《y液液萃取》课件

液液萃取基础与应用欢迎学习液液萃取技术课程液液萃取是化学工程中的重要分离技术，通过两种不互溶的液体之间的物质传递，实现目标组分的分离与纯化本课程将系统介绍液液萃取的基本原理、设备、操作方法、应用领域以及最新技术发展，旨在帮助各位掌握这一在化工、制药、环保等领域广泛应用的关键技术我们将从基础理论到实际应用，由浅入深地探讨萃取过程中的科学原理和工程实践，并通过丰富的案例分析帮助大家深入理解液液萃取的发展历史初期阶段19世纪最早的液液萃取技术源于19世纪的实验室分析方法，主要应用于有机化学物质的分离与提纯工业化阶段20世纪初随着化学工业的发展，液液萃取开始在石油精炼和有机化学品生产中得到应用核工业应用1940-1950年代二战后，萃取技术在核燃料处理和同位素分离中取得重大突破，PUREX流程成为经典案例现代技术时期1980年至今计算机辅助设计、高效设备和新型萃取剂的开发使液液萃取技术达到新高度，应用领域不断拓展液液萃取技术经过百余年的发展，已从简单的实验室操作发展为精密的工业分离过程，特别是在分析化学、天然产物提取和有机合成等领域取得了巨大进步常见萃取体系举例水-有机溶剂体系酸碱萃取体系•水-正己烷体系适用于非极性有机•铜萃取体系使用壬基酚-磺酸萃取物的分离铜离子•水-二氯甲烷体系常用于中等极性•稀土萃取体系P507萃取剂在稀土有机物的萃取分离中的应用•水-乙酸乙酯体系在制药工业中广•酚类萃取利用pH调控的可逆萃取泛应用过程盐析辅助体系•盐析-水体系通过加入无机盐降低水溶性•盐酸-乙醚体系用于有机酸的萃取•氯化钠-水-醇体系形成两相分离系统这些常见的萃取体系在不同应用场景中发挥着重要作用选择合适的萃取体系需要考虑溶质的物理化学性质、溶剂的选择性、萃取剂的回收性以及环境友好性等多重因素液液萃取的基本原理Nernst分配定律动态平衡过程液液萃取的理论基础是Nernst分配定律，该定律指出在恒定温萃取是一个动态平衡过程，溶质分子在两相间不断迁移，最终达度下，溶质在两种互不相溶的溶剂中达到平衡时，其在两相中的到动态平衡状态在这个过程中，溶质的传质速率受到多种因素浓度比为一个常数影响数学表达式K=C₁/C₂•两相界面积大小•搅拌强度式中，K为分配系数，C₁和C₂分别是溶质在两相中的平衡浓度•溶质扩散系数•两相接触时间理解分配定律对于设计和优化萃取过程至关重要在实际应用中，通过调节溶剂性质、pH值、温度等条件，可以改变分配系数，从而提高萃取效率分配系数的定义与计算分配系数定义分配系数K是表征溶质在两相中分配情况的重要参数，定义为溶质在有机相中的浓度与水相中浓度的比值K=Corg/Caq实验测定方法通过测定平衡后两相中溶质的浓度，直接计算分配系数常用分析方法包括色谱法、光谱法、质谱法等理论预测计算利用热力学模型、QSPR模型或分子模拟方法预测分配系数，为新体系开发提供理论指导实际应用举例例如，碘在水/四氯化碳体系中的分配系数约为85，这意味着碘更倾向于溶解在四氯化碳中，是一个有利的萃取体系分配系数大小直接决定了萃取的可行性和效率一般来说，分配系数越大，单级萃取效率越高；当分配系数较小时，需要采用多级萃取或反萃技术来提高总回收率溶质分配方式溶剂化萃取离子对萃取溶质被萃取剂分子包围或溶剂化后转移至有机简单分子分配水相中的离子与反离子或萃取剂形成电中性离子相如冠醚对碱金属离子的萃取就属于此类溶非极性或弱极性分子在有机相和水相之间的简单对后转移到有机相例如，金属离子与萃取剂形剂化效应对于难溶于有机相的极性分子或离子的分配，遵循经典的分配定律如碘在水/四氯化成的螯合物可以转移到有机相中这种机制在金萃取尤为重要碳体系中的分配这种情况下，溶质在两相中以属离子萃取中极为常见相同的分子形式存在，只是浓度不同理解不同的分配方式对于选择合适的萃取剂和优化萃取条件至关重要在实际应用中，往往需要通过调节pH值、加入络合剂或盐析剂等方法来改变溶质的分配方式，提高萃取效率萃取效率与分配比单级萃取与多级萃取单级萃取多级萃取单级萃取是最基本的萃取操作，原料液与萃取剂一次接触后分多级萃取是将萃取过程分为多个阶段进行，可以显著提高总体萃离其特点是取效率主要类型包括•操作简单，设备要求低•多次批次萃取分多次使用新鲜萃取剂•适用于分配系数较大的体系•串级萃取多个萃取单元串联•萃取效率有限，受制于热力学平衡•逆流萃取料液与萃取剂逆向流动回收率计算E=D/D+1（相体积相等时）N次等体积萃取总回收率E=1-1/1+D^N在实际工业过程中，多级萃取尤其是连续逆流萃取是最常用的操作方式，它能在较低的溶剂用量下实现高回收率，并可以通过调整级数和操作参数来优化分离效果多级逆流萃取流程进料阶段接触传质原料液和萃取剂从装置的两端引入，分别朝在每个萃取级中，两相充分混合并发生物质相反方向流动传递逆向流动相分离分离后的有机相和水相分别进入相邻的萃取混合后的两相在分离区域实现完全分离级，继续与新的相接触多级逆流萃取是工业上最常用的液液萃取操作方式，具有溶剂利用率高、分离效率好、能耗低等优势典型应用包括稀土元素分离、核燃料处理中的铀钚分离以及制药工业中的活性成分提取等逆流萃取的数学模型可通过McCabe-Thiele图解法或计算机模拟求解，确定理论级数和操作条件实际操作中，需要注意相平衡、流量比控制和装置机械效率等因素萃取剂的选择原则高选择性对目标溶质具有良好的选择性易于回收能与萃余液轻易分离并可再生利用环境友好低毒性、低挥发性、不易燃经济性价格合理，化学稳定性好物理特性密度差大，黏度适中，表面张力适宜理想的萃取剂应该具有高分配系数、好的选择性和可再生性在工业应用中，还需考虑萃取剂的价格、可获得性以及工艺兼容性新型萃取剂如离子液体、超分子萃取剂等正在逐步应用于特殊领域常用有机溶剂类型醇类溶剂包括甲醇、乙醇、正丁醇等具有中等极性，可溶解多种有机物和部分无机物乙醇在食品萃取中应用广泛，正丁醇在金属萃取中常作为改性剂或调节剂酯类溶剂如乙酸乙酯、乙酸丁酯等这类溶剂萃取能力强，选择性好，在制药和食品工业中应用广泛乙酸乙酯是提取抗生素、生物碱等天然产物的常用溶剂烷烃类溶剂如正己烷、环己烷等这类非极性溶剂主要用于萃取脂溶性物质，如植物油脂、维生素等在食用油提取和香料工业中应用广泛卤代烃类如氯仿、二氯甲烷等这类溶剂萃取能力强，密度大，易于相分离，但毒性较大，环保要求严格在分析化学和小规模萃取中仍有应用针对不同的萃取对象，需要选择合适类型的有机溶剂在实际应用中，常常需要考虑溶剂的极性、密度、毒性、沸点以及与水的互溶性等因素现代萃取技术更加注重绿色环保溶剂的应用萃取剂和稀释剂的配比溶剂的互溶度

