專利名稱:靜電式準(zhǔn)液膜分離方法及其裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種化工分離技術(shù)，該技術(shù)能分離、純化和濃縮水溶液中的特定溶質(zhì)。適用于水法冶金過程中(包括核燃料循環(huán))從水溶液中提取有用的金屬，并適用于廢水處理等方面。
溶劑萃取技術(shù)是本世紀(jì)四十年代發(fā)展起來的一種分離方法，目前已經(jīng)成為水法冶金的代表性技術(shù)。溶劑萃取由萃取和反萃取兩個(gè)過程組成，由于每級(jí)萃取和反萃取的分離過程受到化學(xué)平衡的限制，所以所需的分離級(jí)數(shù)較多，試劑的耗量較大。此外，試劑夾帶損失也比較嚴(yán)重。
液膜分離方法是六十年代中期發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它也是由萃取和反萃取兩個(gè)過程組成。但是液膜分離方法中的萃取與反萃取兩個(gè)過程是同時(shí)進(jìn)行的，這就打破了溶劑萃取過程所固有的萃取平衡，液膜的這種非平衡特性使得所需的分離級(jí)數(shù)減少，并節(jié)省了試劑的消耗量。
液膜技術(shù)按構(gòu)型可分為乳化液膜和支承液膜兩種。乳化液膜由美國(guó)專利3779907、4014785等提出，其原理為，將含有反萃取試劑的水溶液與含有萃取劑和表面活性劑的有機(jī)溶液制成油包水的乳狀液，再將此乳狀液與含有待萃取金屬離子的水溶液攪拌混合，形成水-油-水型的復(fù)合乳狀液。在這一體系中，連續(xù)水相中的金屬離子透過油膜而濃集于分散水相中。停止攪拌后，油包水乳狀液即與連續(xù)水相分層。該法的傳質(zhì)比表面積大，傳質(zhì)過程快。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(gè)過程比較復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。
支承液膜(ISEC，Membrane Extraction Session 12，P.80，1980)是將液膜材料(即含有萃取劑的油溶液)浸漬憎水性多孔固體膜而制成的，這里的多孔固體膜為液膜的支承體。將這種液膜置于含有待萃取金屬離子的水溶液與反萃溶液之間時(shí)，金屬離子便在膜的一側(cè)被萃取到膜內(nèi)，在膜內(nèi)擴(kuò)散到另一側(cè)而被反萃取到另一水溶液中。
支承液膜的過程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化，但由于采用多孔固體膜作支承體，傳質(zhì)阻力較大。同時(shí)，液膜材料難以牢固地附著在支承膜的孔隙內(nèi)，即膜的穩(wěn)定性問題難以解決。
本發(fā)明目的在于提供一種新的分離方法和裝置，它既能發(fā)揚(yáng)液膜分離技術(shù)非平衡萃取的特點(diǎn)，又能克服或改善液膜技術(shù)的上述缺點(diǎn)。其主要特點(diǎn)在于利用位于反應(yīng)槽中間的電極上的孔隙，使該電極兩側(cè)的油溶液可以通過孔隙自由流動(dòng)，并利用靜電相分散方式將作用力直接施加于被分散水滴而不使連續(xù)油相劇烈湍動(dòng)，在電極上裝設(shè)擋水板，有效地將該電極兩側(cè)的水滴分隔開，從而保證了萃取和反萃取過程在反應(yīng)槽內(nèi)部的耦合。上述特征通過如下過程體現(xiàn)將含有待萃取溶質(zhì)的水溶液和反萃取水溶液分別與由帶孔隙和擋水板的電極分隔開的含有萃取劑的有機(jī)溶液接觸，有機(jī)溶液可以通過孔隙自由流動(dòng)，含有待萃取溶質(zhì)的水溶液和反萃取水溶液被擋水板隔開，用高壓靜電場(chǎng)將處于有機(jī)相中的水溶液分散成微滴，在萃取側(cè)，待萃取水相微滴中的溶質(zhì)被萃取到連續(xù)有機(jī)相，所生成的絡(luò)合物在其濃度梯度的推動(dòng)下，通過電極孔隙向反萃側(cè)擴(kuò)散，在反萃側(cè)，溶質(zhì)被反萃到反萃取水溶液微滴中，連續(xù)有機(jī)相中的萃取劑得到再生，萃取劑在其濃度梯度的驅(qū)使下通過電極孔隙擴(kuò)散回萃取側(cè)，如此循環(huán)，使萃取-反萃取過程在橫向得以連續(xù)進(jìn)行。