Brevet FR2539047A1 — publié le 19840713

La présente invention concerne un dispositif permettant d'extraire, au moyen de solvants organiques, des substances en solution dans un liquide acqueux Cette opération est de grande importance en chimie analytique et préparative Elle est dénommée extraction liquide-liquide ou, plus succinc- tement, extraction liquide. Comme son nom l'indique, elle met en jeu deux liquides a très faible solubilité réciproque comme par exemple une solution acqueuse et un solvant organique ou un mélange de tels solvants. Dans un cas assez général, l'opération pourra avoir pour but d'extrai- re d'une solution acqueuse, un ou plusieurs solutés organiques par un solvant organique pour lequel les solutés en question présentent une affinité mesu- rée en terme de solubilité plus grande que vis à vis de l'eau, élément de base de la phase acqueuse C'est précisément cette dernière propriété qui justifie la dénomination d'extraction, puisqu'en effet, elle a pour résultat que la plus grande partie des solutés initialement présents dans la phase acqueuse se retrouve dans le solvant en fin d'opération. Un dispositif couramment utilisé pour réaliser cette opération fait appel à un contenant généralement en verre, de forme cylindro-cÈnique, fermé à sa partie inférieure par un robinet et t sa partie supérieure, par un ori- fice obturable permettant l'introduction des liquides Une extraction rapide est obtenue par une agitation énergique du dit récipient par un moyen manuel ou mécanique Cette agitation a pour effets, d'une part d'augmenter la sur- face de contact (ou interface) entre les deux liquides au travers de laquelle se produit l'échange des produits à extraire et d'autre part, de renouveler constamment les parties des deux liquides en contact Cette agitation est poursuivie pendant le temps nécessaire au partage des solutés entre les deux phases liquides en présence, au prorata de leurs solubilités dans les deux liquides Cette durée sera dénommée dans la suite: temps de mise en équili- bre ou plus concisément, temps d'équilibre Il dépend assez fortement du mode d'agitation adoptée et de la puissance d'agitation mise en jeu Dans ce proces- sus, les deux masses liquides sont fractionnées en une multitude déléments distincts dont les dimensions peuvent atteindre celles de gouttes élémentaires sans que pour autant la non-miscibilité des deux phases soit remise en cause. Finalement, l'opération d'extraction s'achève sur la séparation des deux phases qui est généralement réalisée par décantation Pour ce faire, l'ampoule d'ex- traction est immobilisée en position verticale dans un support convenable et -2 - les deux liquides sont soutirés successivement par le robinet inférieur et re- cueillis séparément. A ce stade des opérations, la phase acqueuse est généralement éliminée sauf si elle doit être à nouveau soumise à une deuxième extraction, soit par un solvant différent, soit par une nouvelle quantité du même solvant pour amé- liorer le rendement de l'opération tandis que la ou les phases organiques sont récupérées en vue de leur utilisation dans la suite du processus analytique. Le mode d'extraction qui vient d'être décrit, d'utilisation courante au laboratoire, présente différents inconvénients En premier lieu, l'opération est longue, fastidieuse et relativement compliquée C'est ce pourquoi on peut chercher à en améliorer la simplicité de mise en oeuvre et la rapidité d'exécution, ce qui constitue le principal objectif de l'invention proposée. En second lieu, on doit noter que pour réduire la durée de l'extraction dans les dispositifs actuellement utilisés, l'opérateur est conduit à soumettre les liquides à une agitation violente Or, celle-ci s'accompagne d'un contact intense des liquides avec l'air ambiant, ce qui favorise certaines modifica- tions chimiques des substances présentes dans la solution acqueuse, en parti- culier par oxydation Probablement catalysées par les impuretés du mélange. Enfin, l'agitation violente peut être également responsable de la formation d'une phase de nature complexe baptisée du nom générique d'émulsion ce qui a pour conséquences de réduire le contact entre les deux phases, de rete- nir certaines des substances à extraire et enfin, de rendre difficile, voire dans certains cas extrêmes impossible, la séparation ultime des deux phases liquides. Le dispositif selon l'invention améliore de façon déterminante le pro- cessus d'extraction liquide sur le plan économique en même temps qu'il permet d'éliminer totalement les inconvénients précédents Il apporte en effet une diminution considérable de la durée de l'ensemble des opérations ainsi qu'une simplicité et un confort d'exécution inconnus actuellement dans de type de manipulation de laboratoire. L'invention proposée concerne un dispositif d'extraction, comprenant un récipient à symétrie cylindrique, mobile par rapport à une semelle fixe autour de plusieurs axes de rotation, caractérisé en ce qu'il' peut tourner autour de deux axes verticaux, le premier étant confondu avec l'axe de symé- trie du dit récipient et le second également vertical, mais excentré par rap- port au premier. 