0.08%

7.5%100%二氯甲烷在水中溶解度正丁醇在水中溶解度乙醇与水完全互溶较低的互溶度有利于相分离中等互溶度常用于特殊萃取不适合作为直接萃取溶剂溶剂的互溶度是指两种溶剂彼此溶解的程度，这对液液萃取的相平衡和分离效果有重大影响理想的萃取体系中，萃取剂与料液应具有有限的互溶度——足够低以确保良好的相分离，但又不会太低导致界面张力过大影响传质速率在实际应用中，溶剂互溶度会随温度、溶质浓度和离子强度等因素变化增加水相中的盐浓度（盐析效应）或调节pH值可以降低有机溶剂在水中的溶解度，改善相分离效果合理利用互溶度特性，可以设计出诸如水性两相萃取等特殊分离技术液液萃取的主要应用领域制药工业冶金工业环境工程液液萃取在药物中间体纯化、天然产物活性湿法冶金中广泛采用液液萃取技术分离和富在废水处理和环境修复中，液液萃取被用于成分提取以及抗生素分离中扮演着重要角集有价金属铜、镍、钴等常见金属的萃取去除重金属污染物和有机毒物微萃取技术色例如，青霉素的工业提取就是利用有机是其典型应用，尤其是稀土元素分离几乎完也被应用于环境样品的富集和分析，为环境溶剂在不同pH条件下的选择性萃取来实现全依赖于高效的萃取技术监测提供了有力工具的此外，液液萃取在食品工业（如香料提取、油脂精炼）、核工业（铀钚分离）以及石油化工（芳烃分离）等领域也有广泛应用随着技术发展，微流控萃取、超临界流体萃取等新兴技术正在拓展液液萃取的应用边界不同物质的萃取机理酸碱反应型萃取利用pH值调节溶质的离解状态，改变其在两相中的分配行为典型应用是有机酸碱的萃取，如苯甲酸在不同pH值下的萃取效率差异显著酸性条件下以分子形式存在，更易被有机相萃取络合反应型萃取萃取剂与溶质形成稳定的络合物，改变溶质的亲脂性典型例子是金属离子萃取，如二乙基己基磷酸（D2EHPA）与镧系元素形成络合物进行萃取分离离子对型萃取针对难以直接萃取的离子性物质，通过加入反离子形成中性离子对后萃取如四丁基铵离子与金属氯络合物形成离子对后被萃取到有机相理解不同物质的萃取机理是优化萃取条件的基础在实际应用中，萃取过程往往同时涉及多种机理，通过调控pH值、加入络合剂或盐析剂等方法可以有针对性地增强某一机理的作用，提高萃取效率和选择性反萃与洗涤步骤萃取步骤目标物从原料液转移到有机相洗涤步骤去除有机相中的杂质和共萃物质反萃步骤目标物从有机相回收到新的水相溶剂再生处理后的有机相循环使用反萃和洗涤是完整萃取工艺中的重要环节反萃是将有价组分从有机相中回收的过程，通常通过改变pH值、温度或加入反萃剂实现例如，金属离子萃取后常用酸性溶液反萃；有机物萃取后可用碱性溶液反萃洗涤步骤主要用于去除有机相中的共萃杂质，提高产品纯度洗涤溶液的选择取决于杂质性质，可能是水、稀酸、稀碱或缓冲溶液在设计萃取工艺时，需要综合考虑萃取、洗涤和反萃各步骤的条件优化，以达到高回收率和高纯度的目标液液萃取设备类型液液萃取设备根据规模和操作方式可分为实验室设备和工业设备实验室常用的分液漏斗适用于小批量萃取，操作简单但效率有限工业上广泛使用的设备包括混合澄清器（适合大规模连续操作）、离心萃取器（处理乳化倾向体系）、填料塔（提供大量传质面积）和脉冲塔（通过机械能加强传质）等设备选型需要考虑处理量、分相性能、传质效率、能耗以及投资成本等因素近年来，微通道反应器和微流控萃取设备因其高效率和低溶剂消耗受到越来越多关注，特别适用于贵重药物和精细化学品的提取分离分液漏斗的结构与操作装置结构分液漏斗由锥形玻璃容器、密封塞和控制阀门组成容器上方设有磨口接口，底部装有带控制开关的阀门，便于分层液体的分离与收集加料与混合先加入原始溶液，再加入萃取溶剂，塞紧漏斗口，轻轻颠倒摇晃以充分混合两相（注意定期开启活塞释放压力）静置分层将分液漏斗放在支架上静置，等待液层完全分离（形成清晰的界面）分离时间取决于体系特性，通常需要5-15分钟收集分离打开阀门，缓慢放出下层液体至收集瓶中，观察界面，界面接近时关闭阀门然后从上方倒出上层液体分液漏斗是实验室萃取的基本设备，适用于小规模萃取操作使用时需注意安全问题，尤其是使用挥发性溶剂时应定期释放压力对于难以分层的体系，可通过添加盐、离心或调节温度等方法促进相分离混合澄清器设备详解结构组成流体动力学原理混合澄清器由混合区和澄清区两部分组成混合区配备搅拌装混合区主要考虑传质效率，通过控制搅拌强度、混合能量和停留置，提供能量使两相充分接触；澄清区则提供足够的停留时间和时间优化常用参数包括能量消耗率（通常为

