Extracția lichid solidă

1.1. Principii fundamentale in extractia lichid-solid

Principiul extractiei unui component util solid (solut) aflat intr-o masa solida consta in dizolvarea treptata a acestuia incepand de la suprafata particulei, creand o structura poroasa in interiorul solidului, urmata de patrunderea solventului in interiorul particulei, dizolvarea solutului si saturarea sa in apropierea frontului de dizolvare, urmata de difuzia de solut prin porii umpluti cu solvent spre suprafata particulei solide, apoi difuzia in masa exterioara de solvent, formand extractul. In general, procesul poate fi considerat ca fiind format din trei etape importante si anume:

- dizolvarea solutului in solvent,

- difuzia interna a solutului in solventul din porii spre suprafata particulei si

- transportul solutului de la suprafata particulei solide in masa de lichid.

Desi oricare din aceste etape poate limita viteza globala a procesului, de cele mai multe ori, insa, dizolvarea decurge atat de rapid incat are un efect neglijabil asupra vitezei globale. In majoritatea cazurilor, extractia este controlata de difuzia interna, rareori simultan de difuzia interna si cea externa si numai foarte de difuzia externa.

1.2 Spalarea extractiva si factorii caracteristici

Se intelege prin spalare extractiva procesul de solubilizare preferentiala a unuia sau mai multor constituienti aflati in solidul supus contactarii cu un mediu lichid adecvat.

Pentru aceasta operatie de spalare extractiva se mai folosesc si urmatoarele denumiri particulare:

-- extractie lichid-solid

-- lixivitatie, in specal pentru a defini spalareaalcalinelor din cenusa de lemn

-- decoctie, pentru a defini o spalare cu mediu de lucru la temperatura de fierbere.

Spalarea extractiva, nelipsita ca operatie unitara in separarea unor compusi din produse naturale vegetale sau animale, este de asemenea larg intalnita si in alte domenii de mare interes cum ar fi spre exemplu industria de separare a minereurilor[1].

Eficacitatea procedeului extractiv este influentata de o serie de factori care depind de:

- natura fazei solide;

- natura solventului utilizat pentru extractie:

- conditiile de operare si particularitatile constructive ale echipamentului de lucru.

Natura si proprietatile solidului supus extractiei determina mersul procedeului extractiv. Structura solidului, functie de natura sa (minerala, vegetala sau animala), poate fi poroasa, compacta sau celulara. Solutul poate fi uniform distribuit in toata masa de solid, prin dizolvare lasand in urma o structura poroasa de inert. In cazul unei concentratii ridicate de solut, structura poroasa se poate sfarama aproape instantaneu formand un depozit de material inert fin, iar accesul solventului la solut nefiind impiedicat. In unele cazuri, solutul poate fi concentrat in microzone ale solidului, care poate avea o structura poroasa permeabila sau una compacta, ce impiedica patrunderea solventului. In acest ultim caz, o importanta deosebita o va avea prepararea fazei solide (asigurarea unei granulometrii corespunzatoare) astfel incat solventul sa intre in contact direct cu solutul. Daca solidul supus extractiei are o structura celulara (cazul materialelor vegetale sau animale), ce inglobeaza solutul intracelular, viteza de extractie va fi semnificativ diminuata de rezistenta peretelui celular prin care solutul va trece osmotic. Pentru acest tip de materiale, maruntirea este necessara pentru a favoriza patrunderea solventului pana la nivel celular.

Din cele de mai sus reiese evident ca dimensiunea particulelor poate influenta viteza de extractie in mai multe moduri. Cu cat dimensiunea va fi mai mica, cu atat parcursul difuzional intern va fi mai mic iar suprafata de contact dintre cele doua faze (lichida si solida) va fi mai mare si, in consecinta, si viteza de transfer de masa va creste. Prin utilizarea, insa, de particule de dimensiuni foarte mici, poate apare pericolul ingreunarii separarii fazelor, respectiv al drenarii reziduului. In acelasi timp, trebuie luat in considerare efortul energetic de maruntire, care, in cazul minereurilor, pentru a ajunge la particule foarte fine, este important.