2539047, 3- Pour décrire le dispositif, nous nous référerons aux dessins ci-joints, dans lesquels La figure 1 est un schéma de principe, montrant l'implantation des deux axes de rotation par rapport au récipient, La figure 2 un exemple non limitatif, de réalisation des mouvements du réci- pient proposé selon l'invention. Les figures 3, 4 et 5 des détails particuliers à l'invention proposée, La figure 6, une disposition possible pour un appareil réalisé suivant l'in- vention. Selon la figure 1, l'ensemble d'extraction est-constitué de deux parties qui sont maintenues solidaires l'une de l'autre pendant la durée de l'opération: D'une part, un récipient en forme d'ampoule à décanter 1, contenant dans lequel s'effectue l'opération proprement dite Cette ampoule, de forme cylin-t dro-conique, est terminée à sa partie inférieure par un robinet 3 qui permet la séparation des deux liquides à la fin de l'opération et à sa partie supé- rieure, d'un orifice pour l'introduction des liquides et qui sert également a supporter mécaniquement l'ampoule en question. D'autre part, un entonnoir creux 2, dont la fonction première est de sup- porter l'ampoule 1 comme il vient d'être dit et qui est constitué d'une partie cylindrique 5 par laquelle l'ensemble est saisi au moyen d'un mandrin qui sera décrit dans la suite et d'une partie conique 6 formant entonnoir pour permet- tre l'introduction des liquides 1 Les deux parties en question sont liées rigidement l'une à l'autre par le raccordement 4, dont un mode de réalisation pourrait être, comme dans le cas de la figure 2, un emmanchement à rodages coniques male et femelle main- tenus en place par une pince élastique non représentée sur la figure. La figure 2 décrit le mécanisme d'entraînement de l'ensemble précédent, sur un exemple non limitatif de réalisation de l'invention Il est essentiel- lement constitué des deux couronnes 7 et 8 qui peuvent tourner par rapport à une semelle fixe 11, qui sert de support pour l'ensemble, autour de leur axe commun A 2, par l'intermédiaire des deux roulements à billes 9 et 10 respec- tivement. Ces roulements sont fixés rigidement à la semelle 11 par les deux bri- des de serrage 22 pour la couronne supérieure 7 et 23 pour la couronne infé- rieure 8 Les deux couronnes peuvent être mises en rotation par l'ensemble constitué par le moteur 18 et les deux poulies 19 et 20, entraînées par le moteur et deux courroies s'appuyant sur ces poulies d'une part et les deux / 2539047, -'4 couronnes dans les gorges ménagées à cet effet, par exemple selon la disposi- tion présentée sur la figure 5. Les deux couronnes jouent des rôles différents dans le procédé d'extrac- tion proposé La couronne supérieure 7 supporte l'ensemble d'extraction formé par l'ampoule à décanter et son entonnoir support, par l'intermédiaire d'un équipage tournant qui est d'autre part représenté isolément sur la figure 3. Cet équipage a deux fonctions: D'une part il supportel'ensemble d'extrac- tion et d'autre part, il permet à cet ensemble de tourner autour de son axe de symétrie Ai On notera que l'équipage est implanté dans la bride support 17 de telle manière que son axe de symétrie Ai soit excentré par rapport à l'axe A 2 de la bride elle-même Pour comprendre la réalisation de l'équipage on pourra se reporter également aux figures 3 et 4 L'équipage est constitué d'une douille 14, cylindrique à l'extérieur, conique à l'intérieur, sur la- quelle sont emmanchés extérieurement, précisément sur la partie cylindrique, deux roulements à billes 15 Ces roulements sont eux-mêmes emmanchés exté- rieurement dans une partie cylindrique formant puits de la bride supérieure 7. L'entonnoir 2 est rendu solidaire de l'équipage par un système de deux mors coniques 13, constituant, avec la bague de serrage 21, un mandrin On notera que compte tenu de l'amovibilité des mors de serrage, il est possible, après avoir dévissé complètement la bague de serrage 21, d'introduire ou d'enlever l'entonnoir de l'équipage mobile Ainsi, pour le mettre en place, on l'intro- duit dans la douille 14 en même temps que les deux mors de serrage qui viennent se serrer sur la partie cylindrique 5 de l'entonnoir 2, puis on visse la bague 21 au moyen des filetages prévus à cet effet à la partie supérieure et à l'ex- térieur de la douille 14 et à l'intérieur de la bague 21 Pour réaliser cette opération, ilaura fallu au préalable enfiler l'entonnoir dans la bague de serrage Afin de permettre l'utilisation d'un ensemble d'extraction 1 et 2 en verre, les mors sont réalisés en une matière présentant une élasticité suffisante telle qu'une matière plastique comme, par exemple, le