與此同時(shí)，萃取側(cè)與反萃取側(cè)的上述兩種水相微滴在重力作用下，分別在連續(xù)有機(jī)相中下沉，形成逆流的萃取和反萃取過程，水相微滴沉到底部，脫離靜電場(chǎng)，與有機(jī)相分層，分別獲得萃余液和濃縮液。由于該方法既屬于非平衡體系，又免除了制乳、破乳工序，因此，不僅具有快速、高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，而且具有流程簡(jiǎn)單、過程易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。
上述過程是在一種適于本發(fā)明的特定的裝置中完成的。該裝置是對(duì)液膜萃取設(shè)備的改進(jìn)。
圖1為本發(fā)明的分離過程原理及裝置示意圖。
圖2為帶擋水板的電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中的裝置包括一個(gè)反應(yīng)槽[1]，它的上部被電極[2]分隔成萃取池[3]和反萃取池[4]，它的下部被隔水板[13]分隔成萃取澄清池[12]和反萃澄清池[14]。萃取池[3]和萃取澄清池[12]是完全連通的，反萃取池[4]和反萃取澄清池[14]也完全連通。隔水板[13]粘接在反應(yīng)槽[1]底板上，并與槽兩側(cè)壁粘接，粘接部分要保證不泄漏，防止兩側(cè)水相互串。
電極[2]上有孔隙[5]，并裝有擋水板[6]，萃取池[3]和反萃取池[4]中的有機(jī)溶液可以通過孔隙[5]自由流動(dòng)，而分散在萃取池[3]和反萃取池[4]的有機(jī)相中的水滴卻被擋水板[6]隔開。電極[2]與裝在反應(yīng)槽[1]兩側(cè)的電極[7]和[8]構(gòu)成兩對(duì)電場(chǎng)，分別施加在萃取池[3]和反萃取池[4]上。
萃取澄清池[12]中的萃余液被導(dǎo)管[11]引出，反萃取澄清池[14]中的濃縮液被導(dǎo)管[15]引出，導(dǎo)管[11]和[15]的一端分別與萃取澄清池[12]和反萃取澄清池[14]的底部相連。
為了防止電極間的短路，每對(duì)電極中至少有一個(gè)是絕緣電極，裸露電極(即不絕緣電極)若在腐蝕性介質(zhì)中應(yīng)用耐腐蝕材料制成，如不銹鋼板等。為了保持較高的電極效率，電極上的孔隙度應(yīng)小于40%。為了縮短絡(luò)合物和萃取劑橫向擴(kuò)散的路程，提高傳質(zhì)效率，電極間距離越小越好，兼顧到加料口機(jī)械結(jié)構(gòu)上的可行性，一般可選電極間距離為5～20mm。
反應(yīng)槽[1]、擋水板[6]和隔水板[13]均用絕緣材料制成。
工作時(shí)，將含有萃取劑的有機(jī)溶液注滿反應(yīng)槽[1]，并在萃取池[3]和反萃取池[4]上同時(shí)施加交流高壓靜電場(chǎng)，含有待萃取溶質(zhì)的料液沿箭頭[9]所指示方向加入萃取池[3]，反萃液沿箭頭[10]所示方向加入反萃取池[4]。
根據(jù)靜電學(xué)原理，電介質(zhì)溶液中的水滴在外電場(chǎng)的作用下，將產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極而發(fā)生畸變，畸變程度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值，水滴便分散成無數(shù)微滴。本發(fā)明在適當(dāng)?shù)母邏红o電場(chǎng)的作用下，加入萃取池[3]的料液和反萃取池[4]的反萃液在連續(xù)有機(jī)相中分別被分散成無數(shù)微滴。