專利名稱：冠狀液膜分離方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種化工分離技術，該技術能分離、純化和濃縮水溶液中的特定溶質(zhì)。適用于濕法冶金、廢水處理以及生物制品的冠狀液膜分離方法及其裝置。
四十年代發(fā)展起來的混合澄清槽溶劑萃取技術具有處理能力大、物料狀態(tài)和萃取體系適應性強、設備和工藝過程簡單等優(yōu)點，目前已成為濕法冶金方面的代表性技術。但由于其萃取和反萃取過程是分步進行的，每步過程均受到化學萃取平衡的限制，因此整個過程所需的分離級數(shù)較多，試劑的消耗量較大。
六十年代中期發(fā)展起來的液膜分離技術使萃取和反萃取過程在同一反應器內(nèi)部得到耦合，從而打破了溶劑萃取過程所固有的萃取平衡。液膜技術的這種非平衡萃取特性使得所需的分離級數(shù)減少，并節(jié)省了試劑的消耗量。
迄今為止，液膜技術按構型可分為許多種，但是現(xiàn)行的各類液膜技術在實現(xiàn)其萃取和反萃取過程內(nèi)部耦合的同時，卻又帶來了許多其它方面的不足，妨礙了其工業(yè)化應用的進程。
乳化液膜由美國專利3779907、4014785等提出，它以料液水相、含有萃取劑和表面活劑的油相以及反萃水相制成水/油/水型雙重乳狀液體系。在這一體系中，萃取和反萃取過程分別在隔開內(nèi)外水相的油膜兩側(cè)同時進行，相互耦合。該方法傳質(zhì)速率快，但該法使用表面活性劑來穩(wěn)定液膜，這就增加了制乳、破乳等工序，使整個過程比較復雜，難于實現(xiàn)連續(xù)操作。此外，由于機械攪拌和內(nèi)外水相滲透壓差的作用，外水相的水會穿過油膜進入內(nèi)水相，導致乳液內(nèi)相體積脹大，從而限制了乳化液膜的濃縮程度。
支承液膜(ISEC，MembraneExtractionSession12，P.80，1980)以浸漬液膜材料(即含有萃取劑的油溶液)的憎水性多孔固體膜將料液水相和反萃水相分隔開，萃取和反萃取過程在多孔固體膜的兩側(cè)同時進行，相互耦合。該方法工藝過程簡單，但固體膜內(nèi)油相傳質(zhì)阻力大。此外，還存在著液膜材料的流失、膜孔道的沾污和阻塞等問題。
包容液膜(MembraneHandbook，Chap.42，pp764～808，VNRBookCo.，NewYork，1992)是將含有料液水相的中空纖維管和含有反萃水相的中空纖維管同時組裝在一個盛滿含有萃取劑的油溶液的壓力容器中，通過調(diào)節(jié)油水兩相的壓差，使料液水相同反萃水相分隔開。并利用介于中空纖維管之間的油溶液將分別進行著的萃取和反萃取過程耦合起來。該方法工藝過程簡單，并解決了液膜材料的流失問題。但傳質(zhì)過程的阻力很大，而且膜反應器的制作復雜，成本很高。
靜電式準液膜由中國專利86101730.7提出，它利用高壓靜電場實現(xiàn)料液和反萃液的相分散，并利用位于反應槽中間的孔隙電極，使萃取側(cè)和反萃側(cè)的分散水滴分隔開，而兩側(cè)的油溶液可以通過孔隙流動，從而保證了萃取和反萃取過程在反應槽內(nèi)部得以耦合。該方法工藝過程簡單，油相傳質(zhì)阻力較小，但由于靜電分散要求連續(xù)相必須是介電常數(shù)低于10的有機相，而且極間距小至5～20mm，因此膜反應器的內(nèi)部結構復雜，對物料狀態(tài)和萃取體系的適應性差。此外，操作過程中還必須考慮安全問題。
噴霧式準液膜由中國專利88213050.1提出。它以噴霧分散代替靜電分散，增強了對萃取體系的適應性，并消除了操作過程中的不安全因素。但是，傳質(zhì)過程效率差，供料系統(tǒng)對料液狀態(tài)適應性差，連續(xù)相易乳化，試劑夾帶損失嚴重。此外，反應槽的內(nèi)部結構仍較復雜。
大塊液膜(P.R.Brown，etal.，J.Membr.Sci.1983，13(1)，85.)是一種由一塊隔板將反應槽分隔成萃取側(cè)和反萃取側(cè)(見