0.1-

1.0kW/m³）空间使两相分离和混合区停留时间（1-5分钟）工业装置通常由多个单元串联，形成多级逆流萃取系统每个单澄清区设计基于相分离理论，需考虑两相密度差、液滴粒径分布元均配有液位控制、流量调节和采样设施和上升/沉降速度标准设计中，澄清区体积是混合区的3-5倍混合澄清器的优点是结构简单、操作灵活、放大容易，能适应大范围流量变化，是工业液液萃取最常用的设备类型在稀土、有色金属和石油化工行业应用广泛设计时需特别注意相界面控制和防乳化措施离心萃取器原理高速转子提供离心力场，加速相分离重相入口混合区水相通常从下部进入萃取区两相在叶轮作用下充分混合轻相入口分离区有机相通常从设备顶部进入在离心力作用下快速分层离心萃取器是利用离心力场加速液滴分离的高效萃取设备其核心部件是高速旋转的转子，通常转速在1500-3000rpm之间，产生数百倍于重力的离心力场这使得传统依靠重力分离需要几分钟甚至更长时间的过程缩短到几秒钟离心萃取器特别适用于难分相体系、乳化倾向强的体系以及停留时间需要严格控制的体系（如放射性物质萃取）其特点是设备紧凑、分离快速、传质效率高，但机械结构复杂、能耗较高、维护成本高在核工业、制药和精细化工等对分离效率要求高的领域应用广泛其他特殊萃取设备填料塔萃取器内部装填拉西环、鲍尔环等填料，增加相间接触面积液体在填料表面形成薄膜流动，传质效率高特点是结构简单、无机械搅拌部件、能耗低，但容易发生积液和通道现象适用于两相密度差大、不易乳化的体系脉冲萃取塔通过机械或气动方式向塔内液体施加脉冲，强化两相混合与传质脉冲频率通常为40-120次/分钟，振幅1-3cm这种设备结合了填料塔和机械搅拌的优点，传质效率高，适用范围广，但机械复杂度增加旋转盘萃取塔在塔内设置一系列水平转盘，由中心轴带动旋转，提供剪切力使两相形成细小液滴这种设备的特点是传质效率高、处理量大、能适应较宽的操作范围，但设备成本和能耗较高微通道萃取器利用微米级通道内的层流特性，实现两相的精确控制和高效传质这类新型设备具有比表面积大、传质距离短、响应快等优点，特别适合贵重物质的高效萃取，但放大困难，主要用于小规模精细化工和药物合成设备选型需考虑萃取体系的性质（黏度、密度差、界面张力等）、操作条件（流量、相比、温度等）以及经济因素（投资成本、运行费用、维护难度等）不同设备在传质效率、处理能力、能耗和适用范围等方面各有优劣典型萃取实验步骤样品制备准备待萃取溶液，调节pH值和离子强度混合接触加入萃取剂，控制相比，充分混合静置分层允许两相完全分离，形成清晰界面相分离收集小心分离两相，避免交叉污染样品分析测定各相中目标物质浓度，计算萃取效率实验前应根据萃取目标确定合适的溶剂体系和操作条件萃取过程中需注意控制温度、相比和混合时间等参数对于高价值样品或难处理体系，可采用多级萃取或反萃技术提高回收率在记录实验数据时，应详细记录原料组成、溶剂用量、操作条件及各相中目标物浓度通过计算分配系数、萃取效率等参数，评价萃取效果并优化实验条件完整的实验应包括萃取、洗涤和反萃三个环节，形成闭环工艺实验数据的测量与分析分析目标常用分析方法检测范围特点金属离子原子吸收光谱AAS ppm-ppb准确度高，需标准曲线有机化合物高效液相色谱ppm-ppb分离效果好，可定性HPLC定量挥发性组分气相色谱GC ppm-ppb高效快速，样品需预处理多元素分析电感耦合等离子体ppb-ppt同时检测多元素，灵ICP敏度高有机污染物紫外-可见光谱UV-ppm级操作简便，成本低Vis萃取实验中，准确测定萃取前后各相中溶质浓度是评价萃取效果的关键根据待测物质的性质和浓度范围选择合适的分析方法，常用的有分光光度法、色谱法、原子光谱法等结果分析时，需计算回收率、分配系数和富集系数等参数，评价萃取效率对于多级萃取，还需确定每级的传质效率和理论板数通过建立数学模型或使用专业软件，可预测不同条件下的萃取行为，为优化设计提供理论依据液液萃取的影响因素温度pH值相比温度影响分配系数、传质速率和相pH值对含质子化基团物质的萃取有机相与水相的体积比影响总体萃分离速度根据热力学原理，萃取效果影响显著通过调节pH值，取效率根据质量守恒原理，增大反应的焓变决定了温度升高对分配可改变有机酸、碱或两性物质的离萃取剂用量可提高单次萃取效率，系数的影响方向通常，温度升高解状态，进而影响其在两相中的分但会增加溶剂消耗和后续处理负会降低溶质在溶剂中的溶解度，但配pH值调控是实现高选择性萃担优化相比是工艺经济性的重要也会加快传质过程和分相速度取的重要手段方面接触时间两相接触时间影响传质平衡的达成程度理论上，延长接触时间有利于接近平衡状态，但考虑到生产效率和乳化风险，需确定最佳接触时间通常，强化混合可缩短达到平衡所需时间此外，溶质初始浓度、共存物质的干扰、盐析效应以及设备类型等因素也会影响萃取效果在设计萃取工艺时，需要通过实验确定各因素的影响规律，综合优化操作条件对萃取的影响pH温度与萃取效率关系热力学分析动力学影响从热力学角度，溶质在两相间的分配受范特霍夫方程控制温度对萃取动力学有显著影响∂lnK/∂Tp=ΔH/RT²•温度升高降低溶剂黏度，加快传质速率•升温改善相分离，减少乳化倾向其中，K是分配系数，ΔH是萃取过程的焓变，R是气体常数，T是绝对温度当ΔH0时（吸热过程），温度升高使K增大；当•提高溶解度，防止析晶ΔH0时（放热过程），温度升高使K减小温度变化还会影响界面张力、蒸气压和溶剂互溶性，间接影响萃取过程大多数液液萃取为放热过程，因此温度升高通常会降低分配系数实际应用中需权衡热力学和动力学因素，确定最佳操作温度例如，金属萃取通常在室温或略高温度下进行，而某些高黏度体系则需要适当升温以促进传质和相分离重要的是，温度控制应稳定一致，以确保萃取过程的可重复性加料顺序对萃取效果的影响常规加料顺序通常先向容器中加入水相样品，再加入有机萃取剂这种顺序适用于大多数常规萃取操作，便于观察分层效果，也有利于控制搅拌强度，防止过度乳化特殊加料顺序某些情况下，先加入有机相再加入水相可能更为有利，特别是当水相样品较少或有沉淀风险时对于某些选择性萃取，分步加入试剂或调节剂也能显著改善萃取效果实验数据对比以苯酚萃取为例，当水相:有机相=1:1时，常规顺序萃取效率为