nylon ou le polyéthylène Enfin, à la partie inférieure de la douille 14 est fixée une couronne dentée 16 qui lui en est solidaire et concentrique. La couronne inférieure 8 a pour fonction de faire tourner l'équipage mobile et donc l'ensemble d'extraction qui lui est lié autour de l'axe Al. Pour cela, elle est munie d'une couronne dentée intérieure 12 de même module que la couronne 16, avec laquelle elle forme un engrenage. Les deux couronnes sont entraînées par le moteur 18 au moyen du systè- me de poulies que montre la figure 5 Un embrayage unidirectionnel, de type à bille ou à cliquet, non représenté sur la figure, et disposé entre les deux -5 poulies 19 et 20, permet d'entraîner une des deux poulies et une seule à la fois, selon le sens de rotation choisi pour le moteur Il est ainsi possible, avec un seul moteur, de communiquer à l'équipage, et donc à l'ensemble d'ex- traction formé par les pièces 1 et 2, les deux mouvements de rotation autour des axes Ai et A 2 par simple changement du sens de rotation du moteur. En fonctionnement, l'ensemble est animé des deux mouvements suivants successivement: 1) Dans la première phase qui sera dénommée phase d'extraction dans la suite, le moteur entraîne la couronne inférieure 8 par l'intermédiaire de la poulie 20 et de la courroie qui les associe Par conséquent, l'équipage et donc l'ensemble d'extraction, tournent autour de leur axe de révolution Ai, le mouvement leur étant transmis par l'engrenage formé par les pignons 12 et 16 Compte tenu des diamètres relatifs de ces pignons et de ceux des poulies 8 et 20, la vitesse de rotation de l'équipage est voisine de celle du moteur. 2) Dans la deuxième phase,-dénommée phase de rinçcage dans la suite, le moteur entraîne la couronne supérieure 7 par l'intermédiaire de la poulie 19 et de la courroie qui les associe Le mouvement de l'équipage et de l'ensem- ble d'extraction est alors un mouvement autour de ltaxe déporté A 2,à une vites- se sensiblement plus faible que le mouvement précédent, compte tenu du rapport des diamètres des poulies 7 et 19. Le fonctionnement de l'appareil, tel qu'il vient d'être décrit, est le suivant Avant toute opération mécanique, les liquides sont introduits dans l'en- semble par la partie conique 6 de l'entonnoir à partir duquel ils s'écoulent par gravité dans l'ampoule à décanter 1. Un cycle complet d'extraction comprend alors l'enchaînement des deux pha- ses suivantes et dans l'ordre indiqué: 1 PHASE D'EXTRACTION L'ensemble est soumis à un mouvement de rotation rapide autour de l'axe Ai tel qu'il a été décrit précédemment Cette phase dure le temps nécessaire à la mise en équilibre des solutions. 2 PHASE DE RINCAGE / DECANTATION L'ensemble est soumis à un mouve- ment de rotation, lent par rapport au précédent, autour de l'axe A 2 excentré. Durant la phase d'extraction, les liquides sont entraînés par la rotation. La force centrifuge à laquelle ils sont soumis a pour résultat de les faire monter le long de la paroi verticale et de les y maintenir appliqués tant que dure cette rotation Ceci a pour première conséquence d'augmenter de façon im- portante la surface de contact entre les deux liquides De plus, et comptetenu -6- des inévitables irrégularités dans la réalisation de l'ampoule d'extraction, les deux liquides ne restent pas immobiles l'un par rapport à l'autre d'une part et par rapport au récipient d'autre part Ils sont le siège d'un mouve- mernt relatif, essentiellement azimuthal Ce mouvement rapide des deux couches de liquide à l'intérieur du mouvement de rotation d'ensemble, ajouté à la gran- de surface de contact, permet d'atteindre l'équilibre d'extraction en un temps extrêmement court, pratiquement le temps de mise en rotation du système De plus, la nature quasi - 14 minaire de l'écoulement, a pour conséquence d'élimi- ner l'action de l'air ambiant et la formation d'émulsions, empêchant l'appa- rition des défauts dont-il a été question plus haut. Durant la phase de rinçage, la rotation autour de l'axe A 2, de très cour- te durée, a'pour effet de rassembler l'ensemble de la masse liquide sur un cô- té de l'ampoule et de lui en faire balayer toute sa surface Ce mouvement a peu objet, d'une part d'accélérer et d'améliorer considérablement la phase de dÉcantation finale et d'autre part de débarrasser la paroi de l'ampoule des gouttes de liquide résiduelles L'intérit de cette opération est double en ce çquil réduit le temps nécessaire à une parfaite décantation, situation avant laquelle il n'est pas possible de commencer le soutirage final d'une part, et en ce qu'il procure un premier lavage de la paroi du récipient, permettant ain- si un passage très rapide à l'échantillon suivant La raison essentielle pour laquelle le mouvement de rotation appliqué durant la deuxième phase du cycle d'extraction procure ces avantages tient au fait que l'ensemble de la masse li- quide rassemblée par