ในการสกัดด้วยตัวทำละลาย อัตราส่วนการกระจายตัว (D) มักถูกอ้างถึงว่าเป็นตัววัดว่าสารชนิดนั้นถูกสกัดได้ดีเพียงใด อัตราส่วนการกระจายตัวคือการวัดความเข้มข้น รวม ของตัวถูกละลายในเฟสอินทรีย์หารด้วยความเข้มข้นในเฟสน้ำ^{[ 2 ]}สัมประสิทธิ์การแบ่งส่วนหรือการกระจายตัว (K ) คืออัตราส่วนของความเข้มข้นของตัวถูกละลายในแต่ละชั้นเมื่อถึงสมดุล^{[ 3 ]}ความแตกต่างระหว่าง D และK นี้ มีความสำคัญ สัมประสิทธิ์การแบ่งส่วนเป็นค่าคงที่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์และมีค่าคงที่สำหรับการแบ่งส่วนของตัวถูกละลายระหว่างสองเฟส อย่างไรก็ตาม ค่าของอัตราส่วนการกระจายตัวจะเปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะของสารละลายหากปริมาณสัมพัทธ์ของAและBเปลี่ยนแปลง หากเรารู้ปฏิกิริยาสมดุลของตัวถูกละลายภายในแต่ละเฟสและระหว่างสองเฟส เราสามารถหาความสัมพันธ์ทางพีชคณิตระหว่าง K และDได้ สัมประสิทธิ์การแบ่งส่วนและอัตราส่วนการกระจายตัวจะเหมือนกันหากตัวถูกละลายมีรูปแบบทางเคมีเพียงรูปแบบเดียวในแต่ละเฟส อย่างไรก็ตาม หากตัวละลายมีอยู่ในรูปแบบทางเคมีมากกว่าหนึ่งรูปแบบในแต่ละเฟส ค่าK และDมักจะมีค่าต่างกัน^{[ 2 ]}ขึ้นอยู่กับระบบ อัตราส่วนการกระจายตัวอาจเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ ความเข้มข้นของชนิดทางเคมีในระบบ และพารามิเตอร์อื่นๆ อีกมากมาย โปรดทราบว่าDเกี่ยวข้องกับพลังงานอิสระของกิบส์ (Δ G)ของกระบวนการสกัด^{[ 4 ]}

ในการสกัดด้วยตัวทำละลาย ของเหลวสองชนิดที่ไม่สามารถผสมกันได้จะถูกเขย่าเข้าด้วยกัน สารละลาย ที่มีขั้วมากกว่าจะละลายได้ดีกว่าในตัวทำละลายที่มีขั้วมากกว่า และสารละลายที่มีขั้วน้อยกว่าจะละลายได้ดีกว่าในตัวทำละลายที่มีขั้วน้อยกว่า ในการทดลองนี้ ฮาโลเจนที่ไม่มีขั้วจะละลายได้ดีกว่าในน้ำมันแร่ที่ไม่มีขั้ว^{[ 5 ]}

ปัจจัยการแยกคืออัตราส่วนการกระจายตัวหนึ่งหารด้วยอีกอัตราส่วนหนึ่ง เป็นตัววัดความสามารถของระบบในการแยกสารละลายสองชนิด ตัวอย่างเช่น หากอัตราส่วนการกระจายตัวของนิกเกล (D ) คือ 10 และอัตราส่วนการกระจายตัวของเงิน (D ) คือ 100 ดังนั้นปัจจัยการแยกเงิน/นิกเกล (SF ) จะเท่ากับ D /D = SF = 10 ^{[ 6 ]}

ความสำเร็จของการสกัดของเหลว-ของเหลวจะวัดได้จากปัจจัยการแยกและปัจจัยการกำจัดสิ่งปนเปื้อน วิธีที่ดีที่สุดในการทำความเข้าใจความสำเร็จของคอลัมน์การสกัดคือการใช้ชุดข้อมูลสมดุลของเหลว-ของเหลว (LLE) จากนั้นชุดข้อมูลสามารถแปลงเป็นเส้นโค้งเพื่อกำหนดพฤติกรรมการแบ่งส่วนที่สภาวะคงที่ของตัวถูกละลายระหว่างสองเฟส แกน y คือความเข้มข้นของตัวถูกละลายในเฟสสารสกัด (ตัวทำละลาย) และแกน x คือความเข้มข้นของตัวถูกละลายในเฟสราฟฟิเนต จากตรงนี้ เราสามารถกำหนดขั้นตอนสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการได้^{[ 7 ]}

