عملیات استخراج

مقدمه

استخراج به معنی انتقال یک ماده حل شده از یک فاز به فاز دیگر بوده و فاز ترکیب، محلولی است که همه خصوصیات فیزیکی و شیمیایی در سرتاسر آن یکسان بوده و به طور آشکارا از ترکیب و یا محلول دیگر قابل تمیز باشد. مثلا آب و نفت شامل دو فاز مایع است (یکی فاز نفت و دیگری فاز آب) و یا مخلوط فوق اشباع آب قند شامل دو فاز است (یکی فاز مایع آب قند و دیگری فاز جامد قند ته نشین شده).

در عمل استخراج، با اضافه شدن حلال مناسب و غیرقابل اختلاط به یک فاز (یا مخلوط)، ماده حل شده در مخلوط اولیه وارد فاز دوم می شود ( حلال جدید) و از فاز اولیه جدا می شود؛ به شرط اینکه قابلیت انحلال ماده حل شده در فاز دوم بیشتر از فاز اول باشد. اگر ماده­ای از فاز جامد به داخل فاز مایع استخراج شود، استخراج را جامد - مایع می­گوییم؛ مانند تهیه چای. انتقال یک جسم از فاز مایع به مایع دیگر را استخراج مایع- مایع گویند. حذف ید از آب به وسیله تتراکلرید کربن نمونه ای از استخراج مایع - مایع است.

استخراج­، روش نسبتا ساده­ای است و بسیار مورد استفاده قرار می­گیرد و برای خالص سازی بسیاری از ترکیبات حاصل از واکنش های شیمیایی و استخراج الکالوییدها از برگ و یا پوست گیاهان و استخراج اسانس­های مواد غذایی از دانه­ها، گل ها، یا استخراج شکر از نیشکر و ... استفاده می شود. در بسياري مواد غذايي و زيستي، مواد آلي و غيرآلي به صورت يک مخلوط در فاز جامد موجود مي باشند. براي جداسازي يک جزء مطلوب يا خارج کردن يک جزء نامطلوب از فاز جامد، مي­توان از تماس فاز جامد با حلال مايع استفاده نمود. وقتي 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 مي­آيد. اين جداسازي، استخراج جامد - مايع یا لیچینگ نام دارد. در فرآيند استخراج جامد - مايع وقتي جزء نامطلوب توسط حلال آب از فاز جامد جدا مي­شود، به فرآيند اصطلاحاً شستشو گويند.

استخراج جامد مایع:

  • فرآيند استخراج جامد- مايع در صنايع غذايي و زيستي:

در صنايع غذايي بسياري از محصولات توسط فرآيند استخراج جامد - مايع از مواد خام جداسازي مي­شوند. يک فرآيند که بسيار حائز اهميت مي­باشد، فرآيند جداسازي قند از چغندر قند توسط آب گرم است. همچنين در توليد روغن­هاي نباتي، حلال­هاي آلي همچون هگزان، استون و يا اتر استفاده مي­شوند تا بتوان روغن موجود در بادام زميني، سويا، دانه­های کرچک، دانه­های آفتابگردان، دانه­های پنبه و غیره را جدا کرد. در صنايع دارويي بسياري از داروها توسط استخراج جامد - مايع از ريشه يا ساقه گياهان استخراج مي­شوند که مثال معمول آن استخراج قهوه و همچنين درست کردن نوشيدني چاي از چاي خشک مي­باشد.

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

فرآيند استخراج جامد - مايع به طور وسيعي در صنايع فلزات مورد استفاده قرار مي­گيرد. فلزات سودمند معمولاً با درصد پايين در مخلوطي از مواد نامطلوب قرار گرفته­اند که توسط يک حلال از اين مواد استخراج مي­شوند. نمک مس موجود در سنگ معدن توسط اسيد سولفوريک و محلول­هاي آمونياکي استخراج مي­شود. نمک کبالت و نيکل توسط حلال اسيد سولفوريک - آمونياک - اکسيژن از سنگ معدن استخراج مي­شود و طلا توسط محلول سيانيد سديم از سنگ معدن آن استخراج مي­شود.

آماده­ سازي جامد براي استخراج جامد- مايع

  1. مواد آلي و غير آلي:

آماده­ سازي فاز جامد به شدت وابسته به شرايط آن می­باشد. 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 غيرقابل نفوذ احاطه شده باشد، حلال بايد از لايه غيرقابل نفوذ عبور داده شود تا بتواند جزء مطلوب را در خود حل کند. براي اين منظور از خرد کردن فاز جامد کمک گرفته مي­شود. با اين عمل جزء مطلوب بيشتر در معرض حلال قرار گرفته و فرآيند استخراج بسيار سريعتر انجام می شود. در صورتي که جزء مطلوب در همه فاز جامد گسترده شده باشد، خرد کردن فاز جامد تاثیر زیادی ندارد. در اين حالت استفاده از يک حلال متفاوت براي حل کردن مواد ديگر و بالا بردن غلظت جزء مطلوب موثر مي­باشد.