在萃取池[3]，待萃取水相微滴中的溶質(zhì)被萃取到連續(xù)有機(jī)相，連續(xù)有機(jī)相中的絡(luò)合物在其自身的濃度梯度的推動(dòng)下，通過電極[2]上的孔隙[5]向反萃取池[4]擴(kuò)散。在反萃取池[4]，當(dāng)連續(xù)有機(jī)相中的溶質(zhì)被反萃到反萃水相微滴中后，連續(xù)有機(jī)相中的萃取劑便得到再生，萃取劑本身的濃度梯度又驅(qū)使其通過電極[2]上的孔隙[5]擴(kuò)散回萃取池[3]，繼續(xù)進(jìn)行上述過程。與此同時(shí)，萃取池[3]和反萃取池[4]中的上述兩種水相微滴在重力作用下，分別在連續(xù)有機(jī)相中下沉，形成逆流萃取和逆流反萃取過程。兩種水相微滴沉到反應(yīng)槽[1]下部便脫離靜電場(chǎng)而分別進(jìn)入萃取澄清池[12]和反萃取澄清池[14]，然后與有機(jī)相分層，進(jìn)而獲得萃余液和濃縮液。
萃取池[3]中的混合液與萃取澄清池[12]的萃余液有一界面，該界面的高度可通過調(diào)節(jié)導(dǎo)管[11]的出水口的高度來控制。同樣，反萃取池[4]中的混合液與反萃取澄清池[14]的濃縮液之間也有一界面，其高度由調(diào)節(jié)導(dǎo)管[15]的出水口的高度來控制。
綜上所述，本發(fā)明所提出的技術(shù)，它保留了液膜技術(shù)分離級(jí)數(shù)少，試劑耗量省等優(yōu)點(diǎn)，又避免了乳化液膜技術(shù)中的制乳、破乳工序，使過程簡(jiǎn)單化并易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化。它與支承液膜相比，因省去了作為液膜支承體的多孔固體膜，從而使傳質(zhì)阻力大為降低，并避免了膜的穩(wěn)定性、膜的沾污、微孔的堵塞等問題。此外，由于本技術(shù)采用靜電場(chǎng)使水相分散成微滴，這種相分散方式是在連續(xù)相不劇烈湍動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)的，所以在該技術(shù)中可以采用簡(jiǎn)單的擋水板將萃取和反萃取中的水相分隔開。靜電相分散方法中省去了機(jī)械傳動(dòng)部分，簡(jiǎn)化了設(shè)備，并獲得了能量消耗低、試劑夾帶損失少的積極效果。這對(duì)于處理放射性液體的操作尤為合適。
本發(fā)明實(shí)施例見下反應(yīng)槽[1]是方形的，其外形尺寸為40(長(zhǎng))×100(寬)×150(高)mm，用有機(jī)玻璃制成。反應(yīng)槽[1]中間的電極[2]寬75mm、高100mm，該電極用不銹鋼材料制成，電極[2]被隔水板[13]所支承，電極[2]上有孔隙[5]和擋水板[6]，孔隙[5]是高度為2mm的長(zhǎng)方形，縱向排列兩孔間隔12mm。擋水板位置如圖2[A]或圖2[B]所示。電極[2]可制成雙板式，如圖2[A]或單板式，如圖2[B]，雙板式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但擋水板[6]不影響電極效率。電極[7]、[8]為絕緣電極，用一般金屬材料制成，外粘貼0.05×2mm的聚酯薄膜，并分別固定在反應(yīng)槽[1]的兩側(cè)壁，可用螺釘固定。電極[2]與電極[7]、[8]之間距離均為10mm，電極接在可調(diào)高壓交流電源上。隔水板[13]將萃余液和濃縮液隔開，用有機(jī)玻璃制成。
利用上述裝置從水溶液中提取鈷(Co)。料液為含1000ppmCo2+和0.1M CH3COONa的水溶液，其初始pH值調(diào)至5.0。反萃取液為1.0M H2SO4水溶液。有機(jī)相為含10%(體積)二(2-乙基己基)磷酸(萃取劑)的加氫煤油溶液。實(shí)驗(yàn)中施加電壓3kV，測(cè)得電流為650μA。料液流量為150ml/h，反萃取液流量為10ml/h，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得水相微滴在電場(chǎng)中的停留時(shí)間為4s。最后，獲得萃余液中鈷的濃度為5ppm，濃縮液中鈷的濃度接近15000ppm，有機(jī)相中鈷的濃度低于200ppm，總的濃縮因子接近3000。
權(quán)利要求
1.一種從水溶液中除去特定溶質(zhì)的方法，屬于化工分離技術(shù)，該方法有萃取和反萃取兩個(gè)過程，其特征在于將含有待萃取溶質(zhì)的水溶液和反萃取水溶液分別與由帶孔隙和擋水板的電極分隔開有含有萃取劑的有機(jī)溶液接觸，采用高壓靜電場(chǎng)將處于有機(jī)相中的水溶液分散成微滴，在萃取側(cè)，待萃取水相微滴中的溶質(zhì)被萃取到連續(xù)有機(jī)相，絡(luò)合物在其濃度梯度的推動(dòng)下，通過電極的孔隙向反萃側(cè)擴(kuò)散，在反萃側(cè)，溶質(zhì)被反萃到反萃水溶液微滴中，連續(xù)有機(jī)相中的萃取劑得到再生，萃取劑在其濃度梯度的驅(qū)使下通過電極孔隙擴(kuò)散回萃取側(cè)，如此循環(huán)，使萃取-反萃取過程在橫向得以連續(xù)進(jìn)行，與此同時(shí)，萃取側(cè)和反萃側(cè)的上述兩種水相微滴在重力作用下，分別在連續(xù)有機(jī)相中下沉，形成逆流的萃取和反萃取過程，水相微滴沉到底部，脫離靜電場(chǎng)，與有機(jī)相分層，分別獲得萃余液和濃縮液。
2.如權(quán)利要求
1所述的分離方法，其特征在于連續(xù)相是介電常數(shù)低于10的有機(jī)溶液，分散相是介電常數(shù)高于80的水溶液。
3.一種靜電式準(zhǔn)液膜分離方法的裝置，由反應(yīng)槽構(gòu)成，其特征在于該裝置的組成如下反應(yīng)槽[1]被電極[2]分隔成萃取池[3]和反萃取池[4]、電極[2]由隔水板[13]支承，隔水板[13]把反應(yīng)槽[1]下部分隔成萃取澄清池[12]和反萃取澄清池[14]，電極[2]上有孔隙[5]和擋水板[6]，電極[2]與分別在萃取池[3]和反萃取池[4]中的電極[7]和[8]構(gòu)成兩對(duì)電場(chǎng)，每對(duì)電場(chǎng)中至少有一個(gè)是絕緣電極，在萃取澄清池[12]底部連有一根引出萃余液的導(dǎo)管[11]，在反萃澄清池[14]底部連有一根引出濃縮液的導(dǎo)管[15]，反應(yīng)槽[1]、擋水板[6]和隔水板[13]用絕緣材料制成。
4.如權(quán)利要求
3所述的分離裝置，其特征在于反應(yīng)槽[1]中間的電極[2]上的孔隙為長(zhǎng)方形，孔隙度小于40%。
5.如權(quán)利要求
3、4所述的分離裝置，其特征在于電極[2]為裸露電極，用耐腐蝕的金屬材料制成，如不銹鋼板，電極[7]、[8]為絕緣電極。
6.如權(quán)利要求
3、4所述的分離裝置，其特征在于兩個(gè)電極的間距為5～20mm。
7.如權(quán)利要求
5所述的分離裝置，其特征在于兩個(gè)電極的間距為5～20mm。
專利摘要
本發(fā)明屬于化工分離技術(shù)，該技術(shù)能分離、純化和濃縮水溶液中的特定溶質(zhì)，適用于水法冶金過程(包括核燃料循環(huán))中提取金屬離子，也適用于廢水處理等方面。它是一種連續(xù)的萃取—反萃取同時(shí)進(jìn)行的過程。在傳質(zhì)過程中，靠靜電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)相分散，分離完畢后，借重力實(shí)現(xiàn)相分離。該方法分離級(jí)數(shù)少、快速、高效、節(jié)能，工藝流程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化。
文檔編號(hào)B01D17/06GK86101730SQ86101730
公開日1987年9月16日 申請(qǐng)日期1986年3月19日
發(fā)明者顧忠茂, 許明霞, 朱蘭英 申請(qǐng)人:中國(guó)原子能科學(xué)研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan