Definicja pojęcia:

rafinacja

Rafinacja – proces oczyszczania i uszlachetniania surowców naturalnych (np. metali, ropy naftowej) bądź produktów przemysłowych (np. cukru, mąki pszennej, olejów roślinnych) stosowany w celu nadania im odpowiednich właściwości fizycznych lub chemicznych, m.in. czystości chemicznej, barwy, klarowności, smaku, zapachu lub trwałości. Rafinacja może być prowadzona za pomocą metod fizycznych (np. adsorpcji, ekstrakcji, krystalizacji, destylacji, segregacji), metod chemicznych (np. utleniania domieszek – świeżenia; reakcji z zasadami, kwasami i solami; hydrorafinacji) lub metod kombinowanych (połączonych metod fizycznych i chemicznych). Niektóre metale (np. żelazo, miedź, cynk, ołów) mogą być także poddawane oczyszczaniu z niepożądanych domieszek w procesie elektrolizy (rafinacja elektrolityczna).
  1. Metody rafinacji
  2. Rafinacja metali
  3. Rafinacja ropy naftowej
  4. Rafinacja cukru
  5. Rafinacja oleju spożywczego

Metody rafinacji


Rafinacja jest procesem oczyszczania i uszlachetniania surowców naturalnych (np. metali, ropy naftowej) lub produktów przemysłowych (np. cukru, mąki pszennej, olejów roślinnych) stosowanym w celu nadania im odpowiednich właściwości fizycznych lub chemicznych, m.in. czystości, barwy, klarowności, smaku, zapachu czy trwałości. Rafinacja może być prowadzona za pomocą metod fizycznych opierających się na różnicach właściwości między substancjami głównymi i ich niepożądanymi substancjami domieszkowymi (np. rozpuszczalności, gęstości, lotności, temperatury wrzenia i topnienia); metod chemicznych opierających się na reakcjach z domieszkami bądź metod kombinowanych (połączenia metod fizycznych i chemicznych).

Fizyczne metody rafinacji obejmują:
  • adsorpcję – zagęszczanie substancji (np. gazów, par, substancji rozpuszczonych, jonów (tzw. absorbatów) na powierzchni ciała stałego (tzw. adsorbentu) pod wpływem oddziaływania sił przyciągania międzycząsteczkowego;
  • ekstrakcję – wyodrębnianie określonej substancji chemicznej z mieszaniny wyjściowej (np. surowca naturalnego) na drodze dyfuzji za pomocą rozpuszczalnika (ekstrahenta) selektywnie absorbującego tę substancję chemiczną;
  • krystalizację – tworzenie się kryształów określonej substancji chemicznej w roztworze nasyconym zachodzące w wyniku obniżenia temperatury roztworu bądź usunięcia rozpuszczalnika (np. w drodze odparowania lub destylacji);
  • destylację – oczyszczanie głównej substancji chemicznej z niepożądanych domieszek substancji mniej lotnych i nielotnych (tzw. destylacja prosta) bądź rozdział mieszaniny cieczy na frakcje różniące się temperaturą wrzenia (tzw. destylacja frakcyjna);
  • segregację – oczyszczanie głównej substancji chemicznej z niepożądanych domieszek innych substancji chemicznych wykorzystujące różnice w gęstości, rozpuszczalności lub temperaturze topnienia poszczególnych składników mieszaniny.

Chemiczne metody rafinacji obejmują:
  • utlenianie domieszek (tzw. świeżenie, konwertorowanie) – usuwanie niepożądanych domieszek z głównej substancji chemicznej (ciekłego metalu) wskutek ich wyższego powinowactwa do tlenu (lub tlenku szlachetniejszego metalu podstawowego);
  • reakcje chemiczne substancji domieszkowych z kwasami, zasadami lub pierwiastkami metalicznymi, np. rozcieńczonym kwasem azotowym (V) (rafinacja srebra), kwasu fosforowego i wodorotlenku wapnia (rafinacja cukru), cynku (odsrebrzanie ołowiu);
  • reakcje chemiczne substancji domieszkowych z topnikami (np. chlorkami, fluorkami, węglanami lub azotanami metali alkalicznych) polegające na rozpuszczaniu tlenków domieszek bądź reakcjach wymiany z domieszkami mniej szlachetnych metali;
  • hydrorafinację (hydroodsiarczanie) – usuwanie niepożądanych domieszek z surowca naturalnego (np. półproduktów lub produktów przeróbki ropy naftowej) na drodze katalitycznej reakcji uwodornienia (hydrogenizacji).

Niektóre metale (np. żelazo, miedź, cynk, ołów, nikiel, srebro, złoto) mogą być poddawane oczyszczaniu z niepożądanych domieszek z wykorzystaniem procesu elektrolizy prowadzonej w roztworach wodnych lub roztworach stopionych soli tych metali (rafinacja elektrolityczna).
Rafinacja elektrolityczna miedzi. Źródło: Shutterstock

Rafinacja metali


Rafinacja jest procesem oczyszczania i uszlachetniania surowców metalicznych (rud metali szlachetnych lub kolorowych) i stopów metali polegającym na usuwaniu domieszek innych metali, niemetali, rozpuszczonych gazów lub wtrąceń niemetalicznych, w oparciu o różnice właściwości fizycznych i chemicznych pomiędzy rafinowanym metalem i jego domieszką.