圖1)，萃取側(cè)和反萃取側(cè)分別盛有水相料液和反萃液，而水相料液和反萃液之上又被一層厚厚的油溶液所覆蓋，其中，油溶液必須淹沒中間隔板，使得萃取側(cè)和反萃側(cè)的油溶液相連通，從而保證萃取過程和反萃取過程在反應槽內(nèi)部的同時進行和相互耦合，以實現(xiàn)液膜的非平衡傳質(zhì)過程。在萃取側(cè)，水相料液中的溶質(zhì)同油溶液中的萃取劑在油水界面上進行萃取反應，溶質(zhì)以絡合物的形式進入上層油溶液，并在自身濃差推動力的作用下越過中間隔板擴散到反萃取側(cè)。在反萃取側(cè)，絡合物在油水界面上進行解絡，溶質(zhì)進入反萃水相，而再生的萃取劑在自身濃差推動力的作用下又越過中間隔板擴散回萃取側(cè)。繼續(xù)進行上述過程，直到萃取水相和反萃水相的化學位相等時為止。大塊液膜雖是一種非平衡傳質(zhì)過程，但它存在如下問題(1)過程為間歇式作業(yè)。因其反應槽只設有萃取側(cè)和反萃取側(cè)，當傳質(zhì)過程進行到萃、反兩側(cè)的化學位相等(即動態(tài)平衡)時，水相料液和反萃液中的溶質(zhì)濃度便不再變化，此時，只有更換一批新鮮的料液或反萃液，方能繼續(xù)進行大塊液膜的有效傳質(zhì)過程。(2)傳質(zhì)界面積非常小。萃取反應和反萃取反應一般都進行在油水兩相的界面處，界面積越大越有利。而大塊液膜中的油相和水相是憑借自身比重的作用來進行接觸的，其接觸面積的大小僅取決于反應槽的幾何構型和大小，因此該方法的傳質(zhì)界面非常小。雖然萃取、反萃取兩側(cè)均有攪拌，但攪拌強度很小，油、水界面未被攪動(見圖2)。(3)傳質(zhì)阻力大。在大塊液膜的傳質(zhì)過程中，由于水相和油相都近乎處于靜止狀態(tài)，兩相中的傳質(zhì)行為均屬于分子擴散過程，因此傳質(zhì)速率非常慢。其裝置也不需混合室和澄清室。(4)無工業(yè)實用意義。由于上述三個方面的存在問題，大塊液膜迄今只能用于液膜載體的篩選和基礎理論方面的研究。
本發(fā)明的目的是提供一種過程為連續(xù)操作，傳質(zhì)界面大、傳質(zhì)阻力小、實用性強的冠狀液膜分離方法及其裝置。
本發(fā)明是這樣實施的。它包括萃取和反萃取兩個過程，在萃取側(cè)和反萃取側(cè)上方有澄清的油相層，該油相層將料液水相和反萃水相分隔開，并使萃-反萃過程在反應器內(nèi)同時進行，相互耦合，其特征在于利用機械攪拌作用，使部分油相與水相形成油水分散體，同時使上方的油相主體能保持澄清，在萃取側(cè)，油水分散體中的水相溶質(zhì)被萃取到油相，油水分散體分相后即獲萃余水相，含有溶質(zhì)的油相并入上層油相主體，并在反萃側(cè)的機械攪拌作用下越過分隔萃取側(cè)和反萃側(cè)的隔板進入反萃側(cè)，在反萃側(cè)，溶質(zhì)被反萃到反萃水相，油水分散體分相后獲得濃縮液，含有再生萃取劑的油相并入上層油相主體，并在萃取側(cè)機械攪拌作用下越過分隔萃取側(cè)和反萃側(cè)的隔板，返回到萃取側(cè)，如此循環(huán)，使萃取和反萃取過程在反應槽的萃取側(cè)和反萃側(cè)之間得以耦合。
為了確保油水相形成分散體，萃取和反萃側(cè)的機械攪拌器要浸沒在水相內(nèi)，并且使其速度保持在150～1000rpm。這就使反應槽內(nèi)形成上層澄清的油相，下層為油水乳液。從而保證了在具有高效萃取和反萃取的前提下，能使萃取和反萃過程在反應槽內(nèi)得以高度耦合，實現(xiàn)液膜技術的非平衡傳質(zhì)過程。
本發(fā)明的過程是在一個反應槽內(nèi)完成的。反應槽由隔板分隔成萃取側(cè)和反萃側(cè)，萃取側(cè)被萃取溢流板分隔成萃取混合室和萃取澄清室。反萃側(cè)被反萃溢流板分隔成反萃混合室和反萃澄清室。隔板高于萃取溢流板和反萃溢流板，一般高出5厘米，但低于反應槽上端面。隔板的作用在于隔開萃取側(cè)和反萃側(cè)的水相，同時又為兩側(cè)的上層油相的自由流動提供通道。萃取攪拌器和反萃攪拌器分別置于萃取混合室和反萃混合室之中，攪拌器的形狀以平葉槳、螺旋槳為宜。萃取混合室中的料液水相和反萃混合室中的反萃水相分別由各自混合室底部的加料管加入，萃取澄清室中的萃余水相和反萃澄清室中的濃縮液分別由各自澄清室底部的導流管引出。