92.3%，而反向加料顺序为

88.7%；对于某些金属络合物萃取，差异可能更为显著，最高可达15%以上加料顺序影响主要来自于初始接触界面的形成方式、局部浓度梯度以及初始传质条件的差异在高浓度体系或易形成络合物的体系中，这种影响更为明显此外，加料速率、温度控制和混合方式也会与加料顺序相互作用，共同影响萃取效果对于敏感的分析萃取或高价值产品萃取，建议进行小规模实验，确定最佳加料顺序和操作方法，再扩大到生产规模萃取动力学简介传质扩散界面传递溶质从本体扩散至界面的过程溶质穿越相界面的迁移过程化学反应接收扩散可能伴随的溶质转化过程溶质从界面扩散至接收相本体液液萃取的动力学过程是一系列复杂的传质步骤根据两膜理论，传质阻力主要来自于两相中的边界层扩散和界面阻力通常情况下，扩散步骤是整个传质过程的控速步骤，特别是对于高黏度或大分子体系影响萃取动力学的因素包括物质扩散系数、两相的黏度、界面面积、混合强度、温度以及可能存在的化学反应速率通过增加搅拌强度、提高温度或增加比表面积（如乳化、微液滴形成）等方法可以加速传质过程在设计工业萃取设备时，需要综合考虑热力学平衡和动力学因素，确保在经济合理的停留时间内达到所需的分离效果乳化与萃取的关系乳化现象乳化原因乳化的预防乳化是指一种液体以微小液滴形式分散在另一种不•过强的机械搅拌•控制适当的搅拌强度相溶液体中形成的体系在液液萃取中，过度搅•表面活性物质存在•调节pH去除表面活性物质拌、特定组分存在或界面活性物质可能导致稳定乳•固体颗粒稳定效应•添加盐类增大相密度差化层形成，阻碍相分离，降低萃取效率•两相密度差小•预过滤去除固体悬浮物•高黏度阻碍液滴聚集•选择合适的溶剂体系乳化虽然增加了界面面积有利于传质，但稳定乳化会导致相分离困难，降低操作效率在某些特殊应用如微乳液萃取中，可以利用受控乳化提高萃取效率；但在常规萃取操作中，应尽量避免形成稳定乳化解决已形成乳化的方法包括静置时间延长、温度调节、添加破乳剂、离心分离、超声处理或电场辅助分离等在工业生产中，设备设计和操作参数优化是预防乳化问题的关键萃取相分离困难的解决办法盐析法向水相中加入无机盐如氯化钠、硫酸铵等，通过增大水相离子强度降低有机物在水中的溶解度，同时增加水相密度，促进相分离典型用量为水相体积的5-15%，盐的选择应考虑其对后续工艺的影响温度调节适当升高或降低温度可改变两相密度差和界面张力，加速相分离通常，升温降低溶剂黏度有利于相分离；但对于临界互溶体系，降温可能更有效温度变化需控制在溶质稳定范围内离心分离利用离心力加速相分离，特别适用于形成稳定乳化的体系实验室可使用离心机，工业上可采用离心萃取器离心速度和时间需根据体系特性优化，通常1000-3000rpm，3-10分钟即可显著改善分离效果添加破乳剂使用特殊的破乳剂如硅油、高分子醇类或商业破乳剂，破坏乳化液的稳定性破乳剂用量少（通常为体系的

