Экстрагирование жидкостей
В лабораторной практике чаще всего возникает необходимость в извлечении твердых или жидких веществ из водных растворов, хотя изложенные ниже принципы в равной мере применимы и к экстрагированию из других жидкостей.
Эффективность извлечения зависит от того, насколько удачно выбран растворитель, который должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1) не смешиваться с водой и как можно меньше в ней растворяться;
2) хорошо растворять целевой продукт и плохо —примеси, если таковые присутствуют в растворе (или наоборот: плохо — продукт, хорошо — примеси) ;
3) легко удаляться из вытяжки или обеспечивать простое выделение экстрагируемого вещества. Для извлечения веществ, плохо растворимых в воде, экстрагент выбирают из неполярных растворителей, таких как петролейный эфир, бензин, цикло-гексан, четыреххлористый углерод и т. д. Вещества,обладающие средней растворимостью в воде, извлекают бензолом, хлороформом, дихлорэтаном, хлористым метиленом, эфиром. Успешное экстрагирование хорошо растворимых в воде соединений может быть осуществлено растворителями с высокой растворяющей способностью — этилацетатом, бутилацетатом, бутиловым спиртом и др. Часто смеси растворителей обладают более высокой экстракционной способностью, чем чистые растворители в отдельности. При обработке подлежащего экстрагированию водного раствора некоторым объемом выбранного растворителя извлекаемое вещество распределяется между водой и растворителем в соотношении, зависящем от взаимной растворимости вещества в каждой из жидкостей. Ясно, что однократная обработка не приводит к исчерпывающем у извлечению целевого продукта. Обычно экстрагирование проводят последовательно несколькими небольшими порциями растворителя.
Эффективность и полнота извлечения могут быть повышены также путем уменьшения растворимости целевого продукта в водном слое. Один из таких приемов, называемый высаливанием, заключается в насыщении исходного раствора нейтральной неорганической солью, например хлоридом натрия. В некоторых случаях высаливание позволяет в несколько раз сократить расход растворителя, что уменьшает трудоемкость как самого извлечения, так и последующего выделения продукта. При экстрагировании хорошо растворимых в воде соединений высаливание является необходимой мерой.
Многие органические вещества кислого характера, диссоциирующие в воде, полнее извлекаются при подкислении раствора минеральными кислотами. Аналогично, добавление щелочей способствует лучшему извлечению из водного раствора некоторых органических соединений основного характера. С другой стороны, с помощью солеобразования можно предотвратить переход в экстракт примесей щелочного или кислого характера. Загрязнения кислого характера связывают добавлением щелочей, основного — кислот.
Экстрагируемость целевого компонента может быть улучшена и другим путем — повышением его растворимости в извлекающем растворителе. Большинство неорганических солей, например, не растворяется в органических жидкостях, но после обработки их водных растворов соответствующими комплексообразователями они с успехом экстрагируются многими органическими растворителями. Метод обеспечивает высокую избирательность извлечения и широко используется, например, в аналитической химии, в химии редких элементов. Так, соли железа нерастворимы в большинстве органических растворителей, но из 6 н. раствора соляной кислоты трехвалентное железо легко экстрагируется диэтиловым эфиром, так как в таком растворе оно образует комплексное соединение состава H+[FeCl4]
, растворимое в эфире. Для извлечения из жидкостей удобнее всего пользоваться коническими делительными воронками (рис. 63). Исходный раствор и экстрагирующую жидкость наливают в воронку, заполняя ее не более чем на 2/3. Далее, придерживая пробку и кран руками, несколько ра з осторожно переворачивают воронку вниз и вверх пробкой. При использовании легколетучих растворителей рекомендуется после каждого переворачивания спускать избыточное давление из воронки, совмещая отверстие в верхнем тубусе с отверстием в пробке или открывая кран при положении воронки вниз пробкой. Не следует энергично трясти воронку, так как это может привести к образованию трудно расслаивающейся эмульсии. После полного разделения слоев вынимают пробку, нижний слой спускают через кран, а верхний сливают через тубус воронки.