โดยทั่วไปแล้วจะใช้ในอุตสาหกรรมสำหรับการแปรรูปโลหะเช่นแลนทานอยด์เนื่องจากปัจจัยการแยกตัวระหว่างแลนทานอยด์นั้นน้อยมาก จึงจำเป็นต้องมีขั้นตอนการสกัดหลายขั้นตอน^{[ 15 ]}ในกระบวนการหลายขั้นตอนสารละลายราฟฟิเนต ในน้ำ จากหน่วยสกัดหนึ่งจะถูกป้อนไปยังหน่วยถัดไปเป็นสารละลายในน้ำ ในขณะที่เฟสอินทรีย์จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นด้วยวิธีนี้ แม้ว่าการแยกตัวระหว่างโลหะสองชนิดในแต่ละขั้นตอนจะน้อย แต่ระบบโดยรวมก็สามารถมีปัจจัยการกำจัดสิ่งปนเปื้อนที่สูงขึ้นได้

มีการใช้ชุดตัวแยก แบบหลายขั้นตอนแบบไหลสวนทาง กัน ในการแยกแลนทานอยด์ สำหรับการออกแบบกระบวนการที่ดี อัตราส่วนการกระจายตัวไม่ควรสูงเกินไป (>100) หรือต่ำเกินไป (<0.1) ในส่วนของการสกัด โดยทั่วไปแล้ว กระบวนการมักจะมีส่วนสำหรับขจัดโลหะที่ไม่ต้องการออกจากเฟสอินทรีย์ และสุดท้ายมี ส่วน การลอกเพื่อนำโลหะกลับคืนมาจากเฟสอินทรีย์

เครื่องผสมและแยกตะกอน

เครื่องผสม-แยกประกอบด้วยขั้นตอนการผสมซึ่งมักจะสร้างสารแขวนลอยของของเหลวสองชนิดที่ไม่สามารถผสมกันได้ ตามด้วยขั้นตอนการแยกที่ช่วยให้ของเหลวแยกออกเป็นสองชั้นโดยแรงโน้มถ่วง เครื่องผสม-แยกมักใช้เมื่อกระบวนการต้องการเวลาในการอยู่ในระบบนานขึ้น และเมื่อสารละลายสามารถแยกออกจากกันได้ง่ายโดยแรงโน้มถ่วง ในกระบวนการแบบไหลสวนทางหลายขั้นตอน จะมีการติดตั้งเครื่องผสม-แยกหลายเครื่องเรียงกัน โดยของเหลวที่แยกตัวออกจากขั้นตอนหนึ่งจะถูกส่งไปยังขั้นตอนถัดไปเพื่อการแยกเพิ่มเติม^{[ 16 ] [ 17 ]}

