Extraction liquide-liquide

L'extraction liquide-liquide est une mise en œuvre de l'extraction par transfert entre deux phases liquides. Aussi, contrairement à l'opération de distillation, le produit extrait ne change pas de phase : un mélange binaire dont on veut effectuer la séparation est mis en contact avec un troisième liquide non miscible appelé solvant et retenu pour sa capacité à extraire préférentiellement l'un des éléments du mélange. Après l'opération, on récupère deux phases séparées par décantation : l'extrait formé du solvant enrichi en soluté, et le raffinat, soit le mélange appauvri en soluté.

Cette opération, ordinaire dans l'industrie chimique, permet de séparer des produits ayant des températures d'ébullition très voisines (donc une distillation trop délicate) mais ayant des propriétés physico-chimiques différentes. Au laboratoire, c'est aussi une technique de purification très employée : dans une ampoule à décanter, les deux liquides séparent les solutés en fonction de leur solubilité dans chaque solvant.

Domaines d'application

L'extraction liquide-liquide s'est d'abord développée dans l'hydrométallurgie pour la récupération des métaux dans des solutions aqueuses puis a été généralisée :

• La séparation de composés ayant des températures d'ébullition voisines ;
• La séparation d'azéotropes ;
• La séparation de produits thermo-sensibles ;
• La concentration ou la purification de solutions diluées ;
• L'obtention de produits de haute pureté comme les sels d'uranium de qualité nucléaire ou les sels de terres rares pour l'électronique et l'optique.

Types d'extraction liquide-liquide

On distingue deux types d'extraction liquide-liquide :

• l'extraction par échange d'ions : la phase d'alimentation s'enrichit d'une espèce contenue dans le solvant pendant que le soluté passe dans le solvant. Elle repose sur une réaction chimique et l'échange de cations et anions.
• l'extraction non-compensée : simple transfert de molécules ou d'agrégats d'ions globalement neutres. L'extraction peut être faite avec un réactif solvatant, permettant un transfert résultant d'interactions chimiques fortes, ou non solvatant.

Étapes de l'extraction

Les principales étapes sont :

• Extraction du soluté : en hydrométallurgie, la phase d'alimentation est généralement aqueuse et le solvant organique. En pétrochimie, les deux phases sont généralement organiques.
• Lavage du solvant qui permet de retirer certaines impuretés extraites et ainsi améliorer la sélectivité du procédé.
• Récupération du soluté de l'extrait. Ceci peut être fait par distillation, évaporation ou nouvelle extraction liquide-liquide suivie d'un précipitation selon la nature et les propriétés physico-chimiques du soluté et du solvant.

Choix du solvant

En général, la phase d'alimentation initiale est imposée, et les possibilités se limitent au choix du solvant possédant si possible les propriétés suivantes :

• une capacité d'extraction importante avec un rapport de distribution compris entre 5 et 50.
• une grande sélectivité vis-à-vis des solutés indésirables caractérisée par les facteurs de séparation.
• une solubilité négligeable dans le raffinat.
• une bonne stabilité chimique lors des opérations requises.
• des caractéristiques physiques telles que les temps de séparation de phase et dispersion soient acceptables : viscosité, tension superficielle, masse volumique.
• un impact minimal vis-à-vis de l'environnement, de la sécurité et de la tenue des matériaux.

Un solvant satisfaisant à ces conditions faisant souvent défaut, c'est le meilleur compromis qui est retenu. Il est également possible de recourir à des mélanges comme l'addition d'un diluant modifiant les propriétés physiques comme l'abaissement de la viscosité et de la masse volumique de la phase solvant.

Équilibre

L'opération d'extraction liquide-liquide exploite la différence d'affinité d'un soluté vis-à-vis de deux phases toujours en présence. À l'équilibre, les concentrations du soluté dans les deux phases sont telles que la constante de partage K_D est égale au rapport de l'activité chimique du soluté dans les deux phases. Cette constante de partage dépend donc de la température, du soluté, des différents solvants et éventuellement de la pression.

Bibliographie

• (en) Robert H. Perry et Don W. Green, Perry's chemical engineers'handbook, McGraw-Hill, 2007 (ISBN 978-0-07-142294-9) 

• Marcel Loncin, Opérations unitaires du Génie Chimique, Paris, Dunod, 1961 

Notes et références

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