0.01-

0.1%），但效果显著，特别适用于含有表面活性物质的体系除上述方法外，调整pH值、使用滤纸辅助分离、静电场处理或超声波处理等也可用于特定体系的相分离在实际应用中，往往需要结合多种方法，针对具体问题制定解决方案重要的是，选择的方法不应影响目标物质的回收率和纯度工业连续萃取工艺流程原料预处理包括过滤、pH调节和预热等萃取段多级逆流萃取，提取目标组分洗涤段去除有机相中杂质，提高产品纯度反萃段将目标物从有机相中回收溶剂再生处理萃取剂使其循环使用工业连续萃取工艺通常采用逆流原理，实现高效分离典型的PUREX流程用于核燃料处理，包括溶解、萃取、洗涤、反萃和溶剂再生五个主要单元操作原料与萃取剂在萃取段逆向流动，萃取有机相再与洗涤液接触去除共萃杂质，然后在反萃段与反萃剂接触回收目标物萃取段通常设计6-12个理论级，洗涤段2-4个理论级，反萃段4-8个理论级设备采用混合澄清器级联或多级离心萃取器关键工艺参数包括相流比、停留时间、搅拌强度和界面位置控制等现代工艺还配备在线监测系统，实现自动化控制和实时优化动态模拟与工艺优化计算机辅助设计与模拟已成为现代液液萃取工艺开发的重要工具专业软件如Aspen Plus、CHEMCAD和ProSim等能够模拟多组分、多级萃取过程，预测分离效果并优化操作参数这些软件结合热力学模型（如NRTL、UNIQUAC等）预测液液平衡数据，并通过传质模型描述动态过程计算流体动力学CFD技术进一步提供了设备内部流场、混合特性和液滴行为的详细信息，有助于理解微观传质机理和优化设备设计通过灵敏度分析和参数优化，可以确定关键变量（如流量比、级数、温度等）对分离效果的影响，寻找最佳操作窗口先进的数字孪生技术将实时数据与模型结合，实现在线优化和预测性维护，提高生产效率和设备可靠性液液萃取与溶剂萃取的对比比较项目液液萃取固液萃取（溶剂萃取）原料状态液态原料固态原料传质速率较快较慢，受内扩散限制设备类型混合澄清器、萃取塔等浸提器、索氏提取器等溶剂用量中等较大操作温度通常在常温或略高温度常需加热至溶剂沸点典型应用石油分离、金属提取、制药植物油提取、中药提取、食品工业液液萃取和固液萃取（溶剂萃取）虽然都基于溶质在不同相中的分配原理，但在操作方式和应用领域有明显区别液液萃取处理液态原料，传质速率快，能耗较低，适合连续大规模操作；固液萃取处理固态原料，通常需要粉碎预处理，传质受内扩散控制，操作周期较长在某些特殊应用中，两种方法可以结合使用，如先进行固液萃取获得粗提液，再用液液萃取进一步纯化选择哪种方法主要取决于原料性质、目标产物特性和经济性考虑现代萃取技术正向微型化、绿色化和高效化方向发展，拓展了传统萃取的应用边界萃取与其它分离方法的结合萃取-蒸馏联用萃取-膜分离联用萃取和蒸馏结合是最常见的混合分离工艺，特别适用于共沸体系膜技术与萃取的结合近年来发展迅速，主要形式包括或沸点接近组分的分离典型应用包括•乳液液膜萃取提高界面面积和萃取效率•萃取蒸馏在一个塔中同时进行萃取和蒸馏•膜萃取以多孔膜为界面进行萃取•萃取+蒸馏先萃取分离，再蒸馏回收溶剂•萃取+膜浓缩萃取后用膜技术浓缩产品•蒸馏+萃取先初步蒸馏，再萃取精制这类混合工艺特别适用于热敏性物质分离或高附加值产品的制例如，在丙烯/丙烷分离中，使用DMF萃取后再蒸馏回收溶剂的备，如生物制药中的抗生素分离纯化工艺比单纯低温蒸馏节能30%以上此外，萃取还可与吸附、结晶、离子交换等技术结合，形成多种混合分离工艺例如，重金属污染治理中常采用萃取-吸附联用工艺；药物纯化中可采用萃取-结晶联用工艺这些混合技术通过发挥各自优势，实现单一方法难以达到的分离效果，在能耗、产品质量和操作灵活性方面具有明显优势经典萃取分离案例1工艺流程与操作要点萃取剂选择典型的苯酚回收工艺包括酸化→萃取→碱洗→反苯酚/水体系基本原理常用的苯酚萃取溶剂包括苯、甲苯、二氯甲烷、萃取具体步骤为先将含苯酚废水酸化至苯酚萃取是一个典型的酸碱平衡控制的萃取过程乙酸丁酯等选择时需考虑分配系数、毒性和环保pH4，与有机溶剂接触萃取；萃取液用稀碱溶液苯酚具有弱酸性pKa≈10，在碱性条件下形成水溶性现代工艺倾向于使用乙酸酯类等较环保的溶pH12反萃取，得到浓缩的酚盐溶液；再经酸性酚盐，在酸性条件下以分子形式存在，倾向于溶剂分配系数随pH变化显著pH=3时，苯酚在甲化、结晶得到纯苯酚产品整个过程利用pH控制解在有机相中这种pH依赖性使其成为研究酸碱苯/水中的分配系数约为120；pH=10时，降至约实现高效分离和浓缩萃取机理的经典模型

0.5这一经典案例不仅在工业废水处理中有重要应用，也是教学和研究中展示pH控制萃取原理的典型例子类似原理还可应用于其他弱酸性或弱碱性物质的萃取分离，如羧酸类化合物的提纯和胺类物质的分离经典萃取分离案例2铜萃取工艺背景铜的萃取分离是湿法冶金中最成功的应用之一，年处理矿石超过千万吨该技术特别适用于低品位矿石和复杂多金属矿的处理，与传统火法冶金相比，能耗低、环保性好萃取剂选择铜萃取常用的萃取剂包括壬基水杨醛肟LIX系列、β-羟肟酸类SME系列等这些萃取剂能高选择性地萃取Cu²⁺而不萃取Fe³⁺、Mn²⁺等共存离子通常溶于煤油中，浓度为5-30%工艺流程典型的铜萃取工艺包括浸出→萃取→洗涤→反萃→电积矿石经硫酸浸出得到含铜溶液pH