การใช้การสกัดด้วยตัวทำละลายทำให้สามารถสกัดยูเรเนียมพลูโทเนียมธอร์เรียมและธาตุหายากหลายชนิดออกจากสารละลายกรดได้อย่างเลือกสรร โดยเลือกใช้ตัวทำละลายอินทรีย์และสารเจือจางที่เหมาะสม ตัวทำละลายชนิดหนึ่งที่ใช้เพื่อจุดประสงค์นี้คือ ไตรบิวทิลฟอสเฟต (TBP) ซึ่งเป็นสารประกอบ ออร์กาโนฟอสเฟต กระบวนการ PUREXที่ใช้กันทั่วไปในการปรับปรุงสภาพนิวเคลียร์ใช้ส่วนผสมของไตร-เอ็น-บิวทิลฟอสเฟตและไฮโดรคาร์บอนเฉื่อย ( น้ำมันก๊าด ) โดยยูเรเนียม(VI) จะถูกสกัดออกจากกรดไนตริก เข้มข้น และถูกสกัดกลับ (แยก) โดยใช้กรดไนตริกเจือจาง จะเกิด สารประกอบ ยูเรเนียมที่ละลายได้ในสารอินทรีย์ [UO₂ TBP) (NO₃ ₂ จากนั้นชั้นอินทรีย์ที่มียูเรเนียมจะถูกนำมาสัมผัสกับ สารละลายกรดไนตริก เจือจางสมดุลจะเปลี่ยนจากสารประกอบยูเรเนียมที่ละลายได้ในสารอินทรีย์ไปสู่ ​​TBP อิสระและยูรานิลไนเตรตในกรดไนตริกเจือจาง พลูโทเนียม(IV) เกิดเป็นสารเชิงซ้อนที่คล้ายกับยูเรเนียม(VI) แต่สามารถแยกพลูโทเนียมออกได้หลายวิธี เช่นการเติมสารรีดิวซ์ที่เปลี่ยนพลูโทเนียมไปเป็นสถานะออกซิเดชัน ไตรวาเลน ต์ สถานะออกซิเดชันนี้จะไม่เกิดเป็นสารเชิงซ้อนที่เสถียรกับ TBP และไนเตรตเว้นแต่ความเข้มข้นของไนเตรตจะสูงมาก ( ต้องใช้ไนเตรตประมาณ 10 โมล/ลิตรในเฟสของเหลว) อีกวิธีหนึ่งคือการใช้กรดไนตริกเจือจางเป็นสารแยกพลูโทเนียม เคมี PUREX นี้เป็นตัวอย่างคลาสสิกของการสกัดแบบโซลเวชันในกรณีนี้ D = k [TBP] ² [NO ⁻ ] ² 

กลไกการสกัดอีกแบบหนึ่งเรียกว่า กลไก การแลกเปลี่ยนไอออนในกลไกนี้ เมื่อไอออนถูกถ่ายโอนจากเฟสของเหลวไปยังเฟสอินทรีย์ไอออน อีกตัวหนึ่ง จะถูกถ่ายโอนไปในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อรักษาสมดุลของประจุ ไอออนเพิ่มเติมนี้มักจะเป็นไอออนไฮโดรเจนสำหรับกลไกการแลกเปลี่ยนไอออน อัตราส่วนการกระจายตัวมักจะเป็นฟังก์ชันของค่า pHตัวอย่างของการสกัดด้วยการแลกเปลี่ยนไอออนคือการสกัดอะเมริเซียมโดยใช้เทอร์ไพริดีนและกรดคาร์บอก ซิลิก ในเทอร์ท - บิวทิลเบนซีนในกรณีนี้

D = k [เทอร์ไพริดีน] ¹ [กรดคาร์บอกซิลิก] ³ [H ⁺ ] ⁻³

อีกตัวอย่างหนึ่งคือการสกัดสังกะสีแคดเมียมหรือตะกั่วโดยใช้กรดไดอัลคิล ฟอสฟิ นิก (R₂PO₂H ในตัวทำละลาย ที่ไม่เป็นขั้ว เช่น แอ ลเคน ตัว ทำละลาย ที่ไม่เป็นจะ เอื้อต่อการเกิดสาร เชิงซ้อน ของ โลหะที่ไม่เป็นขั้วและไม่มีประจุ

ระบบการสกัดบางระบบสามารถสกัดโลหะได้ทั้งโดยกลไกการละลายและการแลกเปลี่ยนไอออน ตัวอย่างของระบบดังกล่าวคือการสกัดอะเมริเซียม (และแลนทานัม ) จากกรดไนตริกโดยใช้สารประกอบ 6,6'- bis -(5,6-di pentyl -1,2,4-triazin-3-yl)- 2,2'-bipyridine และ กรด 2-bromo hexanoic ในtert - butyl benzeneทั้งที่ความเข้มข้นของกรดไนตริกสูงและต่ำ อัตราส่วนการกระจายตัวของโลหะจะสูงกว่าที่ความเข้มข้นของกรดไนตริกปานกลาง

การเลือกไอออนคู่ที่เหมาะสมอย่างระมัดระวังจะช่วยให้สามารถสกัดโลหะได้ ตัวอย่างเช่น หาก ความเข้มข้น ของไนเตรตสูง ก็สามารถสกัดอะเมริเซียม ออกมา ในรูปของ สารประกอบเชิงซ้อนไนเตรตประจุ ลบได้หากในส่วนผสมมีเกลือแอมโมเนียมควอเทอร์นารีที่ ชอบ ไขมัน อยู่ด้วย

