萃取

萃取，又稱溶劑萃取或液液萃取，亦稱抽提，是利用系統(tǒng)中組分在溶劑中有不同的溶解度來分離混合物的單元操作。即，是利用物質(zhì)在兩種互不相溶（或微溶）的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使溶質(zhì)物質(zhì)從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移到另外一種溶劑中的方法。經(jīng)過反復(fù)多次萃取，將絕大部分的化合物提取出來。萃取時如果各成分在兩相溶劑中分配系數(shù)相差越大，則分離效率越高、如果在水提取液中的有效成分是親脂性的物質(zhì)，一般多用親脂性有機(jī)溶劑，如苯、氯仿或乙醚進(jìn)行兩相萃取，如果有效成分是偏于親水性的物質(zhì)，在親脂性溶劑中難溶解，就需要改用弱親脂性的溶劑，例如乙酸乙酯、丁醇等。還可以在氯仿、乙醚中加入適量乙醇或甲醇以增大其親水性。提取黃酮類成分時，多用乙酸乙脂和水的兩相萃取，另外將萃取后兩種互不相溶的液體分開的操作，叫作分液。

萃取既存在物理存取，也存在化學(xué)萃取，具體取決于萃取過程是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。萃取是有機(jī)化學(xué)實驗室中用來提純和純化化合物的手段之一。通過萃取，能從固體或液體混合物中提取出所需要的物質(zhì)。

廣泛應(yīng)用于化學(xué)、冶金、食品等工業(yè)，通用于石油煉制工業(yè)。在濕法冶金中，萃取法常用于從水溶液中提取有價金屬或作為溶液凈化的一種手段。與其他分離法如沉淀法、離子交換法相比，萃取法具有提取和分離效率高、試劑消耗少、回收率高、生產(chǎn)能力大、設(shè)備簡單、易實現(xiàn)自動化和連續(xù)化等優(yōu)點，近年來在濕法冶金、石油化工、環(huán)境保護(hù)等部門中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

原理

利用物質(zhì)在兩種互不相溶（或微溶）的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使物質(zhì)從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移到另外一種溶劑中。經(jīng)過反復(fù)多次萃取，將絕大部分的化合物提取出來的過程稱之為萃取。萃取一般至少涉及3個組分，分別為萃取劑，溶質(zhì)和稀釋液。溶質(zhì)和稀釋液（原溶劑）統(tǒng)稱為原料液。

溶劑萃取工藝過程一般由萃取、洗滌和反萃取組成。一般將有機(jī)相提取水相中溶質(zhì)的過程稱為萃?。╡xtraction），水相去除負(fù)載有機(jī)相中其他溶質(zhì)或者包含物的過程稱為洗滌（scrubbing），水相解析有機(jī)相中溶質(zhì)的過程稱為反萃取（stripping）。

分配定律是萃取方法理論的主要依據(jù)，物質(zhì)對不同的溶劑有著不同的溶解度。同時，在兩種互不相溶的溶劑中，加入某種可溶性的物質(zhì)時，它能分別溶解于兩種溶劑中，實驗證明，在一定溫度下，該化合物與此兩種溶劑不發(fā)生分解、電解、締合和溶劑化等作用時，此化合物在兩液層中之比是一個定值。不論所加物質(zhì)的量是多少，都是如此。屬于物理變化。用公式表示。

CA/CB=K

CA、CB分別表示一種物質(zhì)在兩種互不相溶地溶劑中的量濃度。K是一個常數(shù)，稱為“分配系數(shù)”。

有機(jī)化合物在有機(jī)溶劑中一般比在水中溶解度大。用有機(jī)溶劑提取溶解于水的化合物是萃取的典型實例。在萃取時，若在水溶液中加入一定量的電解質(zhì)（如氯化鈉），利用“鹽析效應(yīng)”以降低有機(jī)物和萃取溶劑在水溶液中的溶解度，?？商岣咻腿⌒Ч?/p>

要把所需要的溶質(zhì)從溶液中完全萃取出來，通常萃取一次是不夠的，必須重復(fù)萃取數(shù)次。利用分配定律的關(guān)系，可以算出經(jīng)過萃取后化合物的剩余量。

設(shè)：V為原溶液的體積

w0為萃取前化合物的總量

w1為萃取一次后化合物的剩余量

w2為萃取二次后化合物的剩余量

wn為萃取n次后化合物的剩余量

S為萃取溶液的體積

經(jīng)一次萃取，原溶液中該化合物的濃度為w1/V；而萃取溶劑中該化合物的濃度為(w0-w1)/S；兩者之比等于K，即：

同理，經(jīng)二次萃取后，則有

因此，經(jīng)n次提取后:

當(dāng)用一定量溶劑時，希望在水中的剩余量越少越好。而上式KV/(KV+S)總是小于1，所以n越大，wn就越小。也就是說把溶劑分成數(shù)次作多次萃取比用全部量的溶劑作一次萃取為好。但應(yīng)該注意，上面的公式適用于幾乎和水不相溶地溶劑，例如苯，四氯化碳等。而與水有少量互溶地溶劑乙醚等，上面公式只是近似的。但還是可以定性地指出預(yù)期的結(jié)果。

儀器：分液漏斗

常見萃取劑：甲苯，二氯甲烷，三氯甲烷，汽油，乙醚，直餾汽油，正丁醇，四氯化碳。

要求： 萃取劑和原溶劑互不混溶 。

萃取劑和溶質(zhì)互不發(fā)生反應(yīng) 。

溶質(zhì)在萃取劑中的溶解度遠(yuǎn)大于在原溶劑中的溶解度 。

相關(guān)規(guī)律：有機(jī)溶劑易溶于有機(jī)溶劑，極性溶劑易溶于極性溶劑，反之亦然。

萃取分類

萃取機(jī)理分類

（1）簡單分子萃?。罕惠徒M分在兩相中均以中性分子存在，與溶劑不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，只是以簡單分子形式在兩相進(jìn)行物理分配。

（2）中性配合萃?。罕惠腿〗M分與萃取劑都是中性分子，他們結(jié)合生成中性配合物進(jìn)入有機(jī)相，可以把生成的中性配合物看成溶劑化物，故這種類型的萃取又可稱為溶劑化萃取。

（3）酸性配合萃?。核嘀械慕饘匐x子以陽離子或能離解為陽離子的配合離子狀態(tài)存在，與酸性萃取劑形成不含親水基團(tuán)的中性配合物進(jìn)入有機(jī)相。

（4）離子締合萃取：水相中的金屬離子以配陰離子（或陽離子）與含氧或含氮的萃取劑以離子締合的方式形成萃合物進(jìn)入有機(jī)相。

（5）協(xié)同萃?。涸谳腿r，使用兩種以上的萃取劑相混合，萃取水相中的被萃物生成油溶性更大的協(xié)萃物進(jìn)入到有機(jī)相。

萃取方法分類

**（**1）溶劑萃取：使用一種溶劑將目標(biāo)成分從其所在的混合物中提取出來。例如，咖啡因可以通過使用有機(jī)溶劑從咖啡豆中提取出來。

（2）固相萃?。涸谶@種技術(shù)中，固體顆粒被用來吸附混合物中的特定成分，然后通過洗脫劑將這些成分從固體上洗脫下來。

（3）液-液萃?。寒?dāng)混合物中的兩種液體不相溶時，可以通過分液漏斗等設(shè)備將它們分離，使得目標(biāo)成分轉(zhuǎn)移到另一種液體中。

（4）超臨界流體萃取：使用超臨界流體（如超臨界二氧化碳）作為溶劑，利用其特殊的溶解能力來提取目標(biāo)成分1。

（5）微波輔助萃?。豪梦⒉訜醽砑铀佥腿∵^程，提高提取效率。

（6）超聲波輔助萃?。菏褂贸暡ǖ恼駝幽芰縼碓黾尤軇┖突旌衔镏g的接觸，從而提高萃取效率。

發(fā)展簡史

據(jù)Derry和Williams研究，最早的液-液萃取實踐在羅馬時代即有了，當(dāng)時采用熔融的鉛為溶劑從熔融的銅中分離金和銀，然后再用硫選擇性溶解銀，分別得到金和銀。

1842年，E.-M.佩利諾研究了用乙醚從硝酸溶液中萃取硝酸鈾酰。

1903年，L.Edeleanu用液態(tài)二氧化硫作為萃取劑從煤油中萃取芳烴，以生產(chǎn)清潔的液體燃料。這是萃取的第一次工業(yè)應(yīng)用。

20世紀(jì)40年代后期，生產(chǎn)核燃料的需要促進(jìn)了萃取的研究開發(fā)。

對萃取技術(shù)的大規(guī)模研究和開發(fā)始于第二次世界大戰(zhàn)期間。當(dāng)時，由于原子能研究和應(yīng)用的需要，對于鈾、釷、钚等放射性元素的萃取提取和分離進(jìn)行了開發(fā)研究，開發(fā)研究了具有良好分離性能的萃取劑（溶劑），并發(fā)展了相應(yīng)的萃取設(shè)備如脈動塔和混和澄清槽等，使萃取技術(shù)迅速走向了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。

當(dāng)時萃取技術(shù)應(yīng)用的另一個重要進(jìn)展是青霉素的提取，它與青霉素的深層發(fā)酵技術(shù)一起，使青霉素的大規(guī)模低成本生產(chǎn)得以實現(xiàn)，成為二十世紀(jì)醫(yī)藥工業(yè)重要的技術(shù)進(jìn)步之一。

現(xiàn)今萃取通用于石油煉制工業(yè)，并廣泛應(yīng)用于化學(xué)、冶金、食品和原子能等工業(yè)。如，萃取已應(yīng)用于石油餾分的分離和精制，鈾、釷、钚的提取和純化，有色金屬、稀有金屬、貴重金屬的提取和分離，抗菌素、有機(jī)酸、生物堿的提取，以及廢水處理等。

方法

向待分離溶液（料液）中加入與之不相互溶解（至多是部分互溶）的萃取劑，形成共存的兩個液相。利用原溶劑與萃取劑對各組分的溶解度（包括經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后的溶解）的差別，使它們不等同地分配在兩液相中，然后通過兩液相的分離，實現(xiàn)組分間的分離。如碘的水溶液用四氯化碳萃取，幾乎所有的碘都移到四氯化碳中，碘得以與大量的水分開。

最基本的操作是單級萃取。它是使料液與萃取劑在混合過程中密切接觸，讓被萃組分通過相際界面進(jìn)入萃取劑中，直到組分在兩相間的分配基本達(dá)到平衡。然后靜置沉降，分離成為兩層液體，即由萃取劑轉(zhuǎn)變成的萃取液和由料液轉(zhuǎn)變成的萃余液。單級萃取達(dá)到相平衡時，被萃組分B的相平衡比，稱為分配系數(shù)K，即：

K=yB/xB

式中yB和xB分別為B組分在萃取液中和萃余液中的濃度。濃度的表示方法需考慮組分的各種存在形式，按同一化學(xué)式計算。

若料液中另一組分D也被萃取，則組分B的分配系數(shù)對組分D的分配系數(shù)的比值，即B對D的分離因子，稱為選擇性系數(shù)α，即：

α=KB·KD=yB·xD/(xB·yD)

時，組分B被優(yōu)先萃取;α=1表明兩組分在兩相中的分配相同，不能用此萃取劑實現(xiàn)此兩組分的分離。

單級萃取對給定組分所能達(dá)到的萃取率（被萃組分在萃取液中的量與原料液中的初始量的比值）較低，往往不能滿足工藝要求，為了提高萃取率，可以采用多種方法：①多級錯流萃取。料液和各級萃余液都與新鮮的萃取劑接觸，可達(dá)較高萃取率。但萃取劑用量大，萃取液平均濃度低。②多級逆流萃取。料液與萃取劑分別從級聯(lián)（或板式塔）的兩端加入，在級間作逆向流動，最后成為萃余液和萃取液，各自從另一端離去。料液和萃取劑各自經(jīng)過多次萃取，因而萃取率較高，萃取液中被萃組分的濃度也較高，這是工業(yè)萃取常用的流程。③連續(xù)逆流萃取。在微分接觸式萃取塔（見萃取設(shè)備）中，料液與萃取劑在逆向流動的過程中進(jìn)行接觸傳質(zhì)，也是常用的工業(yè)萃取方法。料液與萃取劑之中，密度大的稱為重相，密度小的稱為輕相。輕相自塔底進(jìn)入，從塔頂溢出；重相自塔頂加入，從塔底導(dǎo)出。萃取塔操作時，一種充滿全塔的液相，稱連續(xù)相;另一液相通常以液滴形式分散于其中，稱分散相。分散相液體進(jìn)塔時即行分散，在離塔前凝聚分層后導(dǎo)出。料液和萃取劑兩者之中以何者為分散相，須兼顧塔的操作和工藝要求來選定。此外，還有能達(dá)到更高分離程度的回流萃取和分布萃取。

應(yīng)用

萃取與其他分離溶液組分的方法相比，優(yōu)點在于常溫操作，節(jié)省能源，不涉及固體、氣體，操作方便。萃取在如下幾種情況下應(yīng)用，通常是有利的：①料液各組分的沸點相近，甚至形成共沸物，為精餾所不易奏效的場合，如石油餾分中烷烴與芳烴的分離，煤焦油的脫酚；②低濃度高沸組分的分離，用精餾能耗很大，如稀醋酸的脫水；③多種離子的分離，如礦物浸取液的分離和凈制，若加入化學(xué)品作分部沉淀，不但分離質(zhì)量差，又有過濾操作，損耗也大；④不穩(wěn)定物質(zhì)（如熱敏性物質(zhì)）的分離，如從發(fā)酵液制取青霉素。

例如：

（1）食品和香料行業(yè)2

食品和香料行業(yè)中，萃取技術(shù)用于從天然原料中提取芳香物質(zhì)、營養(yǎng)成分及其他活性成分：

①天然香料和精油的提?。簭闹参铮ㄈ缑倒?、薄荷、香草等）中提取精油用于調(diào)味和香氛產(chǎn)品。這些萃取物具有特定的香味，廣泛用于食品和香水中。

②咖啡和茶的處理：在咖啡脫咖啡因的過程中，利用液-液萃取將咖啡因從生咖啡豆中分離出來。類似的技術(shù)也可以用于茶葉中的咖啡因去除或濃縮茶多酚。

③天然色素和抗氧化劑：例如從紅椒中萃取辣椒素，用于食品調(diào)味和添加色彩；從葡萄籽中提取抗氧化物質(zhì)，用于食品保鮮和營養(yǎng)增強(qiáng)。

（2）制藥和天然產(chǎn)物提取

在制藥行業(yè)中，萃取技術(shù)是藥物制造和天然產(chǎn)物提取的關(guān)鍵步驟，用于分離有效藥物成分。

①植物藥的提取 ：很多傳統(tǒng)草藥成分（如黃酮類、生物堿、萜類化合物等）是通過萃取從植物中獲得的。例如，紫杉醇（抗癌藥物）通過從紅豆杉樹皮中提取得到3。

②抗生素的提取 ：從發(fā)酵液中通過萃取法分離和純化抗生素（如青霉素、紅霉素）。

③維生素和激素的分離 ：維生素E和維生素A的提取常常使用液-液萃取技術(shù)，以確保成分的純度和質(zhì)量。

（3） 環(huán)境保護(hù)

萃取技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用涉及對環(huán)境污染物的分離、檢測和處理4。

①污染物分析 ：固相萃?。⊿PE）常用于從水、土壤樣品中富集和分離有機(jī)污染物（如多環(huán)芳烴、農(nóng)藥殘留）。通過這種方法，能在低濃度下檢測污染物的存在。

②污染物去除 ：萃取技術(shù)可用于水處理系統(tǒng)中重金屬離子的去除，通過萃取劑將水中的鉛、鉻等重金屬離子分離，從而使水得到凈化。

③有毒化學(xué)品的回收 ：液-液萃取也可用于有毒溶劑和有害化學(xué)品的回收，減少環(huán)境污染。

（4）石油和化工行業(yè)

萃取技術(shù)在石油和化工行業(yè)的應(yīng)用范圍廣泛，涉及從原料精煉到最終產(chǎn)品的制造。

①石油煉制 ：在石油工業(yè)中，溶劑萃取用于從石油中去除雜質(zhì)和提純產(chǎn)品，例如從柴油中分離芳香族化合物，以改進(jìn)燃料性能。

②有機(jī)化工產(chǎn)品的分離 ：在有機(jī)合成過程中，常常需要萃取不同相的反應(yīng)物或產(chǎn)物。例如，通過液-液萃取分離出目標(biāo)有機(jī)物，而不會破壞其活性。

③高純化工產(chǎn)品的提取 ：用于生產(chǎn)高純度的有機(jī)酸、酚類化合物等。

（5）生物技術(shù)和發(fā)酵工業(yè)

萃取技術(shù)在生物技術(shù)和發(fā)酵工業(yè)中同樣有重要的地位，通常用于從復(fù)雜的生物基質(zhì)中提取目標(biāo)產(chǎn)物。

①酶和蛋白質(zhì)提取 ：酶或蛋白質(zhì)的提取可以通過液-液萃取，結(jié)合合適的緩沖溶液選擇性地分離目標(biāo)蛋白。例如，PEG-磷酸鹽水相萃取體系經(jīng)常用于分離和純化蛋白質(zhì)。

②發(fā)酵產(chǎn)物的分離 ：在發(fā)酵工業(yè)中，用萃取從發(fā)酵液中提取目標(biāo)代謝產(chǎn)物，如抗生素、有機(jī)酸和氨基酸。這種技術(shù)尤其適合于具有復(fù)雜成分的發(fā)酵液5。

（6）化妝品工業(yè)

化妝品工業(yè)中，萃取技術(shù)用于獲得高價值的天然成分，以用于護(hù)膚和美發(fā)產(chǎn)品。

①植物提取物 ：通過萃取技術(shù)從植物中獲得的抗氧化劑、抗炎物質(zhì)（如蘆薈提取物、綠茶多酚）廣泛用于護(hù)膚品中，提供抗衰老、保濕和舒緩效果。

②精油萃取 ：用于制造護(hù)膚和香氛產(chǎn)品的精油（如玫瑰油、薰衣草油），采用蒸汽萃取和溶劑萃取技術(shù)可以獲取高純度的精油。

（7） 核工業(yè)

核工業(yè)中，萃取技術(shù)是處理和純化放射性元素的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛用于燃料循環(huán)和廢料管理。

①鈾和钚的提取 ：溶劑萃取技術(shù)在核燃料循環(huán)中用于鈾、钚的分離和純化。PUREX工藝（Plutonium Uranium Redox EXtraction）是一種典型的應(yīng)用，用于從乏核燃料中分離鈾和钚。

②廢料處理 ：從放射性廢料中分離放射性同位素，減少廢料的毒性和體積，從而便于進(jìn)一步處理或長期儲存。

（8）冶金和材料提取

萃取技術(shù)在濕法冶金中起到重要作用，用于從礦石中提取特定金屬。

①銅的萃取 ：在濕法煉銅中，使用溶劑萃取法將銅離子從浸出液中分離出來，然后通過電解法獲得金屬銅。

②稀有金屬的提取 ：鈷、鎳、稀土元素的提取和分離常依賴萃取技術(shù)，以便從低濃度的浸出液中有效地獲得高純度金屬。

③金銀的萃取 ：在某些黃金提取工藝中，使用液-液萃取將金銀離子從浸出液中分離。

（9）化學(xué)分析

在化學(xué)分析中，萃取技術(shù)用于樣品的前處理，以分離目標(biāo)化合物和除去干擾物。

①樣品前處理 ：液-液萃取和固相萃取技術(shù)常用于化學(xué)分析中的樣品制備，以富集低濃度的分析物或去除基質(zhì)干擾。

②微量組分分析 ：萃取技術(shù)可以用于分析環(huán)境、食品、藥物中的微量組分，提高分析靈敏度和準(zhǔn)確性。

（10） 醫(yī)療和診斷

在醫(yī)療和診斷行業(yè)中，萃取技術(shù)用于從生物流體中分離出診斷相關(guān)的化合物。

①代謝物提取 ：用于從血液、尿液等樣本中提取代謝產(chǎn)物以進(jìn)行進(jìn)一步的分析，幫助診斷代謝紊亂或監(jiān)測藥物水平。

②生物標(biāo)志物檢測 ：通過固相萃取等技術(shù)從復(fù)雜的生物樣品中提取目標(biāo)分子，以提高診斷分析的精度。

（11） 香料和香精工業(yè)

香精提取 ：利用萃取技術(shù)從花瓣、果皮等天然物質(zhì)中提取芳香成分，用于制造香水、香皂和香精產(chǎn)品。香料的萃取方式包括水蒸氣蒸餾、超臨界二氧化碳萃取等。

（12） 新能源與可再生資源

萃取技術(shù)在新能源材料的提取和循環(huán)利用中也有應(yīng)用。

①鋰的提取 ：從鹽湖或礦石中提取鋰是電池工業(yè)的關(guān)鍵步驟，萃取技術(shù)可以有效地從鹽水中富集鋰離子6。

②電池回收 ：萃取技術(shù)被用于回收廢舊電池中的金屬元素，如鋰、鈷和鎳，從而實現(xiàn)資源的再利用。

工藝流程

設(shè)計工藝流程

（1） 萃取劑的選擇

在液-液萃取過程中，選擇合適的萃取劑，是確保萃取過程順利、經(jīng)濟(jì)性和有效性的重要因素。在選擇萃取劑時，應(yīng)結(jié)合具體條件，確保其基本性能達(dá)到要求7。

（2） 體系液-液相平衡數(shù)據(jù)的測定

在萃取工藝中，準(zhǔn)確的液-液相平衡數(shù)據(jù)對萃取工藝具有重要意義。在選擇了萃取劑之后，為了得到液-液兩相間的平衡數(shù)據(jù)，還需進(jìn)一步研究兩相間的平衡關(guān)系7。

（3） 確定工藝及操作條件

根據(jù)設(shè)定的分離目標(biāo)，確定合適的工藝條件。確定萃取過程的溫度、油水相比、萃取劑、稀釋劑的用量等條件7。

（4） 建立萃取流程

整個萃取流程包括兩個部分：溶劑萃取和再生。再生過程是指通過反萃取、蒸餾等方式將萃取劑進(jìn)行回收再利用的過程。其中反萃取指的是溶質(zhì)從有機(jī)相被萃取到水相的過程，這個過程可以回收有機(jī)溶劑，使其達(dá)到循環(huán)利用，這樣可以提升萃取過程的分離效果7。

（5） 萃取設(shè)備的設(shè)計選型

根據(jù)萃取分離要求，選擇合適的萃取設(shè)備，并對其進(jìn)行設(shè)計計算7。

萃取工藝

液-液萃取按照萃取級數(shù)可分為單級萃取和多級萃取，多級萃取可分為多級錯流萃取和多級逆流萃取，一般單級萃取所得的萃取余相中，通常還會包含較多的溶質(zhì)，工業(yè)上多采用多級萃取的方法。

• 多級錯流萃取

在多級錯流萃取操作中，每一級都加萃取劑。原料液先進(jìn)入第一級，被萃取劑萃取后，所得萃余相進(jìn)入第二級，萃余相經(jīng)多次萃取，只要萃取級數(shù)足夠多，就可以達(dá)到萃取所要求的萃取效率。多級錯流萃取一般各級萃取劑用量相等8。

• 多級逆流萃取

當(dāng)使用一定量的萃取劑對原料液進(jìn)行萃取時，由于受到相平衡的制約，單級或多級錯流萃取往往很難實現(xiàn)較高的分離水平，這時就可以采用多級逆流萃取910。

原料液從第一級進(jìn)入體系，依次經(jīng)過各級萃取，成為各級的萃余相；萃取劑從第N 級進(jìn)入體系，依次經(jīng)過各級與萃余相逆向接觸，經(jīng)過多次萃取，從第一級流出。多級逆流萃取通常是連續(xù)的，具有較大的傳質(zhì)推動力，較高的分離效率和較低的溶劑消耗等優(yōu)點，因此在工業(yè)上有很好的應(yīng)用前景。