1.5-

2.5；与有机萃取剂接触，Cu²⁺被选择性萃取；有机相洗涤后用浓硫酸180-200g/L反萃；反萃液送电解槽回收铜金属工艺参数与效益现代铜萃取工艺一般采用三级萃取、两级反萃，萃取效率95%，产品纯度

99.99%每吨铜生产能耗比传统火法冶金降低约40%，同时大幅减少SO₂排放，实现经济和环境效益双赢这一技术已成功应用于智利、中国、赞比亚等国的大型铜矿类似原理还用于镍、钴、锌等有色金属的分离提纯，成为现代绿色冶金的重要组成部分近年来，设备大型化、自动化和智能化成为行业发展趋势，进一步提高了工艺效率和经济性绿色萃取技术发展低毒环保溶剂微萃取技术传统有机溶剂如苯、氯仿等因毒性和环境风险逐渐被限制使用现代绿色萃微萃取技术显著减少了溶剂消耗，包括单滴微萃取SDME、固相微萃取取转向使用植物源溶剂如柑橘精油、松油等、生物源溶剂如乙酸乙酯、乳SPME和分散液液微萃取DLLME等这些技术在分析化学和小规模提取中酸酯类和可再生溶剂这些溶剂毒性低、可生物降解，且多来自可再生资应用广泛，溶剂用量可减少99%以上，同时提高分析灵敏度和操作安全性源，显著降低了环境影响水相萃取体系能量辅助萃取水相两相体系萃取ATPS使用水溶性聚合物/盐或两种水溶性聚合物形成两相超声波、微波和脉冲电场等非常规能量形式辅助萃取能显著提高效率，缩短系统，完全避免了有机溶剂的使用如PEG/磷酸盐体系广泛用于生物大分子时间，降低溶剂用量例如，超声波辅助萃取可将某些天然产物的提取时间分离，特别适合蛋白质、酶和核酸等热敏性物质的温和提取从小时级缩短到分钟级，同时提高产率15-30%绿色萃取技术的发展遵循减量化、无害化、资源化原则，致力于降低化学品使用量、减少能源消耗、提高资源利用率这一趋势推动了整个分离科学的变革，为可持续发展提供了技术支持离子液体萃取新技术离子液体简介应用案例离子液体是由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的、室温下呈液态离子液体在萃取分离中的典型应用的盐类物质其主要特点包括•硫磺化合物深度脱除使用1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐•几乎无蒸气压，不易挥发[OMIM][PF₆]萃取燃油中的噻吩类化合物，脱硫率高达99%•热稳定性好，液态范围宽•稀土元素分离功能化离子液体如含TODGA基团的咪唑盐对重稀土/轻稀土分离系数可达100以上•溶解能力强，可调性好•生物活性物质提取Choline-氨基酸类离子液体用于多酚、生物•阻燃性好，安全系数高碱等天然产物提取，产率提高30-50%常见的离子液体包括咪唑类、吡啶类、季铵盐类等阳离子与六氟磷酸盐、四氟硼酸盐等阴离子的组合离子液体萃取技术的优势在于可设计性强，通过改变阴阳离子组合可获得定制化萃取剂通过引入特定功能基团，可实现对目标分子的高选择性识别和萃取此外，离子液体与传统溶剂不互溶，便于相分离；且可多次循环使用，降低消耗和成本尽管离子液体价格较高，但其优异性能和环境友好特性使其在高附加值产品分离和特殊应用领域具有明显优势，代表了萃取技术的重要发展方向超声波辅助液液萃取机理增效声空化效应产生微射流和局部高温高压环境动力学改善加速传质过程，缩短平衡达成时间乳化控制促进液滴破碎与聚并，影响相界面特性绿色工艺降低溶剂用量，减少能源消耗设备简化超声探头替代传统机械搅拌装置超声波辅助萃取通过声空化效应（Acoustic Cavitation）产生的机械作用、微射流和局部高温高压环境，显著促进了两相间的接触和物质传递实验表明，适当的超声处理可将传统萃取所需的平衡时间从30-60分钟缩短至5-15分钟，同时提高萃取效率10-40%超声波辅助萃取广泛应用于分析化学、食品工业和制药领域例如，在中药有效成分提取中，超声辅助可显著提高萃取效率；在金属离子萃取中，适当的超声处理可提高分配系数并改善相分离性能工业应用中需要优化超声功率、频率、照射模式和持续时间等参数，以达到最佳效果同时避免过度处理可能带来的降解或副反应微流控液液萃取技术微流控技术基础微流控技术是在微米尺度通道中精确控制和操作流体的科学与技术微流控萃取装置通常由微型通道、混合结构、分离结构和检测单元组成，通道尺寸一般在10-500微米范围在这一尺度下，流体呈现层流特性，传质主要依靠分子扩散优势特点微流控萃取具有诸多优势传质距离极短，传质效率高；比表面积大，可达10000m²/m³以上；精确控制停留时间和流场结构；样品和试剂消耗极少，通常在微升至毫升级别；集成度高，可实现自动化操作；安全性好，特别适合处理危险或贵重物质应用领域微流控萃取技术已在多个领域展现价值分析化学中的样品前处理和在线萃取；制药工业中的活性成分快速筛选；生物技术中的细胞代谢物分析；同位素分离等核技术应用；以及贵金属等高价值物质的精确提取和富集微流控液液萃取装置的设计类型多样，包括并行流动型（两相在平行通道中流动，通过界面传质）、液滴型（一相在另一相中形成微液滴，增大界面面积）和多孔膜分隔型（两相通过微孔膜接触传质）等材料上常用玻璃、硅、聚合物（PDMS、PMMA等）和复合材料尽管微流控萃取技术具有显著优势，但产能受限、放大困难和成本较高等挑战仍然存在目前研究主要集中在提高通量（如并行化设计）、增强选择性（如功能表面修饰）和实现自主智能化操作等方面实验设计基本原则明确目标原则液液萃取实验设计首先要明确研究目的是确定最佳萃取剂？探究pH影响规律？优化操作条件？还是建立数学模型？目标不同，实验设计思路和方法也会有很大差异清晰的目标有助于设计最高效的实验方案，避免盲目性和资源浪费对照实验原则设置合理的对照组是确保实验结果可靠性的关键在萃取研究中，常见的对照包括不同萃取剂的对比试验、不同操作条件下的平行试验、空白萃取（不含目标物）等通过对照实验可以排除外部因素干扰，准确评估变量影响变量控制原则单因素实验中需保持其他条件一致，只改变一个变量；多因素实验则应采用正交设计或响应面法等科学方法安排实验点常见控制变量包括温度、pH值、相比、接触时间、搅拌速度、初始浓度等变量间可能存在交互作用，需在设计中考虑重复验证原则液液萃取实验应进行多次重复以确保结果可靠性关键实验点通常需3-5次重复，计算平均值和标准偏差对于关键发现或异常结果，应更换试剂批次或操作人员重新验证，确保结果的真实性和可重复性此外，实验设计还应考虑经济性原则（在资源有限条件下获取最大信息量）和安全性原则（评估风险并采取必要防护措施）现代实验设计越来越依赖统计学方法和计算机辅助优化，如正交试验、Box-Behnken设计和人工智能辅助实验设计等实验数据的记录方法100%3-524h数据完整性重复次数及时性记录全部实验条件和观察结果关键数据点的实验重复次数实验完成后应尽快记录数据科学严谨的数据记录是液液萃取实验成功的关键实验记录应包括详细的实验条件（试剂信息、设备参数、环境条件等）、操作步骤、观察现象（如相分离情况、颜色变化）和测量数据使用规范的表格记录有助于数据的整理和比较，常见表格格式包括不同条件下的分配系数对比表、多级萃取累积效率表、动力学数据表等绘图是数据可视化的重要手段常用图形包括分配系数vs.pH曲线、萃取率vs.时间曲线、等温萃取曲线、McCabe-Thiele图解等现代数据处理软件如Origin、MATLAB等可辅助创建专业图表，提高数据表达清晰度数据分析方法包括方差分析、回归分析、主成分分析等通过统计工具可确定实验误差范围、变量显著性和最优条件重要的是，数据记录应保持真实客观，不选择性记录，不掩盖失败实验，以确保科学诚信和结果可靠性常见误差来源及其分析读数误差操作误差仪器刻度读取、界面位置判断等视觉判断产生的误差包括加料不准确、混合不充分、相分离不完全等人为因素环境因素温度波动、光照变化、环境污染等外部条件引起的误差样品误差5仪器误差取样不代表性、样品降解或污染引起的误差天平精度、分析仪器校准偏差等设备本身的误差萃取实验中的误差分析对保证结果可靠性至关重要系统误差可通过校准消除，如使用标准溶液校准分析仪器、定期检验天平精度等随机误差则通过多次重复实验并计算标准偏差来评估例如，分配系数测定通常需要3-5次重复，报告形式为K=