ตัวอย่างหนึ่งที่ นักเคมี ทั่วไป น่าจะพบเจอได้บ่อย คือ การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟสซึ่งเป็นสารที่มีประจุและถ่ายโอนไอออน อีกตัวหนึ่ง ไปยังเฟสอินทรีย์ ไอออนนั้นจะทำปฏิกิริยาและเกิดเป็นไอออนอีกตัวหนึ่ง จากนั้นจึงถูกถ่ายโอนกลับไปยังเฟสของเหลว

ตัวอย่างเช่นต้องใช้ พลังงาน 31.1 kJ mol ^{−1 ในการถ่ายโอนไอออน} อะซิเตตเข้าไปในไนโตรเบนซีน^{[ 19 ]}ในขณะที่พลังงานที่จำเป็นในการถ่ายโอนไอออนคลอไรด์จากเฟสของเหลวไปยังไนโตรเบนซีนคือ 43.8 kJ mol −1 ^{[ 20 ] ดังนั้น}หากเฟสของเหลวในปฏิกิริยาเป็นสารละลายโซเดียมอะซิเตตในขณะที่เฟสอินทรีย์เป็นสารละลายไนโตรเบนซีนของเบนซิลคลอไรด์เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟส ไอออนอะซิเตตสามารถถูกถ่ายโอนจากชั้นของเหลวไปยังชั้นของเหลวเพื่อทำปฏิกิริยากับเบนซิลคลอไรด์เพื่อสร้างเบนซิลอะซิเตตและไอออนคลอไรด์ จากนั้นไอออนคลอไรด์จะถูกถ่ายโอนไปยังเฟสของเหลว พลังงานการถ่ายโอนของไอออนมีส่วนช่วยในพลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยา

พลังงานเพิ่มเติม 43.8 ถึง 31.1 kJ mol ⁻¹ = 12.7 kJ mol ⁻¹จะถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาเมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานหากปฏิกิริยาเกิดขึ้นในไนโตรเบนซีน โดยใช้ เต ตระ อัลคิลแอมโมเนียมอะซิเตตหนึ่งน้ำหนักเทียบเท่า^{[ 21 ]}

การสกัดตัวทำละลายแบบแกว่งอุณหภูมิเป็นเทคนิคการทดลองสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำดื่ม มีการใช้เพื่อกำจัดเกลือในน้ำได้ถึง 98.5% และสามารถประมวลผลน้ำเกลือเข้มข้นสูงที่ไม่สามารถแยกเกลือออกได้โดยใช้รีเวิร์สออสโมซิส^{[ 24 ]}

เพื่อคำนวณสมดุลเฟส จำเป็นต้องใช้แบบจำลองทางเทอร์โมไดนามิก เช่น NRTL, UNIQUAC เป็นต้น พารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องของแบบจำลองเหล่านี้สามารถหาได้จากเอกสารอ้างอิง (เช่น Dechema Chemistry Data Series, Dortmund Data Bankเป็นต้น) หรือโดยกระบวนการหาความสัมพันธ์ของข้อมูลการทดลอง^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

Ce(IV) สามารถแยกออกจากไอออนธาตุหายาก (III) อื่นๆ ได้โดยใช้กรดซัลฟิวริกและ HDEHP เพื่อผลิตซีเรียมออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง^{[ 33 ]}

การสกัดโคบอลต์จากกรดไฮโดรคลอริกโดยใช้Alamine 336 (ไตรออกทิล/เดซิลอะมีน) ในเมตาไซลีน [ ^{34 ] โคบอลต์}ยังสามารถสกัดได้โดยใช้Ionquest 290 หรือ Cyanex 272 { กรด บิส -(2,4,4-ไตรเมทิลเพนทิล)ฟอสฟินิก }

สามารถสกัดทองแดงได้โดยใช้ไฮด รอกซีออกซิม เป็นสารสกัด บทความล่าสุดอธิบายถึงสารสกัดที่มีความเลือกสรรที่ดีต่อทองแดงมากกว่าโคบอลต์และนิกเกล^{[ 35 ]}