Если слои разделяются очень медленно вследствие малой разницы в плотностях воды и органического растворителя, полезно насытить водный слой концентрированным водным раствором инертной неорганической соли. В случае образования стойкой эмульсии рекомендуется профильтровать содержимое воронки. Иногда разрушению эмульсин способствует добавление нескольких капель спирта. Извлечение новыми порциями растворителя продолжают до тех пор, пока качественная проба не покажет отсутствия целевого продукта в последней порции экстракта. Полученные вытяжки соединяют, промывают в делительной воронке небольшим количеством воды или водного раствора соли, разделяют образовавшиеся два слоя, как указано выше, и органический слой осушают осушителем. Промывка позволяет избавиться от примесей, которые в небольшом количестве могли перейти в экстракт. Значительно уменьшить трудоемкость процесса и сократить расход растворителя позволяет применение экстракторов непрерывного действия, работающих по принципу аппарата Сокслета. Простейший а ппарат для экстрагирования растворов более легким растворителем изображен на рис. 64.
Рис. 63. Коническая делительная воронка.
Рис. 64. Аппарат для экстрагирования растворов более легким растворителем: 1 — экстрагируемый раствор; 2—экстракт; 3— обогреваемая колба; 4—обратный холодильник.
Рис. 65. Аппарат для экстрагирования растворов более легким растворителем, изготовленный из аппарата Сокслета: 1 — экстрагируемый раствор; 2 — экстракт; 3 — трубка для подъема паров и стекания экстракта; 4 — воронка с длинной трубкой и барботером; 5—обратный холодильник.
Рис. 88. Приборы (а, б) для экстрагирования растворов более тяжелыми растворителями: 1 —экстрагируемый раствор; 2 — экстракт; 3 —обогреваемая колба.
Растворитель из обратного холодильника попадает в воронку с длинной трубкой, которая оканчивается барботером из пористой стеклянной пластинки или оттянутым носиком. В виде мелких капель растворитель проходит через экстрагируемый раствор; экстракт скапливается в верхнем слое, откуда стекает в обогреваемую колбу, Прибор для экстрагирования жидкостей легким растворителем может быть изготовлен из аппарата Сокслета, для чего сифонную трубку последнего отпаивают или затыкают (рис. 65). Непрерывное извлечение растворителями, более тяжелыми, чем вода (четыреххлористым углеродом, хлороформом и т. д.), может быть осуществлено в приборах, изображенных на рис. 66. По тому же принципу из имеющейся в лаборатории посуды можно изготовить приборы для непрерывной экстракции самых различных размеров и конструкций в соответствии с возникшими потребностями.
Источник
Горячее экстрагирование
Экстрагирование водой или водными растворами. Горячее экстрагирование водой или водными растворами проводится в так называемых «перколяторах» (рис. 439). Твердое вещество, например растения или их части, после измельчения до определенной степени помещают в перколятор, заливают горячей водой, закрывают крышку и в зависимости от условий нагревают прибор одним из известных способов. Через установленное времи открывают нижний кран и дают стечь водной вытяжке. Если необходимо, проводят повторную экстракцию.
Экстрагирование органическими растворителями. Горячее экстрагирование органическими растворителями, обычно применяемое для извлечения труднорастворимых веществ и веществ, которые перед растворением сильно набухают, занимает много времени и часто длится от 6—8 ч до суток и больше.
Поэтому конструкции приспособлений для горячего экстрагирования должны быть рассчитаны на возможность длительной операции и работы аппарата без наблюдения. Горячее экстрагирование органическими растворителями встречает наибольшие трудности именно в аппаратурном оформлении. Один из наиболее удачных аппаратов для горячего экстрагирования изображен на рис. 440. Он также является усовершенствованной формой аппарата Сокслета и состоит из экстрактора /, помещенного внутри приемника 2. В результате этого экстрактор постоянно обогревается и растворителем, и его парами. Экстрактор / имеет сифон 3, через который раствор периодически стекает в приемник. В верхней части экстрактора имеется отверстие 4, через которое пары растворителя попадают в экстрактор и холодильник 5. Холодильник — на шлифе.
Растворитель наливают перед экстракцией непосредственно в приемник, причем для этого холодильник следует снять. Растворитель наливают в таком количестве,
чтобы уровень его в приемнике был приблизительно -на 1,5—2 см ниже открытого конца сифонной трубки, а в экстракторе — немного ниже верхнего колена ее.
