Extraction liquide-liquide

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Ampoule à décanter contenant de l'huile et de l'eau colorée.

L'extraction liquide-liquide est un procédé de séparation en génie chimique, consistant en une 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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Les principales étapes sont :

  • l'extraction du soluté : en hydrométallurgie, la phase d'alimentation est généralement aqueuse et le solvant organique. En pétrochimie, les deux phases sont généralement organiques.
  • le lavage du solvant qui permet de retirer certaines impuretés extraites et ainsi améliorer la sélectivité du procédé.
  • la 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[modifier | modifier le code]

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

Un solvant satisfaisant à l'ensemble de 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.

Coefficient de partage[modifier | modifier le code]

Article principal : Coefficient de partage.

L'opération d'extraction liquide-liquide exploite la différence d'affinité d'un soluté vis-à-vis des deux phases en présence.
À l'équilibre, les concentrations du soluté dans les deux phases sont telles que le coefficient de partage K soit égal au rapport de l'activité chimique du soluté dans les deux phases :

K=\frac{a_{B}}{a_{A}} où A et B sont les deux phases considérées.

Si les deux solutions sont suffisamment diluées, on peut considérer que

K=\frac{a_{B}}{a_{A}}=\frac{C_{B}}{C_{A}}

Ce coefficient de partage est une constante d'équilibre qui, pour un soluté et des solvants donnés, ne dépend que de la température et éventuellement de la pression.

Rendement d'extraction[modifier | modifier le code]

Détermination expérimentale[modifier | modifier le code]

La méthode la plus simple et la plus précise de calculer le rendement d'une extraction chimique consiste à doser soit la quantité d'espèce passée dans la phase organique, soit la quantité d'espèce restant dans la phase aqueuse, connaissant la quantité totale d'espèce mise en jeu :

R = q org = n org / n totale ou R = q org = (n totale - n aq) / n totale

Le résultat peut être donné en valeur absolue (entre 0 et 1) ou en pourcentage (entre 0 % et 100 %)

Calcul théorique[modifier | modifier le code]

Le rendement théorique d'une extraction peut se calculer à partir du coefficient de partage de l'espèce concernée. La connaissance de ce rendement permettra de connaitre la quantité de produit qu'il est possible d'extraire, ou a contrario, suivant le rendement que l'on souhaite atteindre, on pourra définir le protocole d'extraction le plus adapté.

La formule de rendement s'obtient à partir de la définition du coefficient de partage : Kp = C org / C aq = (n org/V org) / (n aq/V aq)

On peut en déduire que : q org = Kp / (Kp + Vaq/Vorg) ; on peut aussi en déduire la quantité d'espèce restant dans la phase aqueuse : q aq = Vaq / (Kp.Vorg + Vaq), sachant que la quantité extraite et la quantité restant dans la phase aqueuse sont liées par la relation : q aq + q org = 1

il est intéressant de réaliser plusieurs extractions successives en fractionnant le volume total de solvant, on obtient ainsi un rendement supérieur à celui que l'on obtiendrait en réalisant une seule extraction avec la totalité du volume de solvant : q org = 1 - q aq = 1 - (Vaq / (Kp.Vorg + Vaq))^n ou n représente le nombre de cycles d'extractions réalisés

Bibliographie[modifier | modifier le code]

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

Notes et références[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]