EXTRACTION LIQUIDE LIQUIDE AGITÉE

EXTRACTION LIQUIDE LIQUIDE AGITÉE 1 ère Année Octobre 2015 Manip N 1

I - Rappels L extraction par solvant, ou extraction liquide-liquide est une technique de séparation isotherme en milieu liquide hétérogène. La méthode repose sur l existence d une solubilité différente d une substance dans deux liquides non miscibles. Le procédé comporte trois étapes, comme l indique la figure 1 : - mélangeage des deux liquides non miscibles, l un d entre eux contenant le soluté, - obtention de l équilibre physico-chimique, conduisant à une démixtion, - séparation des deux nouvelles phases liquides obtenues basée sur la différence des masses volumiques. mélange initial mélange riche solvant mélangeage séparation mélange pauvre Figure 1 : principe d un étage de séparation par obtention d un équilibre Pratiquement, la solution d alimentation F contenant le soluté B dissous dans le diluant A est mise en contact avec le solvant S. Le soluté B, généralement plus soluble dans le solvant que dans le diluant, passe de la solution dans le solvant. Le solvant enrichi en soluté constitue l extrait E tandis que le diluant appauvri en soluté constitue le résidu (ou raffinat) R. Le passage du soluté B du diluant A dans le solvant S a lieu tant que l équilibre physicochimique n est pas atteint. Pour que la force motrice de transfert demeure quasi constante, les deux liquides alimentant la colonne circulent à contre-courant. Pour que le transport de matière s effectue le plus rapidement possible, l aire de la surface de transfert est accrue par divers artifices. Ces objectifs peuvent être obtenus dans une colonne. 2

Bilan matière sur la colonne F R Global : S mf + ms = me + mr = mm E Soluté B : mf xf + ms ys = me y1 + mr xn = mm xm Ce système de deux équations à huit inconnues peut être résolu si six variables sont connues par ailleurs. En pratique mf, ms, xf et ys (= 0) sont imposées. En se fixant deux autres variables, par exemple xn et mr, ce système d équations peut être résolu. II - Manipulation 1 - But de la manipulation L originalité de la manipulation d extraction liquide-liquide présentée ici réside dans le choix des phases utilisées qui sont toutes les deux composées d un mélange ternaire contenant de l eau comme solvant ainsi qu un sel inorganique et un composé polymère. Ce système est différent des systèmes d extraction utilisés industriellement. En effet, en hydrométallurgie la phase d alimentation est systématiquement une solution aqueuse tandis que le solvant d extraction est de nature organique alors qu en pétrochimie, la phase d alimentation et le solvant d extraction sont généralement tous les deux de nature organique. La manipulation a pour objet de récupérer le bleu de méthylène en solution dans la phase saline. Le solvant utilisé est la phase polymère. La masse volumique et la viscosité des phases sont données Tableau 1. L opération a lieu dans une colonne à plateaux. Les deux liquides circulent à contre-courant sous l effet de la gravité, tandis qu une phase est dispersée au sein de l autre par une turbine. Sigle Phase saline Phase polymère Masse volumique (kg.m -3 ) ρ 1121 1089 Viscosité dynamique (kg.m -1 s -1 ) µ 0,0012 0,0761 Comportement rhéologique Newtonien Newtonien Tableau 1 : Caractéristiques physico-chimiques des deux phases vectrices de l extraction. 3

2 - Matériels Le schéma du montage utilisé est présenté sur la figure 2 ci-dessous. 14 12 15 6 8 13 7 5 11 8 7 10 8 1 2 9 4 3 Figure 2 : Schéma de l installation. 4

1 : ballon d alimentation de la phase légère 2 : pompe d alimentation de la phase légère * 3 : ballon d alimentation de la phase lourde 4 : pompe d alimentation de la phase lourde * 5 : canalisation d alimentation de la phase lourde 6 : décanteur supérieur en verre, tubulure d alimentation de la phase lourde, tubulure de soutirage supérieur de la phase légère 7 : colonne d extraction proprement dite, agitation par une turbine de Rushton. 8 : ensemble de décantation pour le soutirage intermédiaire des phases légères et lourdes 9 : décanteur inférieur avec tubulure supérieure d alimentation de la phase légère et tubulure inférieure de soutirage de la phase lourde 10 : canalisation pour le soutirage de la phase lourde munie d une garde hydraulique pour éviter que la colonne ne se vide 11 : ballon de réception de la phase lourde 12 : canalisation pour le soutirage de la phase légère 13 : ballon de réception de la phase légère 14 : motoréducteur d entraînement de la turbine d agitation ** 15 : débitmètre sur le soutirage de la phase légère * Le débit d alimentation de la phase légère est fixé en réglant la vitesse de rotation (rpm) de la pompe péristaltique. Le débit d alimentation de la phase lourde est fixé en réglant la pompe à piston par action sur le nombre d impulsions du piston et sa course. ** La vitesse de rotation de la turbine est fixée en ajustant le nombre de tours par minutes à la valeur désirée. 3 - L opération d extraction - Solution d alimentation : Bleu de méthylène dans une solution saline, - Solvant : phase polymère - Débit de la solution d alimentation F : 20 rpm - Débit de solvant S : pulsation 120, course 15 - Vitesse de rotation de la turbine : 50 tours par minutes. 5

Extrait (polymère + bleu de méthylène) Alimentation (saline+bleu de méthylène) Bleu de méthylène Solvant (polymère) Raffinat (saline + ε Bleu de méthylène) Figure 3 : Schéma de principe de l étape d extraction. 4 - Mode opératoire - S assurer que les deux réservoirs d alimentation sont bien remplis de la solution convenable (phase polymère, bleu de méthylène + phase saline). - Mettre sous tension l appareillage à partir du tableau de contrôle. - Mettre en fonctionnement la pompe doseuse phase lourde à partir du tableau de contrôle ; régler le débit en ajustant l index à la valeur indiquée. Débit : graduation 15, pulsation 120 - Mettre en fonctionnement la pompe péristaltique directement sur la pompe ; régler le débit en ajustant l index à la valeur indiquée, appuyer sur «start», vérifier le sens de rotation (voyant vert en dessous du symbole ) et ouvrir la vanne de refoulement. Débit : valeur 20 rpm - Mettre en mouvement la turbine et fixer la rotation (50 tr/mn). - S assurer que les deux ballons de réception reçoivent bien un débit de liquide. - Repérer l interface dans le décanteur en tête de colonne - Suivi de la mise en régime : prélever un échantillon de l alimentation (en pied de cuve et non en sortie de pompe), toutes les 20 minutes, prélever un échantillon du raffinat et suivre l évolution de la concentration en bleu de méthylène par spectrophotométrie. Vérifier par empotage la stabilité du débit d alimentation - Quand le régime permanent est établi, relever les débits d extrait et de raffinat (empotage) et doser par spectrophotométrie la teneur en bleu de méthylène contenu dans l alimentation et les deux soutirages. 6

5 - Compte rendu - Tracer la courbe d équilibre du système étudié. - Tracer la droite opératoire représentant le bilan matière sur la colonne (droite reliant les deux points représentatifs du haut et du bas de la colonne, alimentation et extrait, solvant et raffinat). - Etablir les bilans massiques (global et sur le bleu de méthylène) de la colonne III - Données La figure suivante présente les données en % massique, relatives à l équilibre. 1.2E-05 1.0E-05 y = 1.076E+06x 3 + 1.167E+02x 2 + 1.772E-02x R 2 = 9.931E-01 BM phase saline y 8.0E-06 6.0E-06 4.0E-06 régression polynomiale 2.0E-06 0.0E+00 0.0E+00 5.0E-05 1.0E-04 1.5E-04 2.0E-04 B M phase x polymère Bleu de Méthylène (phase polymère) Fraction massique x10 5 Bleu de Méthylène (phase saline) Fraction massique x10 6 0 0,00 2 0,41 4 0,96 6 1,72 8 2,72 10 4,02 12 5,67 14 7,72 16 10,23 18 13,25 20 16,82 7

IV - Dosage du bleu de méthylène par spectrophotométrie Le bleu de méthylène est un colorant dont la teneur est souvent déterminée par absorption dans le visible. Les mesures d absorption seront effectuées à 665 nm, correspondant au maximum d absorption de la lumière des solutions. Deux courbes d étalonnage permettant de relier l absorbance d une solution à sa teneur en bleu de méthylène sont données : une courbe d étalonnage pour la phase polymère et une pour la phase saline. 1 - Dosage de la phase polymère Le bleu de méthylène est dosé dans la phase polymère par spectrophotométrie. Les mesures d absorbance sont effectuées après dilution de la phase polymère au vingtième dans l eau distillée. (2,5 ml de la phase polymère qsp 50 ml d eau distillée). Le blanc utilisé afin de définir le zéro du spectrophotomètre est constitué d une solution contenant la phase polymère blanche diluée au vingtième dans l eau distillée. Courbe d'étalonnage du BM dans la phase polymère 0,5 0,45 0,4 0,35 y = 8444,2x + 0,0135 R 2 = 0,9915 Absorbance 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 0,00001 0,00002 0,00003 0,00004 0,00005 0,00006 X (g BM / g phase polymère) prenant en compte la dilution au 20 ème 2 - Dosage de la phase saline Alors que les phases polymères sont aisément dosables, après dilution au vingtième dans l eau distillée, les phases salines présentent un trouble dû à une émulsion très fine créée lors de l agitation. Il convient alors de procéder à la centrifugation des échantillons de la phase saline. Les conditions opératoires sont les suivantes : 5000 tours par minute pendant 10 minutes. La 8

centrifugation permet d obtenir rapidement des solutions salines limpides, utilisables pour le dosage par spectrophotométrie. Le bleu de méthylène peut ensuite être directement dosé en phase saline. La phase saline blanche est utilisée afin de régler le zéro du spectrophotomètre. Remarques : - pour chaque échantillon de l alimentation, du raffinat et de la solution saline étalon, remplir 2 flacons de centrifugeuse pour une analyse spectrophotométrique. - la centrifugeuse doit être équilibrée, pour chaque flacon en positionner un autre identique de manière diamétralement opposée. - 9

V Arrêt de l installation Arrêt de la pompe doseuse sur le tableau de contrôle. Arrêt de la pompe péristaltique et fermeture de la vanne de refoulement. Arrêt de l agitation. Nettoyage complet de l installation, vider les flacons d échantillon dans le bidon de récupération prévu à cet effet, nettoyer la paillasse et le petit matériel. 10