  1. مواد گياهي و حيوانی:

مواد زيستي (بيولوژيکي) معمولاً در ساختار سلولي قرار گرفته­اند، بنابراین به مراتب سرعت استخراج اين مواد پايين­تر است. زيرا وجود سلول­هاي 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 چغندر قند خرد مي­شود تا مسير نفوذ حلال آب کاهش يابد و استخراج سريع تر 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 راحت­تر نفوذ مي­کند. در استخراج روغن از دانه­ها روغني مانند سویا نيز خرد کردن يا له کردن اين دانه­ها موثر مي­باشد زیرا جزء مطلوب راحتتر در معرض حلال قرار مي­گيرد و حتي مقداري از آن بدون حضور حلال و به صورت مستقيم خارج مي­شود.

  • سرعت استخراج جامد- مايع

در استخراج جزء مطلوب از درون فاز جامد توسط حلال مايع به طور کلي مراحل زير انجام مي­شود.

  1.  جزء حلال از توده حلال تا سطح جامد نفوذ مي­کند.
  2.  جزء حلال در جسم جامد نفوذ مي­کند.
  3.  جزء حل­شونده در حلال حل می­شود.
  4.  حلال و جزء حل شده از درون جسم جامد تا سطح جسم جامد نفوذ مي­کنند.
  5. جزء حل شده از سطح جامد تا توده حلال نفوذ مي­کند.

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 مي­تواند سريع يا کند باشد. در هر حال هر کدام از مراحل بالا داراي سرعت مخصوص به خود مي­باشند و کمترين سرعت کنترل­کننده سرعت استخراج است. به محض اينکه حلال با جسم جامد تماس داده شود حلال خود را به سطح جامد مي­رساند. استخراج جزء حل شونده در حلال مي­تواند حل شدن فيزيکي ساده يا يک واکنش شيميايي باشد. مکانيسم­هاي 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 و سرعت نفوذ حل شونده از درون جسم جامد به سطح جامد کنترل­کننده سرعت استخراج مي­باشند 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 مي­شود. مثلا در استخراج قند از چغندر قند، يک پنجم هسته­ها شکافته مي­شوند که در اين هسته­ها استخراج به صورت شستشو مي­باشد. در بقيه سلول­ها (که شکافته نشده­اند)، حلال بايد نفوذ کند و حل شونده را در خود حل کند بنابراین در عملیات استخراج دو مکانيسم وجود دارد که اين استخراج را نمي­توان به سادگي برحسب ضريب نفوذ موثر بيان کرد. در سويا همه قسمت­ها به طور موثر استخراج نمي­شوند. 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 نمي­باشد. مقاومت انتقال جرم در مرحله نفوذ حل شونده از سطح جسم جامد به توده حلال معمولاً در مقايسه با مرحله نفوذ آن در جسم جامد بسيار کم است.

  • روش­های عملياتي استخراج جامد- مايع

عمليات استخراج به صورت پيوسته يا به صورت ناپيوسته انجام مي­شود. در يک تقسيم بندي ديگر عمليات به صورت تماس ديفرانسيلي يا به صورت تعدادي مراحل تعادلي انجام مي­گردد. در صنايع معدني از سيستم ناپيوسته که به استخراج جامد - مایع درجا معروف است استفاده مي­شود. در اين سيستم حلال در تماس با فاز جامد قرار گرفته و سپس توسط صاف کردن، حلال و فاز جامد را از هم جدا مي­کنند. در روش ديگر مايع استخراج شده دوباره توسط پمپ روي فاز جامد خرد شده ريخته مي­شود. در يک روش ديگر جامد خرد شده در يک بستر قرار گرفته و حلال مايع روي آن حرکت مي­کند. 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 گرفته­اند براي استخراج استفاده مي­شود که به این سیستم، مجموعه استخراج گفته مي­شود. حلال مي­تواند به صورت ناهمسو با فاز جامد حرکت کند.

استخراج مایع – مایع:

وقتی جداسازی از طریق تقطیر کارآیی ندارد یا با دشواری روی می­دهد، روش استخراج از مایع که یکی از جایگزین های اصلی است، به کار می­رود. مخلوط­هایی که از اجزا با نقطه جوش نزدیک به هم تشکیل شده­اند یا موادی که حتی در شرایط خلا نمی­توانند در دمای تقطیر مقاومت کنند، اغلب با استخراج از ناخالصی ها جدا می­شوند. در استخراج از تفاوت خواص شیمیایی به جای اختلاف فشار بخار استفاده می­شود. جداسازی یک جزء یا چند جزء موجود دریک مخلوط مایع توسط یک حلال مناسب که در حلال اول تقریباً یا بطور کامل نامحلول است، تحت عنوان عملیات جداسازی مایع - مایع شناخته می­شود. بدیهی است شرط لازم برای جداسازی اجزاء مورد نظر از مخلوط اولیه، حلالیت بیشتر این اجزاء در حلال مورد استفاده است. این عملیات در مواردی نظیر تولید مایعات آلی خالص از روغن­های صنعتی، برای خالص­سازی حلال اولیه صورت می­گیرد. اگر مواد مورد استخراج در دو فاز بصورت متفاوت پراکنده شوند آنگاه یک جداسازی صورت گرفته است که می­توان برای بهبود راندمان عملیات، از تعداد مراحل مختلف و یا جریان برگشتی استفاده نمود.

عملیات جداسازی مایع - مایع بیشتر در مواردی مورد استفاده قرار می گیرد که:

  • جداسازی توسط عمل تقطیر به علت تشکیل آزئوتروپ غیر ممکن باشد. مثلاً جداسازی اتانول از آب تشکیل آزئوتروپ می­دهد که می­توان اتانول را توسط پنتان جداسازی نمود.
  • هزینه تقطیر بالا باشد. مثلاً اسید استیک توسط تقطیر به سختی از محلول رقیق آن با آب خالص جدا می­گردد، در حالی که توسط عمل استخراج با اتیل استات و سپس تقطیر محلول اسید استیک و اتیل استات جداسازی ارزان تر تمام می­شود.
  • اجزاء جداشونده به حرارت حساسیت داشته باشند، مثل مواد داروئی و غذایی.       
  • نمک­های معدنی که نقطه جوش بالایی دارند.

تئوری فرآیند استخراج مایع - مایع:

در انتخاب بین تقطیر و استخراج، معمولا تقطیر انتخاب می­شود، هرچند که تقطیر نیاز به گرمایش دارد. در استخراج، باید حلال را برای استفاده مجدد (معولا با تقطیر) بازیابی کرد و عملیات ترکیبی تقطیر – استخراج از عملیات تقطیر معمولی بدون استخراج پیچیده­تر و اغلب گران تر است. ولی در استخراج انعطاف­پذیری زیادی برای انتخاب شرایط عملیات وجود دارد، زیرا نوع و مقدار حلال و همچنین دمای کارکرد را می­توان تغییر داد. از استخراج برای جداسازی بیش از دو جزء  می­توان استفاده کرد و در بعضی کاربردها به جای یک حلال باید از مخلوط حلال ها استفاده شود.­ در عملیات استخراج مایع – مایع، محلولی که باید جزء از آن استخراج گردد خوراک نامیده می­شود. مایعی که در تماس با خوراک قرار می­گیرد و اجزائی از خوراک را در خود حل می­کند حلال نامیده می­شود. به حلالی که از جزء استخراج شونده غنی باشد  Extractو به مایع باقیمانده­ که جزء مورد نظر  از آن خارج شده است  Raffinateگفته می شود.

جهت تعیین میزان راندمان جداسازی و همچنین تعیین ضریب انتقال جرم از موازنه­های کلی وجزئی جرم استفاده می گردد. بدین منظور شکل زیر راکه در آن عملیات جداسازی مایع - مایع بصورت شماتیک نشان داده شده است در نظر بگیرید:

برای توضیح بهتر محاسبات، فرض می کنیم مواد زیر در فرآیند استخراج مورد استفاده قرار گرفته اند:

 

جزء جداشونده

حلال

حلال جدا کننده

ماده

اتانول

روغن کانولا

آب (حلال آبی)

نماد

X و Y: غلظت اتانول  به ترتیب در فاز آلی  و آبی

V0: دبی حجمی روغن

Vw: دبی حجمی آب

 

 

لذا تئوری ذکر شده در این بخش نیز با اندیس­های نشانگر مرتبط با این مواد ارائه می­گردد. فرض کنید:

1: اندیس نشانگر بالای برج

2: اندیس نشانگر پایین برج

با توجه به نکات ذکر شده فوق می توان مقدار اتانول جداشده شده از فاز آلی را بصورت زیر محاسبه نمود:

m = V0 (X1-X2)

همچنین مقدار اتانول انتقال یافته به فاز آبی از رابطه زیر قابل محاسبه می باشد:

m = Vw (Y1-0)

با توجه به رابطه بقای جرم جزء جداشونده خواهیم داشت:

V0(X1-X2) = Vw (Y1-0)

همچنین ضریب انتقال جرم در برج آکنده مورد استفاده بصورت زیر قابل محاسبه می باشد:

                 

در رابطه مربوطه به محاسبه غلظت متوسط لگاریتمی مقدار هر یک از پارامترهای مورد نیاز بصورت زیر قابل محاسبه می باشد:

: نیروی پیش برنده در بالای برج برابر با (X1-X1s) که در آن X1s غلظت تعادلی جزء جداشونده در فاز آلی است و با استفاده از ضریب توزیع و مقدار غلظت جزء جداشونده در فاز آبی بالای برج قابل محاسبه می­باشد.

: نیروی پیش برنده در پایین برج برابر با(X2-0)

ضریب توزیع جزء جداشونده در عملیات استخراج مایع - مایع به صورت نسبت غلظت جزء جداشونده در فاز آبیY  به غلظت جزء جداشونده در فاز آلی X  تعریف می شود.