Extraction liquide-liquide

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, d'azéotropes, de produits thermo-sensibles et de composés ayant un faible coefficient de volatilité relative[2] ;
• 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.

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.

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'une précipitation selon la nature et les propriétés physico-chimiques du soluté et 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 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.

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 :

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

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

${\displaystyle K={\frac {a_{B}}{a_{A}}}={\frac {C_{B}}{C_{A}}}}$.

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.

• (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
• Henri Fauduet, Principes fondamentaux du génie des procédés et de la technologie chimique, Lavoisier, 1997 (ISBN 2-7430-0227-1)
• Gérard Cote, Extraction liquide-liquide - Définition du procédé – Réactifs industriels, Techniques de l'ingénieur, 2021

• Présentation filmée d'une extraction liquide-liquide