該裝置可使萃-反萃過程在一個反應槽內(nèi)并且只有一級萃取和一級反萃取的設備內(nèi)完成，實現(xiàn)非平衡傳質(zhì)過程，大大提高效率，大大簡化設備和工藝過程，也大大節(jié)省試劑。
圖3是適用于本發(fā)明的方形裝置示意圖;
圖4是本發(fā)明的俯視示意圖;
圖5是冠狀液膜過程示意圖。
圖3中的裝置包括一個反應槽1，其中間被隔板4分隔為萃取側(cè)和反萃側(cè)。萃取側(cè)被萃取溢流板14分隔成萃取混合室12和萃取澄清室3。反萃側(cè)被反萃溢流板8分隔成反萃混合室6和反萃澄清室10。隔板4高于萃取溢流板14和反萃溢流板8，但低于反應槽1上端面。
萃取攪拌器9和反萃攪拌器7分別置于萃取混合室12和反萃混合室6之中，攪拌槳的形狀以平葉槳、螺旋槳為宜。
萃取混合室12中的料液水相和反萃混合室6中的反萃水相分別由各自混合室底部的加料管13和5加入，萃取澄清室3中的萃余水相和反萃澄清室10中的濃縮液分別由各自澄清室底部的導流管2和11引出。
根據(jù)具體工藝要求，反應槽1、萃取溢流板14、反萃溢流板8、萃取攪拌器9和反萃攪拌器7可以采用金屬或非金屬材料制成。
工作時，首先分別給萃取混合室12和反萃混合室6底部注入適量的料液水相和反萃水相，并分別給萃取澄清室3和反萃澄清室10底部注入適量的去離子水和反萃水相，然后加入油相。啟動浸沒在水相中的萃取攪拌器9和反萃攪拌器7，并通過料液加料管13和反萃加料管5分別將料液水相和反萃水相加入萃取混合室12和反萃混合室6。在萃取混合室12，料液水相與含有萃取劑的油相在萃取攪拌器9的抽吸和剪切作用下形成油水分散體。油水分散體中的水相溶質(zhì)與油相萃取劑形成絡合物，并進入油相。隨著料液水相的不斷供給，萃取混合室12中的油水分散體不斷脹大，從而越過萃取溢流板14，進入萃取澄清室3，實現(xiàn)油水分相。萃余水相從萃取澄清室3底部的導流管2排出，澄清后含有絡合物的油相并入上層油相主體，并在反萃攪拌器7的抽吸作用下越過隔板4進入反萃混合室6。在反萃混合室6，含有絡合物的油相在反萃攪拌器7的剪切作用下同反萃水相形成油水分散體，油水分散體中的油相絡合物被反萃試劑所解絡，溶質(zhì)進入反萃水相。隨著反萃水相的不斷供給，反萃混合室6中的油水分散體不斷脹大，從而越過反萃溢流板8進入反萃澄清室10，實現(xiàn)油水分相。所得濃縮液從反萃澄清室10底部的導流管11取出，含有再生萃取劑的油相并入上層油相主體，并在萃取攪拌器9的抽吸作用下越過隔板4，重返萃取混合室12，繼續(xù)上述過程。
綜上所述，本發(fā)明不僅傳質(zhì)面積大、傳質(zhì)系數(shù)大、效率高、而且操作簡單、連續(xù)、試劑消耗量小。其設備也大大簡化、體積也大大縮小。
本發(fā)明的設備實施例見下反應槽1是圓桶形的，其外形尺寸為210(直徑)×210(高)×5(壁厚)mm，材料為有機玻璃。隔板4為聚氯乙烯板，尺寸為200(長)×145(高)×6(厚)mm。萃取溢流板14和反萃溢流板8也均為聚氯乙烯板制成，且大小相同，其尺寸為97(長)×105(高)×6(厚)mm。兩個攪拌槳均為長方形有機玻璃片，其尺寸為55(長)×10(寬)×3(厚)mm。
實施例1。
利用上述裝置從水溶液中提取La3+。料液為含930ppm La3+，其初始pH為4.3。反萃取液為4NHCL，并以700ml體積打循環(huán)。有機相為10%(體積)二(2-乙基已基)磷酸(萃取劑)的加氫煤油溶液。實驗中料液流量為5040ml/h，反萃取液流量為4680ml/h。萃取攪拌槳和反萃攪拌槳浸沒在水相內(nèi)，其轉(zhuǎn)速均為250rpm左右。經(jīng)過12小時的連續(xù)運行，測得萃余液中La3+濃度為4.3ppm，濃縮液中La3+濃度為74200ppm，萃取側(cè)油相中La3+濃度為533ppm，反萃側(cè)油相中La3+濃度為492ppm。La3+提取率為99.5%，濃縮液對萃余液的濃縮因子為17256。
實施例2。
利用上述裝置從水溶液中提取Y3+。料液為含966ppmY3+，其初始pH為2.5。其余條件同實施例1。實驗測得萃余液中Y3+濃度為3.7ppm，Y3+提取率為99.6%，并得到相應的濃縮液。
實施例3。
利用上述裝置從水溶液中提取Y3+。料液為含5687ppmY3+，其初始PH為2.6。其余條件同實施例1。實驗測得萃余液中Y3+濃度為318ppm，Y3+提取率為94.4%。不調(diào)酸度，進一步處理，測得萃余液Y3+濃度24.5ppm，Y3+總提取率99.6%。
權利要求
1.一種從水溶液中提取特定溶質(zhì)的冠狀液膜分離方法，該方法有萃取和反萃取兩個過程，在萃取側(cè)和反萃側(cè)上方有澄清油相層，該油相層將料液水相和反萃水相分隔開，并使萃取-反萃取過程在反應器內(nèi)部同時進行，相互耦合，其特征在于利用機械攪拌作用，使部分油相同水相形成油水分散體，同時使覆蓋于分散體之上的油相主體能保持澄清，在萃取側(cè)，油水分散體中的水相溶質(zhì)以絡合物形式被萃取到油相，油水分散體分相后即獲萃余水相，含有絡合物的油相并入上層油相主體，并在反萃側(cè)的機械攪拌作用下越過分隔萃取側(cè)和反萃側(cè)的隔板進入反萃側(cè)，在反萃側(cè)，油水分散體中的油相絡合物被解絡，溶質(zhì)被反萃到反萃水相，油水分散體分相后獲得濃縮液，含有再生萃取劑的油相并入上層油相主體，并在萃取側(cè)機械攪拌作用下越過分隔萃取側(cè)和反萃側(cè)的隔板，返回到萃取側(cè)，如此循環(huán)，使萃取和反萃取過程在反應器的萃取側(cè)和反萃側(cè)之間得以耦合。
2.一種從水溶液中提取特定溶質(zhì)的冠狀液膜分離方法的裝置，由反應槽構成，反應槽(1)被隔板(4)分隔為萃取側(cè)和反萃側(cè)，其特征在于萃取側(cè)被萃取溢流板(14)分隔成萃取混合室(12)和萃取澄清室(3)，反萃側(cè)被反萃溢流板(8)分隔成反萃混合室(6)和反萃澄清室(10)。隔板(4)高于萃取溢流板(14)的反萃溢流板(8)，但低于反應槽(1)上端面，萃取混合室(12)和反萃混合室(6)的底部分別有一料液水相的加料管(13)和反萃水相的加料管(5)，萃取澄清室(3)和反萃澄清室(10)的底部分別有引出萃余水相的導流管(2)和濃縮液的導流管(11)，萃取攪拌器(9)和反萃攪拌器(7)分別置于萃取混合室(12)和反萃混合室(6)之中。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于攪拌器(9)和(7)以平葉槳、螺旋槳為宜，并要浸沒在水相之中。
4.如權利要求2所述的裝置，其特征在于反應槽(1)的外形可以為方形的或圓桶形的。
5.如權利要求2、4所述的裝置，其特征在于反應槽(1)、萃取溢流板(14)、反萃溢流板(8)、隔板(4)、萃取攪拌器(9)和反萃攪拌器(7)可以用金屬或非金屬材料制成。
全文摘要
本發(fā)明屬于化工分離技術。該方法有萃取和反萃取過程，在萃取側(cè)和反萃側(cè)上方有澄清的油相層。本發(fā)明的特征在于利用機械攪拌所產(chǎn)生的抽吸和剪切作用，使得部分油相與料液或反萃液水相形成油水分散體，又使得油相主體能保持澄清。上層油相在萃-反萃側(cè)之間可自由流動，又能將萃、反萃兩側(cè)的水相完全隔開，從而保證了萃-反萃過程在反應槽內(nèi)部的耦合。該技術利用一級萃取和一級反萃取同時在一個反應槽內(nèi)完成傳質(zhì)過程。不但設備、工藝過程簡單，且效率高、濃度倍數(shù)大、試劑消耗量小、處理能力大，易于實現(xiàn)連續(xù)化和自動化。
文檔編號B01D11/04GK1099309SQ94107328
公開日1995年3月1日 申請日期1994年7月4日 優(yōu)先權日1994年7月4日
發(fā)明者吳全鋒, 鄭佐西, 顧忠茂 申請人:中國原子能科學研究院