Вещество, подлежащее экстрагированию, или поме» щают в готовый патрон, или же заворачивают в фильтро» вальную бумагу, а затем кладут в экстрактор. После окончания экстрагирования прибор разбирают, чистят и моют.
Для этой же цели можно применять приборы, изображенные на рис. 441. Они состоят, подобно прибору Сок» слета из трех частей: колбы, экстрактора и обратного, холодильника. Экстрактор представляет собой открытую с обоих концов цилиндрическую трубку, в нижней части которой, на некотором расстоянии от суженного конца, находится стеклянная или кварцевая спираль, или же фарфоровая сетка, подобная тем, которые применяются при фильтровании.
Материал, подлежащий экстрагированию, например части растения, помещают в экстрактор приблизительно до половины высоты от спирали или сетки до холодильника. В колбу на 2/з объема ее предварительно наливают соответствующий растворитель.
В колбу укрепляют экстрактор (обычно на шлифе), к верхней части которого присоединяют обратный холодильник на шлифе или пальчиковый холодильник без шлифа. Колбы могут быть различной емкости — от 100 до 1000 мл. Соответственно изменяются и размеры остальных частей прибора.
Очень удобен в работе экстрактор, показанный на рис. 442. Экстрагируемое вещество помещают в патрон, представляющий открытую с обеих сторон трубку с отогнутыми краями. Нижний конец этого патрона закрывают одним-двумя слоями фильтровальной бумаги, которую плотно прикрепляют к патрону ниткой.
На верхнем конце патрона имеются три крючка (стеклянные или из платиновой проволоки), при помощи которых патроп подвешивают к соответствующим крючкам холодильника. Экстрагирующую жидкость наливают в колбу и нагревают до кипения. Пары ее направляются в холодильник, там конденсируются, стекают на экстрагируемое вещество, проходят через весь слой его и далее через фильтровальную бумагу стекают обратно в колбу. Так как экстракция идет почти при температуре паров растворителя, то она обычно заканчивается в очень короткий срок.
Источник
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
Экстрагирование твердых веществ является довольно-распространенной операцией. В зависимости от характера вещества, которое должно быть извлечено, примеияют или холодный растворитель (холодное экстрагирование), или горячий растворитель (горячее экстрагирование). Последнее бывает необходимым в случае экстрагирования веществ, набухающих перед растворением или плохо растворимых в холодном растворителе.
Экстрагирование водой или водными растворами. Вода является одним из важнейших растворителей для большой группы неорганических и органических веществ. Кроме чистой воды, иногда применяют в качестве растворителей водные растворы кислот, щелочей или различных солей. Экстрагирование твердых веществ водой или водными растворами часто называют выщелачиванием.
Обычно водную экстракцию или выщелачивание проводят в стеклянном или фарфоровом стакане. Чем труднее или меньше растворяется извлекаемое вещество в воде, тем больше должно быть отношение «растворитель; твердое вещество» (ж : т), чтобы больше извлечь за один прием. После добавления воды или водного раствора необходимо некоторое время перемешивать смесь или механизированным путем (см. гл. 8 «Растворение»), или просто стеклянной палочкой. Затем, прекратив перемешивание, жидкости дают отстояться. Отстоявшуюся чистую жидкость сливают при помощи стеклянной палочки в воронку на фильтр. Воронку вставляют в заранее заготовленную посуду (приемник). Сливать нужно так, чтобы экстрагируемое вещество по возможности не попадало на фильтр. Пусть лучше над твердым веществом останется небольшой слой жидкости. После этого оставшуюся массу снова заливают растворителем и повторяют операцию до полного извлечения нужного вещества. Окончание экстракции определяют по специфической реакции на извлекаемое вещество. Одну-две капли фильтрата из конца воронки помещают на часовое стекло и добавляют нужный реактив. Если проба дает положительную реакцию — выщелачивание продолжают. Если же проба будет отрицательной — выщелачивание заканчивают. В лабораторных условиях можно создать батарею для выщелачивания. Для этого берут несколько стаканов, помещают в них твердое вещество, подлежащее выщелачиванию, и в каждый стакан вставляют воронку (вставлять в воронку фильтр в данном случае нет необходимости). Воду или водный раствор наливают в первый стакан, перемешивают и дают отстояться. После от» стаивания жидкость из первого стакана переливают во второй, а в первый наливают свежий растворитель. Из второго стакана подобным же образом раствор тревб* дят в третий и т. д., из первого снова во второй и т. д. Жидкость из последнего стакана сливают в приемник через воронку с фильтром. Таким путем удается получить более концентрированный раствор экстрагируемого вещества. Такое выщелачивание называют противо» точным.
Для ускорения процесса вместо длительного отстаива» ния жидкость можно отсосать при помощи вакуум-насоса ‘ или при помощи «фильтровальных палочек». Или же, рас» положив стаканы ступенчато по высоте, жидкость можно сливать при помощи сифонных трубок. Таким путем процесс несколько автоматизируется. На рис. 434 показана схема прибора подобного рода. При работе на дно каждого сосуда около сливной трубки помещают слой фильтрующего материала, например стеклянную вату, длинноволокнистый асбест и пр.
Иногда для экстрагирования из твердых веществ применяют делительные воронки, однако для экстраги-рорания из тонко измельченных веществ они очень неудобны.
Когда приходится выщелачивать плав, полученный в тиглях при проведении некоторых химических анализов, можно пользоваться приспособлением, показанным на рис. 435. Из стеклянной палочки изготовляют крючок, одним концом которого зацепляют тигель с плавом, а другим — стенку стакана. В стакан наливают жидкость,
в которой должен раствориться плав (например, воду или раствор кислоты), и закрывают часовым стеклом. Приспособление оставляют стоять до тех пор, пока весь плав не растворится. Если нужно, проводят постоянное подогревание, поместив стакан на водяную баню или просто в горячую воду, налитую в фарфоровую чашку.
При таком закреплении тигля (см. рис. 435) раствор можно не перемешивать, так как около плава возникают конвекционные токи, создаваемые разностью плотностей жидкости у поверхности сплава (насыщение) и верхними слоями ее; образовавшийся более насыщенный раствор опускается на дно, а менее насыщенный — подходит к плаву.
Экстрагирование органическими растворителями.
В этом случае применяют так называемый аппарат Сокслета (рис. 436). Аппарат состоит из трех частей; колбы, экстрактора и холодильника, обычно шарикового. Все части аппарата соединяются при помощи шлифов. Каждый аппарат обязательно снабжен запасной колбой.
Основной частью аппарата является экстрактор (рис. 437), верхняя (широкая) часть его соединяется с колбой двумя трубками: одной более широкой, через которую пары жидкости поступают в экстрактор, и изогнутой трубкой (сифоном), служащей для стока сконденсированной жидкости.
Рис. 436. Группа аппаратов Сокслета для экстрагирования.
Рис. 437. Экстрактор для аппарата Сокслета.
Принцип, на котором основано устройство аппарата Сокслета, очень прост. Пары какой-либо жидкости, поступая через боковую трубку в экстрактор, сгущаются в холодильнике, и образовавшаяся жидкость поступает в широкую часть экстрактора, где помещается вещество, из которого нужно что-либо экстрагировать. Когда уровень жидкости достигнет уровня колена отводной трубки, жидкость по последней стекает в колбу.
При этом происходит постепенно растворение вещества и оно вместе с растворителем поступает в колбу, где его накопляется все больше и больше, причем количество жидкости практически не изменяется. Это позволяет ограниченным объемом растворителя извлечь неограниченное количество экстрагируемого вещества, так как оно все время обрабатывается чистым растворителем.
Аппараты Сокслета устанавливают обычно по нескольку штук в специальной водяной бане с определенным числом гнезд для колб. Аппарат можно также установить и отдельно на обычной бане, укрепив экстрактор и холодильник на одном штативе.
Работа с аппаратом Сокслета очень несложна и требует только осторожного обращения с экстрактором при сборке и разборке аппарата.
При проведении экстракции прежде всего плотно соединяют колбу и экстрактор, потом в экстрактор вводят экстрагируемое вещество, плотно завернув его в чистую фильтровальную бумагу и перевязав чистой ниткой. В продаже имеются специальные патроны, в которые помещают экстрагируемое вещество. Затем в экстрактор наливают растворитель до тех пор, пока он-не начнет стекать через отводную трубку в колбу; добавляют еще половину объема налитого растворителя, присоединяют к экстрактору холодильник и пускают в него воду; проверяют плотность соединения отдельных частей аппарата, прочность их прикрепления к штативу и после этого начинают нагревание.
