專利名稱：萃取方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)從水溶液中分離金屬離子的“靜電式準(zhǔn)液膜”(ESPLIM)方法的改進(jìn)。
申請(qǐng)?zhí)枮镃N 86101730A的中國(guó)專利申請(qǐng)描述了一種分離技術(shù)，該技術(shù)能純化水溶液和濃縮水溶液里的溶質(zhì)。
該技術(shù)包括以下步驟，使希望純化和／或希望從中提取金屬離子的料液的水滴在重力的作用下通過(guò)無(wú)極性的載液的第一區(qū)，在該載液里溶解有對(duì)要除去的金屬離子具有高的親和力的化學(xué)品，同時(shí)使該水滴經(jīng)受高壓靜電場(chǎng)的作用，由此，使該水滴分散成無(wú)數(shù)較小的水滴，從而增加它們的表面積與容積之比。溶解的化學(xué)品使金屬離子絡(luò)合在載液里，并主要地通過(guò)由此形成的濃度梯度被帶入無(wú)極性的載液的第二區(qū)，在重力的作用下，對(duì)金屬離子具有比載液里的絡(luò)合化學(xué)品更高化學(xué)親和力的“反萃液”的水滴經(jīng)過(guò)無(wú)極性載液的第二區(qū)。反萃液水滴也同時(shí)經(jīng)受高壓靜電場(chǎng)的作用，由此使它們分散成無(wú)數(shù)較小的水滴，從而增加它們的表面積與容積之比。這樣，金屬離子濃縮在反萃液里，而料液中的金屬離子被大大純化。當(dāng)純化的料液和反萃液的非常小的水滴(前者現(xiàn)在具有較低濃度的金屬離子，而后者現(xiàn)在具有高濃度的所需的金屬離子)離開(kāi)高壓靜電場(chǎng)時(shí)，它們凝聚起來(lái)并在重力的作用下分別進(jìn)入互相分離的第一和第二收集池，然后可從這里將它們?nèi)〕觥?br> 載液的第一和第二區(qū)由一柵欄或擋板分開(kāi)，該擋板趨向于容許載液基本上不間斷從第一和第二區(qū)流進(jìn)和流出，但又趨向于阻礙或防止料液從第一區(qū)流入第二區(qū)，以及反萃液從第二區(qū)流入第一區(qū)。
按照本發(fā)明的第一方面，提供一種從料液里提取溶質(zhì)進(jìn)入反萃液中的方法，該方法包括以下步驟，提供至少一種料液和至少一種反萃液的液流，讓它們經(jīng)過(guò)無(wú)極性載液的連續(xù)相；所述載液里具有對(duì)所述料液里的所述溶質(zhì)中的至少一種物質(zhì)的離子具有親和力的化學(xué)品；料液和反萃液中的所述至少各一種液流在通過(guò)所述載液的至少一部分時(shí)間里分別經(jīng)受第一和第二高壓靜電場(chǎng)的作用，從而使所述液流分散成無(wú)數(shù)所述各溶液的水滴；在各料液和反萃液的至少一種液流之間提供一擋板設(shè)備，該擋板設(shè)備使料液向所述反萃液液流的轉(zhuǎn)移和所述反萃液向所述料液液流的轉(zhuǎn)移減到最少；所述擋板設(shè)備還位于分開(kāi)的高壓靜電場(chǎng)之間，料液液流和反萃液液流經(jīng)受該電場(chǎng)作用；以及，提供互相分開(kāi)的接受設(shè)備，以便在所述料液和所述反萃液經(jīng)過(guò)所述高壓靜電場(chǎng)之后收集所述料液和所述反萃液的液流；所述方法的特點(diǎn)是，作用在所述料液和反萃液液流上的所述高壓靜電場(chǎng)是不同的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在萃取池和反萃取池里的靜電場(chǎng)存在著一個(gè)最佳強(qiáng)度。在這個(gè)最佳強(qiáng)度以下的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，進(jìn)入載液中的料液液流和反萃液液流的分散是低效率的，因此使料液水滴和載液之間、以及反萃液水滴和載液之間的表面積小于最佳水平，因此，水相和有機(jī)相之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移的速度顯著小于它可能有的速度。相反，在這個(gè)最佳強(qiáng)度以上的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，水相的水滴是如此地細(xì)小，以致?lián)醢宀荒芊乐顾鼈兿虿鄣牧硪粎^(qū)域運(yùn)動(dòng)或遷移，由此增加了通過(guò)擋板的所謂“膨脹”或泄漏。很清楚，這是不希望的，即當(dāng)它可能降低反萃液里的目標(biāo)產(chǎn)物的濃度時(shí)和／或在料液和反萃液液流的任一種或兩者中產(chǎn)生不必要的混淆時(shí)。
這樣，對(duì)于料液和反萃液來(lái)說(shuō)，最佳靜電場(chǎng)強(qiáng)度將是不同的。因此，對(duì)于在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)使用一個(gè)共用電壓的槽來(lái)說(shuō)必須是或者對(duì)兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行綜合考慮，或者使至少一個(gè)區(qū)域在顯著小于最佳效率的情況下工作。
在本發(fā)明的化學(xué)反應(yīng)里，從含水物質(zhì)里轉(zhuǎn)移出去的金屬離子與對(duì)金屬離子具有較高親和力的、并溶解在載液有機(jī)相里的化學(xué)品絡(luò)合，同樣地，通過(guò)反萃液將金屬離子從載液有機(jī)相里的化學(xué)品中除去的反向處理可能是慢的和決定速度的步驟。在這種情況下，可從這種反應(yīng)產(chǎn)生的水滴的較大表面積獲得好處，它可能來(lái)自作用在萃取池一側(cè)或反萃取池一側(cè)的較高分散電壓，這取決于兩個(gè)反應(yīng)、即使金屬離子移動(dòng)進(jìn)入載液有機(jī)相或從載液有機(jī)相里萃取金屬離子中的一個(gè)，取決于那一個(gè)是較慢的步驟。
當(dāng)金屬離子從料液的較小水滴移動(dòng)進(jìn)入載液有機(jī)相時(shí)，在其到達(dá)與連續(xù)的載液有機(jī)相接觸的界面前只須擴(kuò)散通過(guò)該水滴半徑的最大距離。然而，當(dāng)金屬離子從連續(xù)的載液有機(jī)相移動(dòng)進(jìn)入反萃液的分散的水滴時(shí)，它必須擴(kuò)散通過(guò)連續(xù)的載液有機(jī)相，直至它遇見(jiàn)一水滴。因此，如果這些水滴相當(dāng)少和間隔較遠(yuǎn)，它們之間的距離可能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于萃取池一側(cè)的水滴半徑的許多倍，那么，從連續(xù)的載液有機(jī)相向分散的反萃液水相的轉(zhuǎn)移的效率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從料液向連續(xù)的載液有機(jī)相的轉(zhuǎn)移。
因此，在本發(fā)明的方法里，希望增加在反萃取池一側(cè)的水滴的數(shù)量，以便縮短距離，而該距離是金屬離子在遇見(jiàn)反萃液水滴前必須經(jīng)過(guò)的。在反萃取池一側(cè)，可以采用比要從載液有機(jī)相反萃取的金屬離子相對(duì)數(shù)量的化學(xué)考慮所嚴(yán)格確定的流速更高的流速，和采用為實(shí)現(xiàn)這一目的所需的反萃液水相的數(shù)量。而反萃液可再循環(huán)通過(guò)載液有機(jī)相，直至達(dá)到所需的金屬離子濃度。然而，反萃液的較高流速和再循環(huán)不僅較復(fù)雜，而且還增加通過(guò)橫跨擋板的泄漏或“膨脹”而造成的來(lái)自萃取池一側(cè)的交叉混淆的數(shù)量，這是由于反萃液在每次通過(guò)時(shí)將采集同樣數(shù)量的料液水滴，而與它成功地從有機(jī)相中萃取所需的物質(zhì)的多少無(wú)關(guān)。許多試驗(yàn)已經(jīng)顯示，按照本發(fā)明的方法，通過(guò)在反萃取池一側(cè)施加比萃取池一側(cè)高的電壓可獲得更高的彌散度，從而在反萃液里獲得比料液里更高的表面積與容積之比，以獲得最好的結(jié)果。
料液和／或反萃液的液流可由連續(xù)的液流或水滴組成的液流構(gòu)成，它們通過(guò)施加在它們之上的高壓靜電場(chǎng)而被分散成許多非常小的水滴。
按照本發(fā)明的第二方面，提供一種從料液中萃取溶質(zhì)進(jìn)入反萃液的裝置，該裝置包括容納連續(xù)的、無(wú)極性的載液的容器設(shè)備，載液中具有對(duì)所述料液中的所述溶質(zhì)中的至少一種物質(zhì)的離子具有親和力的化學(xué)品；使至少一種料液和至少一種反萃液的液流經(jīng)過(guò)在所述容器設(shè)備里的所述載液的設(shè)備；分別提供第一和第二高壓靜電場(chǎng)給所述各料液和反萃液液流的電極設(shè)備，以便使所述液流分散成無(wú)數(shù)微滴；位于所述電極設(shè)備之間以建立所述第一和第二高壓靜電場(chǎng)的擋板設(shè)備，所述擋板設(shè)備容許所述載液的移動(dòng)，但使料液和反萃液橫跨擋板的轉(zhuǎn)移減到最少；互相隔開(kāi)的接受設(shè)備，以便在所述料液和反萃液通過(guò)所述第一和第二高壓靜電場(chǎng)后分別收集它們；該裝置的特點(diǎn)是還包括提供和控制第一和第二高壓靜電場(chǎng)的設(shè)備，從而使第一和第二電壓是不同的和可控制的。
在按照本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施例里，橫跨料液和反萃液液流的靜電場(chǎng)強(qiáng)度可由一單一的、多抽頭的變壓器單獨(dú)提供，以便給各液流提供所需的最佳電壓。
此外，第一和第二靜電場(chǎng)也可由兩個(gè)分開(kāi)的、提供不同電壓的變壓器單獨(dú)提供。
在另外一個(gè)實(shí)施例里，可通過(guò)改變?cè)谳腿〕睾头摧腿〕乩锏母鲗?duì)電極之間的距離并給各對(duì)電極提供一共用電壓來(lái)提供不同的靜電場(chǎng)強(qiáng)度。
電極可由帶網(wǎng)眼的穿孔板或金屬絲陣制成。至少一個(gè)電極應(yīng)該是絕緣的，以防止在載液里發(fā)生短路。
在萃取池和反萃取池里的電極對(duì)之間的靜電場(chǎng)的強(qiáng)度也可由涂敷在至少一個(gè)電極上的絕緣涂層的性質(zhì)和／或厚度進(jìn)行控制或附加地控制。
為了可以更充分地了解本發(fā)明，現(xiàn)在通過(guò)參考附圖來(lái)描述一些例子。


圖1是顯示現(xiàn)有技術(shù)中的靜電式準(zhǔn)液膜方法的基本操作和方法的裝置的示意圖；以及圖2顯示了按照本發(fā)明第二方面的一實(shí)施例的示意的裝置，其中，安裝著給萃取池和反萃取池里的電極提供不同電壓的設(shè)備。
現(xiàn)在參看附圖，其中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的特征。
圖1顯示了一用來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中的靜電式準(zhǔn)液膜分離方法的裝置10的示意的剖視圖。該裝置10包括一反應(yīng)槽或容器12，該反應(yīng)槽在其上部被一壁14分成一萃取池16和一反萃取池18。在反應(yīng)槽12的下部有一壁20，它將反應(yīng)槽12分成兩個(gè)接受池或澄清池22和24，以便分別接受純化的料液或萃余液，以及在反萃液里的濃縮的萃取劑。在上壁14和下壁20之間有一擋板26，它容許有機(jī)載液28(這里是煤油)在整個(gè)反應(yīng)槽12里自由移動(dòng)。電極30和32位于萃取池16一側(cè)，在該電極之間可提供第一高壓交流靜電場(chǎng)。電極34和36位于反萃取池18一側(cè)，在該電極之間可提供第二高壓交流靜電場(chǎng)。在各池16和18里，至少一個(gè)電極用(例如)聚四氟乙烯(PTFE)涂層進(jìn)行絕緣，以便防止在各池里發(fā)生短路。給電極提供一可控制的高壓交流電源80，從而在它們之間建立所需的電勢(shì)。在萃取池16上方安裝一管道40，以便將需要純化的料液42提供給載液28。管道40與泵裝置(未畫出)和一儲(chǔ)藏池(未畫出)連接，以便以一控制速度連續(xù)提供料液。在反萃取池18上方安裝另一管道44，以便將反萃液46提供給載液28。管道44也與泵裝置(未畫出)和一儲(chǔ)藏池(未畫出)連接，以便以一控制速度連續(xù)提供反萃液。各接受池22和24具有管道50和52，當(dāng)各池里的水平升高或需要時(shí)可抽出萃余液54和濃縮液56?？蓪⑤陀嘁汉蜐饪s液泵送到收集池(未畫出)里，以便進(jìn)行處置或在需要時(shí)進(jìn)一步處理。
操作時(shí)，裝置10按如下方式運(yùn)行，例如用來(lái)從料液42里提取鈷金屬，料液里含有濃度為1000ppm的鈷離子和0．1M乙酸鈉溶液，料液以200ml／hr的流速提供給載液。反萃液包括1．0M的硫酸溶液，它以10ml／hr的流速提供給載液。稀釋的煤油載液28溶解有10％(體積)的二(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)萃取劑。在電極30和32、以及電極34和36之間施加一由裝置電源中的變壓器提供的3KV交流靜電場(chǎng)，以便建立第一和第二靜電場(chǎng)．當(dāng)相對(duì)較大的料液42和反萃液46的水滴落入萃取池16和反萃取池18時(shí)，它們經(jīng)受電極30和32、以及電極34和36之間的靜電場(chǎng)的作用，從而使相對(duì)較大的水滴分散成無(wú)數(shù)的微滴60和62，由此大大地增加了兩種水相的表面積對(duì)容積之比。在萃取池16里，由于D2EHPA的親和力，從水滴里提取鈷離子，從而使萃取池里的煤油相里的鈷離子的濃度提高。由于由此形成的濃度梯度，分散在煤油里的鈷絡(luò)合物通過(guò)擋板26進(jìn)入反萃取池18，在那里，鈷絡(luò)合物與反萃液的微滴62起反應(yīng)，即鈷絡(luò)合物與磷酸起反應(yīng)而釋放D2EHPA，從而鈷離子與磷酸反應(yīng)并在那里濃縮。然后，D2EHPA通過(guò)擋板26擴(kuò)散回萃取池16，從而形成連續(xù)的化學(xué)過(guò)程。反應(yīng)的微滴60和62在重力的作用下經(jīng)過(guò)靜電場(chǎng)，最后，它們脫離靜電場(chǎng)并結(jié)合成較大的水滴70和72，落入接受池22和24。
在上述條件下的試驗(yàn)中，含1000ppm濃度鈷離子的原始料液被純化成含10ppm濃度鈷離子的萃余液54，同時(shí)，濃縮液56中的鈷離子的濃度為19，750ppm。
因此，可以看到，該方法可使金屬離子濃縮到一水平，從而可既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)地提取濃縮的金屬離子，以便重新獲得和重新使用該金屬。這方面的一個(gè)例子也可以是鈾。但還應(yīng)該明白，如此純化料液可使處理變得容易和／或很少危險(xiǎn)。
圖2顯示了按照本發(fā)明第二方面的一實(shí)施例的示意的裝置。在該實(shí)施例中，裝置的結(jié)構(gòu)基本上類似于參考圖1所述的裝置，其中，電極30、32、34和36如前所述分別位于萃取池和反萃取池里。然而，使用兩個(gè)獨(dú)立的、能提供不同的和可控制的電壓的變壓器100和102。給反萃取池里的電極34和36提供電壓的變壓器102維持著與變壓器100不同的電壓。提供給各池的實(shí)際電壓將取決于許多因素，包括流速、使用的化學(xué)品、電極的幾何形狀等等。
如圖2所述的ESPLIM池，它具有互相間隔10mm的、用特氟隆(商品名)絕緣的電極，并以11ml／min的速度提供由與0．1M乙酸鈉混和的、濃度為1000ppm硫酸鈷組成的料液。由1．0M硫酸組成的反萃液以3ml／min的速度提供，而有機(jī)載液是含有作為萃取劑的10％的D2EHPA組成的Isopar M(商品名)。在兩個(gè)池里提供6kv的電壓將有效地發(fā)生溶液的分散，且平均水滴尺寸隨著電壓的增加而減小。當(dāng)給萃取池提供6kv的電壓、而給反萃取池提供8kv的電壓時(shí)，料液被有效地提取，只在萃余液54里留下濃度為9ppm的鈷離子。反萃取也有效地進(jìn)行，且濃縮液56里的鈷的濃度為3400ppm。鈷金屬離子與有機(jī)載液里的D2EHPA絡(luò)合，達(dá)到濃度為350ppm的恒定水平。
與上述情況相對(duì)照，當(dāng)給萃取池和反萃取池均提供6kv電壓時(shí)，料液被有效地提取，且萃余液54只包含濃度為10ppm的鈷離子。然而，反萃取效率較低，濃縮的產(chǎn)品溶液只包含1600ppm，而在整個(gè)進(jìn)行過(guò)程中有機(jī)載液里的鈷的濃度高達(dá)3500ppm的水平，顯著地大于將8kv電壓提供給反萃取池的水平，并非常接近最大的、可接受的萃取劑濃度。由此，清楚地說(shuō)明，在這里使用的裝置和材料的具體情況下，反萃取側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度至少應(yīng)該8kv，以便該過(guò)程有效地進(jìn)行。當(dāng)然，不同的裝置幾何結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)可能需要不同的電場(chǎng)強(qiáng)度。
在一單獨(dú)的試驗(yàn)里，泄漏或“膨脹”是利用在料液和反萃液里的1M硫酸測(cè)定的，這樣，不可能在有機(jī)相里發(fā)生金屬萃取。這可由缺少四面體坐標(biāo)系(thetetrahedally co-ordinated)鈷的強(qiáng)烈的藍(lán)色特征證實(shí)，而當(dāng)可能發(fā)生萃取時(shí)，它存在于有機(jī)相里。當(dāng)給萃取池提供6kv電壓時(shí)，(從反萃取側(cè)的鈷濃度里)測(cè)得泄漏是0．9％。當(dāng)給萃取池提供8kv電壓時(shí)，泄漏增加到2．1％。這樣，當(dāng)給萃取池和反萃取池均提供6kv電壓時(shí)，反萃取是無(wú)效率的，而產(chǎn)品溶液里的鈷濃度也降低。然而，當(dāng)給兩池提供8kv電壓時(shí)，由于泄漏，產(chǎn)品的交叉混淆量也顯著增加。因此，通過(guò)在裝置的萃取池和反萃取池使用不同的電壓、從而提供不同的電場(chǎng)強(qiáng)度可獲得有效率的反萃取和最小泄漏的最佳組合。
權(quán)利要求
1．一種從料液里萃取溶質(zhì)進(jìn)入反萃液中的方法，該方法包括以下步驟，提供所述至少一種料液和所述至少一種反萃液的液流，讓它們經(jīng)過(guò)無(wú)極性載液的連續(xù)相；所述載液里具有對(duì)所述料液里的所述溶質(zhì)中的至少一種物質(zhì)的離子具有親和力的化學(xué)品；所述料液和反萃液中的至少各一種液流在通過(guò)所述載液的至少一部分時(shí)間里分別經(jīng)受第一和第二高壓靜電場(chǎng)的作用，從而使所述液流分散成無(wú)數(shù)所述各溶液的水滴；在所述各料液和反萃液的至少各一種液流之間提供一擋板設(shè)備，該擋板設(shè)備使料液向所述反萃液液流的轉(zhuǎn)移和所述反萃液向所述料液液流的轉(zhuǎn)移減到最少；所述擋板設(shè)備還位于分開(kāi)的高壓靜電場(chǎng)之間，料液液流和反萃液液流經(jīng)受該電場(chǎng)作用；以及，提供互相分開(kāi)的接受設(shè)備，以便在所述料液和所述反萃液經(jīng)過(guò)所述高壓靜電場(chǎng)之后收集所述料液和所述反萃液的液流；所述方法的特征是，作用在所述料液和反萃液液流上的所述高壓靜電場(chǎng)是不同的。
2．一種從料液中萃取溶質(zhì)進(jìn)入反萃液中的裝置，該裝置包括容納連續(xù)的、無(wú)極性的載液的容器設(shè)備，載液中具有對(duì)所述料液中的所述溶質(zhì)中的至少一種物質(zhì)的離子具有親和力的化學(xué)品；將所述各料液和各反萃液中的至少各一種液流提供給在所述容器設(shè)備里的所述載液的設(shè)備；分別提供第一和第二高壓靜電場(chǎng)給所述各料液和反萃液液流的電極設(shè)備，以便使所述液流分散成無(wú)數(shù)微滴；位于所述電極設(shè)備之間、以建立所述第一和第二高壓靜電場(chǎng)的擋板設(shè)備，所述擋板設(shè)備容許所述載液的移動(dòng)，但使料液和反萃液橫跨擋板的轉(zhuǎn)移減到最少；互相隔開(kāi)的接受設(shè)備，以便在所述料液和反萃液通過(guò)所述第一和第二高壓靜電場(chǎng)后分別收集它們；該裝置的特征是，還包括提供和控制第一和第二高壓靜電場(chǎng)的設(shè)備，從而使第一和第二電壓是不同的和可控制的。
3．如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述提供和控制第一和第二電壓的設(shè)備是兩個(gè)變壓器。
4．如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述提供和控制第一和第二電壓的設(shè)備是一單一的、多抽頭的變壓器。
5．如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，在萃取池和反萃取池里的電極設(shè)備之間的電場(chǎng)強(qiáng)度是通過(guò)所述電極設(shè)備的距離變動(dòng)控制的。
6．如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述電場(chǎng)強(qiáng)度是通過(guò)涂敷在所述電極設(shè)備上的絕緣涂層的性質(zhì)和／或厚度控制的。
全文摘要
一種從料液里萃取溶質(zhì)進(jìn)入反萃液中的方法和裝置。該裝置包括容納載液的容器設(shè)備;將所述各料液和各反萃液中的至少各一種液流提供給在所述容器設(shè)備里的所述載液的設(shè)備;分別提供第一和第二高壓靜電場(chǎng)給所述各料液和反萃液液流的電極設(shè)備;位于所述電極設(shè)備之間、以建立所述第一和第二高壓靜電場(chǎng)的擋板設(shè)備;互相隔開(kāi)的接受設(shè)備;此外,還包括提供和控制第一和第二高壓靜電場(chǎng)的設(shè)備,從而使第一和第二電壓是不同的和可控制的。
文檔編號(hào)C02F1/26GK1205648SQ9619918
公開(kāi)日1999年1月20日 申請(qǐng)日期1996年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月17日
發(fā)明者克里斯托弗·J·布羅恩, 特雷弗·J·威廉斯, 阿德里安·G·貝利 申請(qǐng)人:英國(guó)核燃料公共有限公司