:
(7)
Степень извлечения R в отличие от коэффициента распределения D зависит от соотношения объемов фаз и при одном и том же коэффициенте распределения вещество при постоянном объеме водной фазы V(в) экстрагируется тем полнее, чем больше объем органической фазы V(о).
При достаточно высоких значениях коэффициента распределения однократная экстракция позволяет количественно извлечь вещество в органическую фазу. Если после проведения однократной экстракции нужный компонент извлекается неполностью, экстракцию повторяют, разделив фазы и прибавив к водной фазе новую порцию органического растворителя. Степень извлечения R после n-кратной экстракции можно рассчитать по формуле:
(8)
Экстракция основана на распределении растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами. Будучи гетерогенным процессом, экстракция подчиняется правилу фаз:
N F K 2,