Natura solventului utilizat in operatiile de extractie, determina nu numai conditiile tehnologice de realizare a procesului, dar si economicitatea acestuia. In alegerea solventului trebuie sa se tina seama de urmatoarele aspecte:

- selectivitate ridicata fata de solut;

- temperatura de fierbere, proprietati calorice si presiune de vapori corespunzatoare pentru a permite o separare usoara de solut si a evita pierderile de solvent prin vaporizare;

- densitate relativa si viscozitate scazuta pentru a permite o mai buna penetrare in structura solida si sa faciliteze circulatia fazei lichide in utilajul de extractie;

- necoroziv, toxicitate si pericol de inflamabilitate cat mai redus;

- recuperare usoara, atat din extract cat si din reziduu, si de reutilizare;

- accesibil si la un pret de cost cat mai scazut.

In practica sunt rare cazurile in care solventul utilizat in extractie sa corespunda tuturor cerintelor impuse. De regula, alegerea solventului se face, pentru fiecare caz in parte, prin acceptarea unui compromis intre criteriile mai sus mentionate.

Cele mai importante categorii de solventi sunt: sulfura de carbon, eterul etilic, acetona, compusi alifatici clorurati, alcooli inferiori, hidrocarburi aromatice, fractiuni petroliere. Efecte deosebite pot fi obtinute prin utilizarea unor amestecuri de solventi.

In ceea ce priveste conditiile de operare un rol esential il are temperatura la care se realizeaza extractia. In mod obisnuit este de dorit ca extractia sa se realizeze la temperatura maxima posibila deoarece solubilitatea materialului ce urmeaza a fi extras creste cu temperatura, permitand obtinerea unor solutii concentrate. Concomitent creste si valoarea coeficientului de difuziune, ceea ce determina o crestere a vitezei de extractie. Temperatura de lucru este limitata, insa, din considerente tehnologice (evitarea unor reactii chimice ireversibile dintre solut si solvent, evitarea extractiei unor specii nedorite) sau economice (pierderi de solvent prin evaporare).

Conditiile hidrodinamice din utilajul de extractie sunt, de asemenea, importante, deoarece conduc la prevenirea sedimentarii particulelor solide, in cazul operarii discontinue in recipiente cu amestecare. In cazul extractoarelor cu functionare continua, un regim hidrodinamic adecvat reduce retinerea fixa de faza solida.

In ceea ce priveste modul de operare si echipamentul de lucru extractia lichid - solid se poate realiza in regim discontinuu sau semicontinuu, cand operarea este discontinua, respectiv in regim continuu. In toate cazurile utilajele folosite realizand o contactare in trepte sau diferentiala.

Alegerea metodei de extractie este determinata de natura si concentratia de solut, de distributia sa in faza solida, precum si de marimea particulelor acesteia. In ceea ce priveste alegerea echipamentelor de extractie, aceasta este determinata, in plus si de factorii responsabili ce actioneaza asupra limitarii vitezei de extractie. solidului, respectiv inserarea completa a solidului in lichid.

Alegerea utilajului utilizabil intr-un caz dat depinde in mare masura de forma in care se gaseste materia prima (este solid macinat sau nemacinat, este o pasta, ect.) de dificultatile prelucrarii ei, de pretul ei si al utilajelor. Consideratii de acest fel au dus la mentinerea in

Charpentier, B. A. and Sevenants, M. R ; (1988) Supercritical fluid extraction and chromatography, Washinton D.C.: American Chemical Society.

Coulson, J.M. and Richardson, J.F., (1978) Chemical Engineering, Leaching (Vol. 2, 375 - 379), Oxford: Pergamon Press.

Dobre, T. si Floarea, O.; (1997) Separarea compusilor chimici din produse naturale, Bucuresti: Matrix Rom.

Kirk - Othmer (1993) Encyclopedia of Chemical Technology, (Vol.10, 181-195), New York: John Wiley & Sons Inc.

Perry, R.H. and Chilton, C. H.; (1973) Chemical Engineers' Handbook, Tokyo: McGraw- Hill Kogakusha, Ltd.

Romankov, P.G.; Raskovskaja, N.B.; Frolov, V.F. (1979) Stoffubergangsprozesse der chemischen Technologie, (89-142), Berlin: Akademie Verlag.

Ullmann's, (1997) Encyclopedia of Chemical Technology, (CD-Rom), Wiley,WCH

Vanck, W.R.A. si Muller, H., (1978) Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnick, (710-728) Leipzig: VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie.