3.2　络合萃取过程的特征

极性有机物稀溶液的分离是一个很有价值但难度很大的课题。例如，乙酸和酚类是重要的化工原料，有关产品生产过程中会排放出含乙酸或酚类（质量分数5％以下）的废水，如果不加回收和处理、任意排放，不但造成经济上的损失，还会对环境造成污染。寻找高效节能的废水处理方法是具有重要应用价值的任务。又如，有机羧酸的重要制备方法是发酵法，其特点是原料的利用率及转化率较高，由于分离对象通常为稀溶液，分离费用一般占整个产品成本的50％～60％。作为一个典型的例子，乳酸发酵液中除乳酸和葡萄糖外，还有乙酸等常见的有机羧酸，其中乳酸约含3.5％，乙酸约含1.0％。此外，发酵法制备乳酸存在着明显的产物抑制现象，发酵液中的乳酸浓度过高将直接影响过程速率。选择新的有机羧酸分离方法，保证在有利于发酵过程的条件下有效地分离发酵液中的有机羧酸，已经成为稀溶液分离技术的热门课题。再如，在中等pH条件下，两性官能团化合物在水溶液中以荷电中性分子（A^±）形态存在。通常认为，荷电中性分子极性强，在水中的活度系数小，水溶液中荷电中性分子的存在大大增加了这类物质分离的难度。氨基酸是一类重要的两性官能团化合物，广泛地应用于食品和医药工业。氨基酸产物分离过程中，往往需要调节发酵母液的pH值，导致大量的物耗和对环境的污染。因此，寻求中等pH条件下对两性官能团化合物的荷电中性分子形态的新分离方法，不仅是对分离过程基本原理的补充和完善，而且对开发高效、经济的分离工艺十分有益。

萃取过程以其分离效率高、生产能力大，能耗低、便于快速连续和安全操作等优点获得了十分广泛的应用，也一直受到研究工作者的重视。萃取分离可分为物理萃取和化学萃取两大类。物理萃取法是不涉及化学反应的物质传递过程，选择物理萃取溶剂的首要原则是“相似相溶”规则，即在不形成化合物的条件下，两种物质的分子大小、组成、结构愈相似，它们之间的相互溶解度就越大。与物理萃取不同，对于许多液液萃取体系，多伴有化学反应，即存在溶质与络合反应剂之间的化学作用，这类过程是伴有化学反应的传质过程，一般称作化学萃取。

然而，对于极性有机物稀溶液分离体系，溶质和水都是极性物质。若选择极性大的溶剂，提高溶质的物理萃取分配系数D，则萃取溶剂在水中溶解度也就大，工艺过程中会出现较大的溶剂损失或加重萃残液脱溶剂的负荷。十分明显，物理萃取分离方法对于极性有机物稀溶液分离体系常常是不理想的选择。

为了解决极性有机物稀溶液的分离问题，King等^［3～5］提出了一种新的分离方法——基于可逆络合反应的萃取分离方法。可逆络合反应萃取分离（简称络合萃取法）的工艺过程是：溶液中的待分离溶质与含有络合剂的萃取溶剂（由络合剂、助溶剂、稀释剂组成）相接触，络合剂与待分离溶质反应形成络合物，使其转移到萃取溶剂相内达到分离的目的。第二步则是通过温度变化或pH值变化等方式（称为摆动效应^［6］）使反应逆向进行，从而萃取溶剂再生循环使用，溶质得以回收。络合萃取分离方法为极性有机物稀溶液的分离提供了一条新的途径。

络合萃取方法分离极性有机物稀溶液就是利用化学作用强化萃取分离过程的典型例证。深入进行络合萃取分离有机物稀溶液的研究，不仅对认识络合萃取分离过程的自身规律有促进作用，而且对通过化学作用强化萃取分离过程，实现工程应用具有重要的指导意义。

络合萃取过程是典型的化学萃取过程。在这类工艺过程中，溶液中待分离溶质与含有络合剂的萃取溶剂相接触，络合剂与待分离溶质反应形成络合物，并转移至萃取相内。相间发生的络合反应可以用简单的反应萃取平衡方程式加以描述：

　　 （3-7） 　　

络合萃取的表观萃取平衡常数K的表达式为：

　　 （3-8） 　　

如果式（3-7）或式（3-8）中的n值为1，而且假设未参与络合反应的溶质在料液相与萃取相之间的分配符合线性分配关系，可以获得如图3-1所示的典型的萃取平衡线。十分明显，利用通常的萃取平衡分配系数为参数进行比较，络合萃取法在低溶质平衡浓度条件下可以提供非常高的分配系数值。待萃取溶质浓度越高，络合剂就越接近化学计量饱和。因此，络合萃取法可以实现极性有机物在低浓区的完全分离。此外，由于溶质的分离取决于络合反应，络合反应是在络合剂的特殊官能团与具有相应官能团的溶质之间发生的，所以，络合萃取法具有很高的选择性。

图3-1　络合萃取的典型相平衡关系