Metale poddawane są procesowi rafinacji z wykorzystaniem następujących metod:
  • destylacji frakcyjnej – oczyszczanie metalicznego cynku z domieszek innych metali (np. ołowiu, żelaza, kadmu) w wyniku odparowania bardziej lotnych składników;
  • segregacji (likwacji) – oczyszczanie surowego ołowiu z domieszek miedzi w wyniku ograniczonej rozpuszczalności tej domieszki, tzw. likwacyjne odmiedziowanie ołowiu;
  • utleniania (świeżenia) – usuwanie domieszek ze stopionych metali (np. żelaza, miedzi,  ołowiu) w postaci żużla lub gazu tlenkowego w wyniku utleniania tlenem z powietrza;
  • rafinacji kwasami – rafinacja srebra rozcieńczonym kwasem azotowym (V); rafinacja platyny wodą królewską, czyli mieszaniną kwasu solnego i kwasu azotowego (V);
  • rafinacji zasadami – oczyszczanie ołowiu z domieszek innych metali (np. arsenu, cyny, antymonu) z wykorzystaniem wodorotlenku sodu (metoda Harrisa);
  • rafinacji pierwiastkami metalicznymi – odbizmutowanie ołowiu za pomocą wapnia (proces Kroll-Bettertona); odsrebrzanie ołowiu za pomocą cynku (parkesowanie);
  • rafinacji topnikami – oczyszczanie żelaza z domieszek za pomocą węglanu wapnia, oczyszczanie złota z domieszek za pomocą chlorku amonu;
  • elektrorafinacji – oczyszczanie miedzi z domieszek polegające na elektrolitycznym rozpuszczaniu anody (zanieczyszczonej miedzi) zanurzonej w wodnym roztworze siarczanu (VI) miedzi i wydzielaniu się czystej miedzi z roztworu na katodzie.

Rafinacja metali umożliwia pozyskiwanie metali i ich stopów o wysokiej czystości chemicznej, charakteryzujących się lepszymi właściwościami w porównaniu do metali zanieczyszczonych domieszkami (np. większą odpornością na korozję, wyższym przewodnictwem elektrycznym), w związku z czym stosowane są powszechnie w licznych gałęziach nauki i przemysłu.
Wytapianie surowego żelaza z rudy (hematytu) z wykorzystaniem topnika (węglanu wapnia) oczyszczającego żelazo z domieszek innych metali i koksu pełniącego funkcję paliwa i reduktora tlenków żelaza. Źródło: Shutterstock

Rafinacja ropy naftowej


Rafinacja jest procesem oczyszczania i uszlachetniania surowej ropy naftowej polegającym na usuwaniu zanieczyszczeń i przeróbce technologicznej w celu otrzymywania określonych frakcji węglowodorowych (gazowych, ciekłych i stałych) różniących się temperaturą wrzenia (tzw. destylacji frakcyjnej, rektyfikacji). Substancje otrzymywane w wyniku przeróbki ropy naftowej wykorzystywane są, w zależności od ich przeznaczenia, bezpośrednio jako gotowe produkty handlowe bądź poddawane są dalszym procesom uszlachetniającym.

Procesy oczyszczania surowej ropy naftowej obejmują:
  • oddzielenie gazu ziemnego rozpuszczonego w ropie naftowej w separatorach (odgazowanie ropy naftowej, stabilizacja ropy naftowej);
  • oddzielenie wody wraz z rozpuszczonymi solami i zawieszonymi cząstkami substancji stałych w odstojnikach (demineralizacja ropy naftowej);
  • usunięcie cząsteczek wody zawieszonych w ropie naftowej za pomocą zmiennego pola elektrycznego (dehydratacja ropy naftowej).

Oczyszczona ropa naftowa poddawana jest następnie destylacji frakcyjnej na kolumnach rektyfikacyjnych w celu otrzymania frakcji węglowodorów o różnych temperaturach wrzenia:

Otrzymane frakcje ropy naftowej i produkty uboczne rektyfikacji mogą być poddawane dalszym procesom uszlachetniania (rafinacji), np. odsiarczania i reformingu katalitycznego (frakcje benzynowe), odparafinowania i odasfaltowania (frakcje olejowe) i hydrorafinacji (hydroodsiarczania) (oleje smarowe; pozostałości destylacyjne, np. mazut, asfalt naftowy).
Destylacja frakcyjna ropy naftowej. Źródło: Shutterstock

Rafinacja cukru


Rafinacja cukru polega na oczyszczaniu i uszlachetnianiu soku ekstrahowanego z korzeni buraków cukrowych (tzw. krajanki buraczanej) w celu uzyskania pożądanych właściwości fizycznych i chemicznych produktu końcowego (kryształków cukru) – odpowiedniej barwy, klarowności (przejrzystości) i innych cech organoleptycznych (np. smaku, zapachu).