ce mouvement, atteint un niveau supérieur à celui que les liquides atteignent durant la phase d'extraction. Un modèle d'appareil fonctionnant selon la description précédente, est re- présenté, à titre indicatif, sur la figure 6. Le moteur utilisé peut être de n'importe quel type, pourvu qu'il puisse être commandé suivant ses deux sens de rotation On peut ainsi recourir à un moteur à courant continu ou à un moteur asynchrone, sans balais, pour lequel une commande électronique par thyristors peut être réalisée simplement Le circuit de commande sera constitué de deux circuits de temporisation couplés à 2 triacs, le premier excitant le moteur dans le sens correspondant à la phase d'extraction et pendant le temps nécessaire à cette opération, puis le second commandant le moteur dans l'autre sens pendant la durée de la phase de décanta- tion Les vitesses de rotation et les durées des deux phases d'un cycle complet d'extraction sont choisies en fonction des considérations suivantes: En ce qui concerne la phase d'extraction, il est en premier lieu nécessaire d'attein- dre une vitesse suffisante pour faire monter les liquides sur la paroi latéra- le de l'ampoule En second lieu, plus la valeur de cette vitesse sera élevée 2539047. 7 - et plus court sera le temps d'extraction L'expérience conduit à une gamme de vitesses de quelques centaines de tours par minute à une limite supérieure qui dépend en grande partie du volume de l'ensemble à entraîner et par consé- quent, des volumes de solutions à traiter A titre indicatif et non limitatif, une vitesse de 1 000 tours par minute peut convenir pour une ampoule d'une con- tenance d'environ 500 millilitres Pour des volumes plus faibles, on peut en- visager une vitesse de rotation plus élevée Quant à la durée de la phase d'extraction, une valeur de 5 à 10 secondes est suffisante dans l'exemple qui vient d'être cité En ce qui concerne la phase de rinçage-décantation, la vi- tesse de rotation est limitée par le balourd créé par l'excentrement de la mas- se à entraîner Cependant, la durée de cette phase est courte, juste le temps nécessaireà rassembler l'ensemble de la-masse liquide sur un côté de l'ampoule. A titre d'exemple non limitatif, deux ou trois rotations à une vitesses d'envi- ron 100 tours par minute, permettent d'atteindre cet objectif. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'extraction liquide-liquide dans un récipient de symétrie cylindrique, d'axe vertical mobile par rapport à une se- melle fixée à un bâti, caractérisé en ce qu'il comprend, montés sur le même bâti, des moyens d'entraînement du récipient autour de son axe à une vitesse telle que sous l'effet de la force centrifuge les deux liquides sont plaqués sur la paroi interne du dit récipient de façon à former deux couches coaxiales glissant l'une sur l'autre et assurant ainsi un contact sensiblement laminaire entre les liquides. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient peut être soumis à un second mouvement de rotation, autour d'un axe également vertical, mais excentré par rapport à l'axe de symétrie du récipient. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le récipient tourne autour de l'axe excentré à une vitesse telle que la masse liquide rassemblée asymétriquement sur un côté du récipient balaye la surface interne du dit récipient et ceci jusqu'à une hauteur supérieu- re a celle atteinte par les couches liquides dans le premier mouvement. 4 Dispositif d'extraction liquide selon les revendication 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le récipient, muni à sa base d'un robinet de décantation 3, est suspendu à un entonnoir comportant vers le bas une partie cylindrique 5 à laquelle est fixé le récipient rigidement et coaxialement par un raccord désaccouplable 4. Dispositif d'extraction liquide selon les revendications 1,2, 3 et 4, caractérisé en ce que l'ensemble formé par le récipient et l'entonnoir auquel il est accouplé est maintenu et mis en mouvement par l'intermédiaire d'un mandrin comprenant une douille 14 et deux ou plusieurs mors 13 serrables sur la partie cylindrique 5 de l'entonnoir au moyen d'une bague 21 6 Dispositif d'extraction liquide selon les revendications 1,2, 3,4 et 5, caractérisé en ce que le mandrin, par l'intermédiaire de la douille, est fixé dans une couronne 7 dans laquelle il peut tourner, l'axe commun à l'ensemble formé par la douille, le système de mors, la bague, l'entonnoir et le récipient étant parallèle à celui de la couron- ne 7 mais excentré par rapport à celui-ci. 2539047 7 Dispositif d'extraction liquide selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisé par le fait qu'un pignon est monté solidairement avec la douille et de même axe qu'elle et qu'il peut être entrainé par une seconde couronne de même axe que la première, par l'intermédiaire d'une denture interne à la couronne avec laquelle il forme un engrenage.