35.2±

1.4降低误差的方法包括使用自动化设备减少人为操作误差；采用内标法或加标回收法提高分析准确度；控制环境条件如恒温水浴；以及使用统计工具如t检验、F检验筛查异常值在报告结果时，应明确指出误差范围和置信水平，如在95%置信水平下，萃取率为

92.5±

1.8%萃取实验安全注意事项溶剂危险性大多数有机萃取剂具有易燃、易挥发特性，某些还有毒性或致癌性使用前应熟悉安全数据表SDS，了解具体危险特性和应急措施操作时远离火源，确保通风良好，易挥发溶剂应在通风橱中操作个人防护要求进行萃取实验必须穿戴适当的防护装备，包括实验室工作服、化学防护手套、安全眼镜或面罩对于有毒溶剂，可能还需要呼吸防护设备不同溶剂可能需要不同材质的手套，如丁腈手套适合大多数有机溶剂，而氟橡胶手套则适合卤化溶剂应急处理准备实验室应配备灭火器、洗眼器、安全淋浴和泄漏处理工具包操作人员应熟悉这些设备的位置和使用方法发生泄漏时，使用合适的吸附材料处理，避免溶剂进入下水道皮肤或眼睛接触化学品后应立即用大量清水冲洗15分钟以上规范操作流程遵循标准操作程序SOP，不擅自改变实验流程分液漏斗操作时定期释放压力；大量溶剂转移使用安全漏斗；废液分类收集，不随意混合；实验结束后及时清理工作台，确保溶剂瓶密封完好安全应始终是实验工作的首要原则良好的实验室安全文化包括定期安全培训、安全检查和预防性维护对于高风险操作，应采用伙伴系统，确保人员互相监督最后，应保持实验室整洁有序，通道畅通，确保紧急情况下能够快速撤离实验与工业废液处理溶剂回收与再利用废液分类与处理大多数有机萃取剂价格较高且具有环境风险，应尽可能回收再利实验室废液应严格分类收集用常见的回收方法包括•卤化溶剂废液含氯仿、二氯甲烷等•蒸馏法适用于沸点与杂质差异大的溶剂•非卤化溶剂废液乙醇、丙酮、乙酸乙酯等•萃取洗涤法通过酸碱洗涤去除特定杂质•重金属废液含铜、镍、铬等•吸附法活性炭或分子筛去除色素和有机杂质•强酸强碱废液需中和处理工业上通常采用连续蒸馏塔回收溶剂，能效可达80-90%专业处理机构通常采用焚烧、中和、沉淀、生物降解等方法处理不同类型废液环保合规是实验室和工业生产的基本要求所有废液处理必须符合当地环保法规，建立完整的废液产生、收集、处理和转移记录采用绿色萃取技术如离子液体萃取、水相两相萃取和超临界流体萃取等，可从源头减少有毒有害溶剂使用在工业规模生产中，应采用闭路循环系统最大限度减少废液排放先进的膜分离、高级氧化和电化学处理等技术正被用于处理难降解的萃取废液，实现近零排放目标液液萃取常见问题答疑常见问题可能原因解决方案萃取分层不清乳化、互溶度高、密度差小添加盐类、调节温度、离心分离萃取效率低溶剂选择不当、pH值不适、平衡未达到优化溶剂体系、调节pH、延长接触时间重复性差操作不一致、温度波动、试剂变质标准化操作、控制环境、检查试剂纯度有机相浑浊水分散乳化、溶解度变化、杂质沉淀干燥处理、调节温度、过滤纯化目标物质损失吸附损失、降解反应、二次分配预处理容器、添加稳定剂、优化条件除上表所列问题外，以下是实验教学中学生经常提出的几个常见问题及解答问为什么相同条件下有时能观察到清晰分层，有时却形成乳化？答这可能与搅拌方式、温度微小变化或水相中悬浮物含量有关建议控制搅拌强度，使用恒温水浴，并对水相预过滤问如何判断萃取已达平衡？答理论上，可通过不同时间点的采样分析，当溶质浓度不再变化时即达平衡实践中，大多数体系在充分混合5-15分钟后基本接近平衡问萃取剂用量越多是否越好？答并非如此过量萃取剂会增加成本和处理负担，可能也会增加共萃杂质多次少量萃取通常比一次大量萃取更有效率萃取技术的最新进展智能化自动萃取系统3D打印微流控萃取装置人工智能辅助萃取优化现代萃取技术正向智能化、自动化方向发展计算3D打印技术为萃取设备制造带来革命性变化定机器学习和人工智能技术正在改变萃取工艺开发模机控制的自动萃取系统可实现全流程无人操作，从制化微流控萃取芯片可根据特定需求快速设计和制式通过建立数据驱动模型，AI系统可分析历史实样品前处理、精确加料、程序化混合到相分离和样造，实现复杂内部结构和功能集成这种技术特别验数据，预测最优萃取条件，大幅减少实验次数和品收集这类系统结合在线分析技术，可实时监测适合小批量、高价值物质的精准萃取，如药物筛选资源消耗自适应实验设计算法能够动态规划实验萃取进程，根据反馈自动调整操作参数，大幅提高和生物活性分子分离，显著缩短了从设计到应用的路径，快速收敛到最优解，为复杂多变量体系的优效率和重现性周期化提供了有力工具此外，结合纳米技术的功能化萃取材料、基于生物识别的选择性萃取系统以及连续流动萃取-反应一体化技术也是当前研究热点这些新技术大多处于实验室或小试阶段，但显示出巨大的应用潜力，有望在未来5-10年内推动液液萃取技术的重大突破未来发展方向与挑战绿色可持续萃取发展无毒、可再生、低能耗的萃取体系微型化与集成化微流控平台与多功能集成系统智能自动化人工智能优化与无人操作系统生物启发技术仿生膜与分子识别萃取跨学科融合材料、信息与生物技术的交叉创新液液萃取技术面临的主要挑战包括环境法规日益严格，传统有机溶剂面临使用限制；能源成本上升，要求开发更高效低耗的分离工艺；分离对象复杂化，如生物大分子、手性化合物和同位素等高难度分离任务；以及设备微型化与大型化并行发展的工程挑战未来突破可能来自于几个关键方向功能性萃取剂设计，如分子印迹聚合物和定制化离子液体；智能响应体系，如pH敏感、温度敏感或光响应萃取体系；集成化分离技术，将萃取与其他分离方法或反应过程无缝衔接；以及数字孪生技术辅助的精确控制与预测这些创新将使萃取技术在资源回收、环境修复、精准医疗和新材料制备等领域发挥更重要作用复习与知识点归纳基础理论Nernst分配定律、相平衡原理体系组成2溶剂选择、配比优化、影响因素操作技术单级与多级萃取、洗涤与反萃设备与工艺4实验与工业设备、流程设计应用与发展典型案例分析、新技术进展重点考点包括分配系数计算及影响因素；萃取效率的数学表达；多级萃取与逆流萃取的理论级数计算；pH值调控在分离中的应用；萃取剂选择原则与常用溶剂特性；工业萃取设备的工作原理与特点；以及典型萃取分离案例如金属萃取和有机物分离等学习本课程时，建议掌握以下方法结合实验加深理解理论知识；熟练运用计算公式解决实际问题；通过对比不同萃取体系理解各自优缺点；关注萃取技术在相关行业中的实际应用；培养安全环保意识和精确操作习惯萃取技术是一门实践性很强的学科，理论学习与实验操作相结合才能真正掌握其精髓课件小结与提问环节505课程内容实验操作主要知识点总数必须掌握的基本操作技能10重点应用典型工业与实验室应用案例通过本次课程学习，我们系统梳理了液液萃取的基本原理、操作方法、设备类型、应用领域以及最新技术进展萃取技术作为一种重要的分离方法，在化学工程、制药工业、环境工程、食品加工等领域有着广泛应用掌握这一技术对从事相关领域的研究和工作具有重要意义课程强调了理论与实践相结合的学习方法，通过典型案例分析和实验操作讲解，帮助大家深入理解萃取过程中的科学原理和工程问题从传统的分液漏斗操作到现代的微流控萃取技术，从基础的分配定律到复杂的多级逆流过程，我们尝试构建了一个完整的知识体系请同学们在课后复习巩固所学知识，特别是要掌握分配系数计算、多级萃取理论和pH控制分离等核心内容欢迎就课程内容提出问题，或分享你们在实验和学习中遇到的具体困难，我们可以一起探讨解决方案。