ธาตุหายากแกโดลิเนียมสามารถสกัดได้ด้วยn- tributyl phosphate และกรดไนตริกเพื่อให้ได้แกโดลิเนียมออกไซด์มากกว่าหนึ่งกิโลกรัม^{[ 36 ]}

ธาตุหายากนีโอดีเมียมถูกสกัดโดยกรดได(2-เอทิล-เฮกซิล)ฟอสฟอริกในเฮกเซนโดยกลไกการแลกเปลี่ยนไอออน^{[ 37 ]}นอกจากนี้ นีโอดีเมียมยังสามารถแยกออกจากไดสโปรเซียมได้โดยการตกตะกอนแบบเลือกของไดสโปรเซียมด้วยไซยาเน็กซ์ 272 เมื่อความเข้มข้นของ HNO เท่ากับ 0.001  โมล/ลิตร^{[ 38 ]}

สามารถสกัดนิกเกิลได้โดยใช้กรดได(2-เอทิล-เฮกซิล)ฟอสฟอริกและไตรบิวทิลฟอสเฟตในตัวทำละลายไฮโดรคาร์บอน (เชลล์ซอล) ^{[ 39 ]}

ไดอัลคิลซัลไฟด์ ไตรบิวทิลฟอสเฟต และอัลคิลเอมีนถูกนำมาใช้ในการสกัดแพลเลเดียมและแพลทินัม^{[ 40 ] [ 41 ]}

โพโลเนียมผลิตขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์จาก^209Bi ตามธรรมชาติ โดยถูกยิงด้วยนิวตรอนทำให้เกิด^210Biซึ่งจากนั้นจะสลายตัวเป็น210Po ^ผ่านการสลายตัวแบบเบตาลบ การทำให้บริสุทธิ์ขั้นสุดท้ายทำโดยวิธีไพโรเคมีด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่อุณหภูมิ500 ° Cจากนั้นจึงตามด้วยการสกัดของเหลว-ของเหลว โดยใช้ไดบิวทิลคาร์บิทอลเป็นสารสกัด^{[ 42 ]} 

ธอร์เรียมสามารถสกัดได้จากธาตุหายากอื่นๆ โดยใช้กรดซัลฟิวริกและสารสกัด N1923 เพื่อผลิตธอร์เรียมออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์ 99.5% และอัตราการคืนตัว 99% ^{[ 33 ]}

สังกะสีและแคดเมียมถูกสกัดโดยกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน โดยN,N,N′,N′ -tetrakis(2-pyridylmethyl)ethylenediamine (TPEN) ทำหน้าที่เป็นสารปกปิดสำหรับสังกะสีและสารสกัดสำหรับแคดเมียม^{[ 43 ]}ในกระบวนการ Zincex ที่ได้รับการดัดแปลง สังกะสีจะถูกแยกออกจากไอออนสองวาเลนต์ส่วนใหญ่โดยการสกัดด้วยตัวทำละลาย D2EHPA (Di (2) ethyl hexyl phosphoric acid) ถูกใช้สำหรับกระบวนการนี้ ไอออนสังกะสีจะแทนที่โปรตอนจากโมเลกุล D2EHPA สองโมเลกุล ในการแยกสังกะสีออกจาก D2EHPA จะใช้ กรดซัลฟิวริกที่ความเข้มข้นสูงกว่า 170 กรัม/ลิตร (โดยทั่วไป 240-265 กรัม/ลิตร)

การสกัดลิเธียมเป็นที่นิยมมากขึ้นเนื่องจากความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสูงTBP (ไตรบิวทิลฟอสเฟต)และFeCl3 ส่วน ใช้ในการสกัดลิเธียมจากน้ำเกลือ (ที่มีอัตราส่วน Li/Mg สูง) ^{[ 44 ]}นอกจากนี้ Cyanex 272 ยังถูกนำมาใช้ในการสกัดลิเธียมด้วย กลไกการสกัดลิเธียมพบว่าแตกต่างจากโลหะอื่นๆ เช่น โคบอลต์ เนื่องจากพันธะการประสานงานที่อ่อนแอระหว่างไอออนลิเธียมและสารสกัด^{[ 45 ]}