Если извлекаемое вещество окрашено, то и раствор его окрашен и конец экстрагирования определяется тем моментом, когда жидкость в экстракторе станет бесцветной. После того как жидкость стечет еще два-три раза, операцию кончают, обогрев бани прекращают и аппарату дают остыть. В тех случаях, когда экстрагируемое вещество бесцветно, приходится обращать внимание на продолжительность операции, ведя ее достаточно долгое время и учитывая растворимость экстрагируемого вещества в растворителе.
Или же поступают так: стеклянную трубку подходящей длины, имеющую узкий внутренний диаметр, опускают через холодильник в экстрактор. Пальцем закрывают верхний конец трубки и вынимают ее. Захваченную часть раствора выливают на часовое стекло и выпаривают. Если после испарения растворителя на стекле не будет какого-либо матового пятна или остатка, экстракцию можно считать законченной.
Окончание экстрагирования бесцветных веществ можно определять также путем измерения коэффициента преломления (рефракции) вначале чистого растворителя (перед началом перегонки), а затем экстракта. В конце экстрагирования коэффициент рефракции растворителя должен быть или близок или равен коэффициенту рефракции чистого растворителя.
При разборке аппарата прежде всего закрывают воду, затем осторожно снимают холодильник; отнимают экстрактор и дают стечь из него остаткам жидкости в колбу, для чего экстрактор наклоняют так, чтобы жидкость переливалась через отводную трубку.
Содержимое колбы (экстракт) переливают в другой, заранее приготовленный сосуд, колбу ополаскивают чистым растворителем и эту обмывочную жидкость сливают с экстрактом. Чтобы выделить экстрагированное вещество, растворитель отгоняют. Эту операцию проводят обычным путем, т. е. монтируют прибор, состоящий из колбы Вюрца,, холодильника и приемника. Колбу Вюрца нагревают на водяной бане, отгоняющийся растворитель собирают в приемник (растворитель можно использовать снова). Когда растворитель отогнан, выделенное вещество переводят из колбы Вюрца в приготовленный сосуд.
Экстрагирование нужно проводить только чистым растворителем; никогда нельзя брать технический продукт, так как в этом случае экстрагируемое вещество неизбежно загрязнится.
При экстрагировании петролейным эфиром или бензином следует брать продукт, кипящий при какой-нибудь определенной, известной температуре или же в известных пределах ее. Например, петролейный эфир имеет температуру кипения в пределах 30—50, 40—60, 50—70, 60—8O 0C
Рис. 438. Схема видоизмененного аппарата Сокслета: 1 — сифонная трубка, 2 — пальчиковый холодильник: 3 — пароотводная трубка.
Аппарат Сокслета усовершенствовался не один раз. Одна из удачных форм приведена на рис. 438. Этот аппарат имеет удлиненный экстрактор, причем в среднюю открытую часть его вставлен холодильник особой конструкции (пальчиковый).
Трубки для ввода и вывода воды из холодильника поставлены почти вертикально, что представляет большое удобство при сборке батареи экстракторов. Конструкция холодильника имеет особенное значение. Пальчиковый холодильник удобен тем, что предотвращает потерю растворителя в результате испарения, что неизбежно происходит при открытых шариковых холодильниках. Кроме того, охлаждение паров растворителя происходит более интенсивно, так как поверхность охлаждения велика и образована не только внутренней стенкой, охлаждаемой водой, но и наружной, охлаждаемой воздухом.
Холодильник может быть подвешен на звонковой проволоке пли веревке, и при разборке аппарата его можно поднимать вверх. То лее самое может быть проделано и при внесении патрона или образца, подлежащего экстракции, или же для введения растворителя.
Экстрактор вставляют в колбу от аппарата Сокслета (на рис. 439 не показана). В таком аппарате экстракция может проводиться по 3—4 дня без всякого наблюдения и без добавления растворителя. С обычным аппаратом Сокслета работать таким образом нельзя.
Было предложено много аппаратов для лабораторного экстрагирования твердых веществ. Большинство из них являются или упрощенными, или усложненными вариациями аппарата Сокслета.
Источник