Rafinacja cukru buraczanego obejmuje następujące etapy:
  • defekację (nawapnianie) – oczyszczanie surowego soku buraczanego z zanieczyszczeń niecukrowych (np. kwasów fosforowych, substancji pektynowych) za pomocą mleka wapiennego tworzącego z nimi trudno rozpuszczalne, koloidalne sole;
  • saturację (karbonatację) – nasycenie nawapnionego soku buraczanego ditlenkiem węgla, prowadzące do wytrącenia krystalicznego węglanu wapnia adsorbującego na powierzchni obecne w soku związki niecukrowe;
  • oddzielanie osadu saturacyjnego – usuwanie osadu (zawiesiny) węglanu wapnia wraz z zaadsorbowanymi związkami niecukrowymi za pomocą dekantacji (sedymentacji osadu) i filtracji na prasach filtracyjnych lub filtrach próżniowych;
  • zagęszczanie – podgrzewanie oczyszczonego soku buraczanego (tzw. soku rzadkiego) w aparatach wyparnych (wyparkach) przy temperaturze wrzenia w celu uzyskania gęstego syropu o wysokim stężeniu cukru (tzw. soku gęstego);
  • krystalizację – dalsze zagęszczanie soku gęstego i odparowywanie wody w warunkach przesycenia roztworu,  prowadzące do powstania cukrzycy stanowiącej mieszaninę kryształków cukru i syropu międzykryształowego;
  • wirowanie – oddzielenie kryształków cukru od pozostałego syropu (tzw. melasy buraczanej) z wykorzystaniem wirowania ciągłego w bębnach stożkowych.  

Cukier biały jest krystalicznym ciałem stałym w postaci białych, przezroczystych kryształków składających się niemal wyłącznie z dwucukru sacharozy (99%). Jest substancją bezwonną, pozbawioną silnego zapachu buraków cukrowych; cechuje się słodkim smakiem. Cukier biały stanowi jedną z najważniejszych odmian cukru spożywczego (obok cukru trzcinowego).

Rafinacja oleju spożywczego


Rafinacja oleju spożywczego jest procesem oczyszczania, poprawy właściwości fizycznych lub chemicznych oraz zwiększenia trwałości olejów roślinnych pozyskiwanych z roślin oleistych (np. nasion rzepaku, słonecznika, kukurydzy i sezamu, orzechów arachidowych, kokosowych, laskowych i włoskich, oliwek, owoców olejowca gwinejskiego lub pestek winogron).

Rafinacja oleju spożywczego składa się z następujących etapów:
  • odśluzowania – uwodnienie (hydratację) oleju roślinnego polegające na usunięciu fosfolipidów i higroskopijnych substancji białkowych, barwników (np. chlorofilu) oraz składników mineralnych (np. wapnia, miedzi, żelaza) pod wpływem oddziaływania kwasu fosforowego i wysokiej temperatury;
  • odkwaszania (neutralizacji) – usuwanie wolnych kwasów tłuszczowych i innych zanieczyszczeń (np. produktów rozkładu fosfolipidów, białek, barwników, wosków, jonów cynku, cyny, niklu i żelaza) z wykorzystaniem destylacji próżniowej parą wodną bądź wodorotlenku sodu (tzw. odkwaszanie alkaliczne);
  • bielenia – usuwanie barwników roślinnych (np. chlorofilu, karotenów) i innych zanieczyszczeń (np. pozostałości zmydlonych kwasów tłuszczowych) w wyniku oddziaływania substancji adsorbujących (tzw. adsorbentów) – ziemi bielącej, ziemi krzemowej, węgla aktywnego lub tlenku glinu;
  • odwaniania (dezodoryzacji) – usuwanie lotnych związków chemicznych (związków smakowych i zapachowych) z zastosowaniem destylacji parą wodną w wysokiej temperaturze (200-300°C).

Olej rafinowany jest klarowną substancją o płynnej, oleistej konsystencji, posiadającą charakterystyczne zabarwienie, swoisty smak i zapach. Wykazuje dużą odporność na wysokie temperatury; cechuje się dużą trwałością oraz długim okresem przydatności do spożycia.
Rafinowany olej słonecznikowy. Źródło: jamakosy/Shutterstock

Bibliografia

  1. Carl Schaschke; “A Dictionary of Chemical Engineering ”; Oxford University Press, 2014.;
  2. John McMurry ; “Chemia organiczna”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.;
  3. Chemistry³. Introducing inorganic, organic and physical chemistry; “Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price ”; Oxford University Press, 2017.;
  4. K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.;
  5. Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren; “Organic Chemistry”; Oxford University Press, 2012. ;
  6. Adam Bielański; “Podstawy chemii nieorganicznej”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.8
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź