專利名稱：利用顆粒性材料從液體中分離物質(zhì)的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種將物質(zhì)束縛于顆粒性材料上從液體中分離該物質(zhì)的方法，在這種束縛中，所謂的顆粒性材料是指任何細小的分散形式的合適材料，不但包括固體而且包括或多或少有液態(tài)的粒子，例如凝膠顆粒。這些顆粒是多孔的或不透水的。它們在化學上最好是穩(wěn)定的，在本發(fā)明的某些應用中，它們對于要接觸的液體和/或要從該種液體中分離的那些物質(zhì)應該是惰性的。雖然這些顆?？梢跃哂腥魏芜m當?shù)男问剑詈檬乔蛐蔚牟⒕哂写篌w相同的粒度。
采用傳統(tǒng)上所謂液體層析法分離液體中的物質(zhì)時，要使該種液體通過一個在兩個多孔端壁之間的處理腔室，該腔內(nèi)緊密地裝填有許多小顆粒，這樣，液體只得在這些被固定顆粒的間隙中流過，借助這些顆粒的表面吸附或一些其它方法可以把要分離的物質(zhì)分離出來。
與這種分離技術相關聯(lián)的問題是在顆粒間隙內(nèi)對液體的液動阻力是很大的。粒子越小，流動阻力越大。這樣，必須對液體施加高壓才能使其通過顆粒間隙。由于對一定體積的堆積顆粒，粒度越小，流動液體通過的顆粒總表面越大，所以人們往往把顆粒做得盡可能地小，這樣就更加重了上述的問題。
基于上述理由，很難為分離能力大的分離工廠提供可接受的價格，因此上述分離技術主要用于小規(guī)模生產(chǎn)，例如用于分析的目的或用來分離少量昂貴的物質(zhì)。
作為上述分離技術的替代方法，已有人提議，把要從中分離出物質(zhì)的液體通入一個處理腔的下部，該處理腔包含有一個粒子床，床內(nèi)粒子相互間可以自由運動，然后使液體從下面以豎直向上的方式流過這個粒子床，以便讓粒子在處理腔內(nèi)保持流化或懸浮的狀態(tài)。
這種類型的流化技術同上述分離技術相比，其饋入液體所需的超壓較小。然而在這種情況下，代之而起的是分離工廠的生產(chǎn)能力將由于通過顆粒床的液體的流速不能太大而受到限制。該流速不得大于把粒子保持在顆粒床內(nèi)的重力并應使粒子不被豎直向上流動的液體沖出處理腔。
已經(jīng)提出的另一個項技術建議把液體中的某種物質(zhì)束縛液體中的顆粒上，通過攪拌使顆粒在一段時間內(nèi)懸浮在液體中，然后-在這些顆粒已吸引所述的液體中的物質(zhì)以后-通過重力分離或離心分離把粒子從液體中分離出來。這項技術的缺點是為了給顆粒和液體所有部分間創(chuàng)造必要的接觸以便分離液體中的這些物質(zhì)將要花費相對來說長得多的時間。
本發(fā)明的目的是要提供一種通過將物質(zhì)束縛到小顆粒上從液體中分離物質(zhì)的新方法，這種方法可以獲得比以上方法大得多的分離能力，因此能用于比它們規(guī)模更大的場合。本發(fā)明的另一個目的是要使采用比以前小得多的顆粒成為可能。
這些目的可以按照本發(fā)明的下述步驟實現(xiàn)。使具有預定密度的液體基體部分和密度比其小的小顆粒一起保持旋轉(zhuǎn)，并使要分離出所述物質(zhì)的液體同這些顆粒在某種程度上接觸，以使這些顆粒仍保持懸浮于旋轉(zhuǎn)液體中。
接著，使這些比液體更輕的顆粒在旋轉(zhuǎn)液體的基體中保持懸浮狀態(tài)，并使要分離出物質(zhì)的液體流過這些懸浮顆粒區(qū)。
如果愿意，可以使顆粒在整個旋轉(zhuǎn)液體的基體中保持懸浮。然而，最好還是僅使顆粒懸浮在該液體基體的一個層區(qū)，使要分離出所述物質(zhì)的液體流過這一懸浮層區(qū)。該液體的主要部分將從懸浮顆粒之間穿過，并由旋轉(zhuǎn)液體的基體旋轉(zhuǎn)軸方向朝該液體基體的徑向外沿流動。
由于顆粒比液體輕，懸浮在液體中的這些顆粒將在離心力的作用下沿徑向朝里運動，在這個方向上影響顆粒的力越大，顆粒離旋轉(zhuǎn)軸的距離越近。因此，要求分離出所述物質(zhì)的待分離液體的供給輸送量可以很大，而不會有任何顆粒被徑向外溢的流動液體沖出處理腔的危險。而被輸送的液體的流動使顆粒受的力是同顆粒與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離無關的。
如果懸浮層中的顆粒的粒度有些變化，也絲毫沒有關系。因為沿經(jīng)向往外離心力增大的緣故，使容易為被輸送液體沖走的小顆粒仍將留住其它顆粒附近，基于同樣的機制，假如顆粒在偶然外力作用下被移動到離旋轉(zhuǎn)軸過分遠的地方，它也會被沿徑向往里很快地送回。
旋轉(zhuǎn)的液體基體可以具有任何預定的形狀。假如它具有這樣的形狀，其通過被輸送液體的通流截面是沿徑向往外增大的，那未它對懸浮顆粒的平衡作用將更大很多，因為此時隨著離液體基體旋轉(zhuǎn)軸距離的增大，液流產(chǎn)生的作用在顆粒上的力將減小，而同時反方向作用的離心力卻增大了。
為了可靠地維持液體中的顆粒，特別是在懸浮層徑向較外部分，需要增加被輸送液體的通流截面。然而，在懸浮層的主要部分，一個沿經(jīng)向往外減小的被輸送液體的通流截面可能是合乎要求的。因此，如果愿意的話，可以沿著液體通過的流動路線，在懸浮層中實現(xiàn)大體均勻的顆粒分布，假如顆粒具有某個粒度分布，在設計液體通過懸浮層的流動路線時必須考慮這一因素，以便在液體中形成合乎需要的顆粒分布。
很顯然，通過選擇合適的離心力和穿過懸浮層的液體流動可以任意調(diào)節(jié)懸浮層中顆粒間的距離。甚至在分離過程進行中通過控制離心力和/或液體流動也可以改變這個距離。
如果需要的話，通過使用不同粒度的顆?？梢栽谛D(zhuǎn)液體基體內(nèi)得到不同的(分開的或交錯的)懸浮顆粒層。這一點在為了限制旋轉(zhuǎn)液體內(nèi)懸浮中顆粒的徑向運動，而在分離操作中斷續(xù)使用顆粒時是十分有用的。
本發(fā)明優(yōu)點在于只需對常規(guī)的離心分離器作不大的改動就可以按照本發(fā)明的方法進行操作，使所述的液體與顆粒保持在一個大致環(huán)形的腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明幾乎可在所有常規(guī)液體層析法可能出問題的那些分離過程中使用。此外，本發(fā)明有可能借助這里討論的分離技術以經(jīng)濟上可按受的方式去解決許多目前不能解決的分離問題。這樣，本發(fā)明使得可能以工業(yè)規(guī)模從大量極稀溶液中分離很少量有價值的或有害的物質(zhì)。例如本發(fā)明可以用來從溶液中提取出金，銀等有價值的金屬，或從生物處理液中提取蛋白質(zhì)，多肽，或氨基酸。也能提取碳水化合物或類酯化合物。此外，如啤酒，果酒等飲料的質(zhì)量，通過去除某些物質(zhì)而得到改善。另一個例子是在將廢水排放到自然界中去以前，去除其中的重金屬，酚或氰化物之類不希望有的物質(zhì)。
必須按照從中應分離出物質(zhì)的液體和所述的物質(zhì)，來對使用顆粒的材料作出選擇。因為許多待處理的液體具有約1g/cm3的密度，所以常常必須選擇具有低于1g/cm3密度的顆粒。因此，不同種類的塑料材料可以考慮。例如，聚乙烯或聚丙烯在顆粒中可以用作基本材料。然而，比1g/cm3重的材料若借助已有技術使其膨脹后也可采用，這樣的顆粒將包含一種或另一種類型的氣體。這類具有0.04g/cm3密度的顆粒市場有售。
眾所周知，同常規(guī)的液體層析法一樣，本發(fā)明的方法中使用的顆粒通常必須被制備成能吸引或束縛要從液體中分離的物質(zhì)，在幾種已知的方式中，顆粒具有一個活性表面，當液體同它們接觸時該表面能以化學的或物理的方式將所述物質(zhì)束縛到顆粒上。例如，可以使顆粒表面帶有某種電荷，這樣它們就可以吸引或束縛具有相反電荷的特殊物質(zhì)(離子交換技術)。甚至眾所周知的所謂親和層析法，水力吸引(hydrofobic)相互作用原理等也可用于本發(fā)明中。
本發(fā)明中也可以使用具有吸收液體中物質(zhì)能力的顆粒。這種情況下，這些物質(zhì)將滲入所述顆粒體內(nèi)，并保留在其中。
同常規(guī)液體層析法一樣，本發(fā)明分離方法中使用的顆粒常被要求能重復使用多次?？梢允褂贸Ｒ?guī)液體層析法中相應的活化技術，去除分離過程中顆粒上吸引或束縛的物質(zhì)。
顆粒的實際尺寸應盡可能地小，但必須結合考慮選定適當?shù)碾x心力和所述離心力場中的液流。顆粒尺寸最好在0.1～10μm的范圍內(nèi)。
現(xiàn)將本發(fā)明參照附圖描述如下。附

圖1以示意圖表示了一類可以用于本發(fā)明申請的所謂敞開式離心機轉(zhuǎn)子。圖2表示圖1的離心機轉(zhuǎn)子稍經(jīng)改進的部分。圖3表示另一種可以用于本發(fā)明的申請的所謂封閉式離心機轉(zhuǎn)子。
圖1表示離心機轉(zhuǎn)子的一部分。它包括豎直驅(qū)動軸2支撐的轉(zhuǎn)子本體1。轉(zhuǎn)子本體1限定了一個分離腔3，腔中同軸的裝有一疊常規(guī)的截頭園錐形的分離盤4。該疊分離盤4具有沿軸向排列的所謂分布孔5，并支撐在園錐型底板6上。該底板具有與分布孔5對準的相應孔7。底板6與轉(zhuǎn)子本體1的下部形成一個腔室8，它通過底板6上的孔7和分離腔3相通。通過驅(qū)動軸2沿軸向延伸的通道9通入腔室8。
園錐形隔板10同轉(zhuǎn)子本體1的上部一起在這疊分離盤4上形成了許多通道11。通道11由分離腔3的徑向較遠部分向轉(zhuǎn)子中心延伸，并通入由轉(zhuǎn)子本體徑向內(nèi)壁和相應的隔板10形成的第一出口腔12。
在第一出口腔12徑向更里面，由隔板10的徑向內(nèi)壁部分形成第二出口腔13。分離腔3通過溢流出口14與所述的第二出口腔13相通。
出口腔12和13都有一道沿徑向往里的敞口環(huán)形溝，固定的出口部件15和16相應地延伸進這些溝里，出口部件可以具有常規(guī)的所謂切屑盤的形成。這兩個出口部件都是由轉(zhuǎn)子從外部插入轉(zhuǎn)子中心入口腔18的固定入口管17支撐的，入口腔18是由截頭園錐形分離盤4的徑向內(nèi)部形成的。入口管17位于入口腔18的部分是多孔管，以便被饋入的液體可以通過入口管被徑向向外噴射出去并順著入口腔軸向延伸分布。
在分離腔3的徑向最外面部分，轉(zhuǎn)子本體1具有許多圍繞轉(zhuǎn)子軸均勻分布的對外開口19。在轉(zhuǎn)子運行期間，這些對外開口本身可用公知的方式進行開和關。
在運行中，上面描述的離心轉(zhuǎn)子將既包含液體又包含密度比該液體小的很小的顆粒。液體將形成旋轉(zhuǎn)基體，并充滿分離腔3的絕大部分空間，包括分離盤4和中心入口腔18部分之間的空間，顆粒將懸浮在由位于最靠近轉(zhuǎn)子軸的液體層區(qū)20形成的園柱形管中。層區(qū)20徑向往內(nèi)延伸到溢流出口14的層面上。借此通過入口管17輸送入轉(zhuǎn)子的液體將被噴向?qū)訁^(qū)20的里面。借助徑向和軸向伸展的輸送翼(圖中未示出)，層區(qū)20可以被劃分為多個分離區(qū)，輸送翼由底板6和隔板10沿徑向支撐在分離盤4的內(nèi)部。
圖1中的離心轉(zhuǎn)子是用來按以下方式運行的。
要分離出某種物質(zhì)的液體通過入口管17輸入，并朝著由包含顆粒的液體層區(qū)20形成的旋轉(zhuǎn)管內(nèi)部噴射。借助這些液體的供給，顆粒將在旋轉(zhuǎn)液體的基體中保持懸浮狀態(tài)。通過入口管17噴入的液體越多，液體基體中顆粒間的距離越大。
在被輸送的液體通過層區(qū)20期間，將與顆粒表面產(chǎn)生有效接觸，接已知方式制備的顆粒將吸引要從液體中分離的物質(zhì)。當液體通過層區(qū)20并被除去全部或部分所述的物質(zhì)時，它將通過分離盤4之間的空間繼續(xù)沿徑向往外流動，流向分離腔3的徑向外部。液體由此經(jīng)通道11沿徑向往內(nèi)流向出口腔12，并在此借助固定的出口部件15被排出。
在如上所述的分離操作期間，可以向轉(zhuǎn)子輸入新的顆粒，而用過的顆?？梢詮霓D(zhuǎn)子中取出，這項工作可以連續(xù)進行也可以繼續(xù)進行。新的顆?？梢酝ㄟ^驅(qū)動軸2內(nèi)的通道9輸入，并穿過腔室8和分布孔5被泵入分離盤4之間的空間。輸送入的新顆粒將相對在轉(zhuǎn)子內(nèi)沿徑向往外流動的液體作逆向運動。由此，相應量的已從輸送液體中分離過上面提到的物質(zhì)的顆粒被替換出入口腔18，并通過溢流出口14到達出口腔13。借助固定出口部件16可將這些顆粒從出口腔13中排出。
按照另一種斷續(xù)將顆粒替換出分離腔3的方式，通過固定出口部件15流出的液體可以暫時中斷，而同時新的液體通過輸入管17被連續(xù)輸送出去。然后，出口腔12和分離腔13(或入口腔18)中的液面部分將沿徑向往里運動。
將新的顆粒輸入離心機轉(zhuǎn)子最好使其懸浮在適當類型的液體上，例如懸浮在一部分被除去上面所述的物質(zhì)后留在離心機轉(zhuǎn)子里的液體上。在已知的方式中，在描述的分離操作中用過的顆粒，即已經(jīng)從離心機轉(zhuǎn)子中通過出口腔13被排出的顆?？梢曰厥蘸透隆１匾獣r，通過通道9供給轉(zhuǎn)子的顆粒懸浮物可以比借助出口部件16從轉(zhuǎn)子中排出的顆粒懸浮物更稀薄些，即每單位體積的懸浮物包含的顆粒較少。排出的顆粒懸浮物的組成由在液體中流化的顆粒層區(qū)20的顆粒密度決定。
利用所描述的那類園錐形分離盤4，可以有效地防止以吸引被輸送液體中所述物質(zhì)為目標的顆粒在轉(zhuǎn)子中被液體從其路徑上沿徑向往外沖得太遠。然而，為了避免顆粒懸浮物變得太稠，需選定適當?shù)姆蛛x盤的尺寸以使大部分顆粒懸浮物在分離盤徑向內(nèi)部形成。
上面已經(jīng)假定離心機轉(zhuǎn)子具有一個新顆粒的單獨入口。另一個可選擇的方案，新顆?？梢酝ㄟ^所述液體的普通入口輸送入離心機轉(zhuǎn)子;即在輸入離心機轉(zhuǎn)子前，可將它們與液體混合。圖2表示以這種方式向離心轉(zhuǎn)子輸送新顆粒的一種實施方案。
圖2顯示一根多孔入口管17a支承有一個出口部件16a。出口部件沿徑向往外延伸入出口腔13a中，它通過在隔板22上的許多小孔21與轉(zhuǎn)子的分離腔相通。小孔21位于通過液體基體旋轉(zhuǎn)在入口腔18a內(nèi)形成的自由液面的徑向外端。
在液體基體的徑向最內(nèi)層，該層區(qū)在圖2中用20a表示，通過多孔入口管17a輸送液體顆粒被保持在懸浮狀態(tài)。正如圖中所示，隔板22沿徑向往里延伸到層區(qū)20a的里端，以使顆粒懸浮液除了通過孔21外不可能從任何其它通道流入出口腔13a。這些小孔位于層區(qū)20a的徑向較外部分的水平上。
在圖2所示的實施方案中，離心機轉(zhuǎn)子具有截頭錐形的分離盤4a，在其徑向最里邊的邊緣大體水平地伸展出一個支承環(huán)形部件23，部件23其厚度沿徑向往外增加。由此在它們相互之間的空間沿徑向往外逐漸縮小。部件23的這種設計可以為液體穿過顆粒懸浮層20a沿徑向往外流動提供一個大體不變的甚至逐漸減小的通流截面。
部件23具有相互間對準的并同孔21軸向?qū)实目?4，借此從通過的液體中分離過某種物質(zhì)的顆?？梢栽诋敃r的徑向位置離開層區(qū)20a并流入出口腔13a。如果需要的話，借助入口腔18a自由液體表面徑向外端的出口部件16a可維持自由液體表面?？梢栽O想，孔21對懸浮液的流出而進入出口腔13a形成一節(jié)流。
在圖2所示的離心機轉(zhuǎn)子實施方案中，新的顆粒最好通過入口管17a同被輸送液體一起輸送到層區(qū)20a。這樣可使新顆粒一開始就在層區(qū)20a的徑向最內(nèi)層部分保持懸浮，沿徑向向外運動，并最終通過孔24和21離開層區(qū)13a，由于它們從液體中逐漸分離所述物質(zhì)，從而在本發(fā)明的某些應用中逐漸變得更為重要。
圖3表示可以實施本發(fā)明方法的另一種離心機轉(zhuǎn)子的實施方案。圖3中與圖1中的離心機轉(zhuǎn)子部分相應的部分與后者有相同的參考數(shù)字編號，只是具有附加安母b。
圖3中的離心機轉(zhuǎn)子具有一個供要分離出物質(zhì)的液體用的入口管25，通過在驅(qū)動軸2b內(nèi)的通道9b延伸到轉(zhuǎn)子中。入口管25是同轉(zhuǎn)子一起可以旋轉(zhuǎn)的，它延伸到入口腔18b的部分是多孔的。
轉(zhuǎn)子本體16的上部裝有管26和同該管連接的抽吸輪27。管26和抽吸輪27被具有一出口管29的固定抽吸室28密封包圍。管26的內(nèi)部同轉(zhuǎn)子內(nèi)的通道11b和抽吸輪27的內(nèi)部相通，借此，后者被安排經(jīng)通道11b從分離腔3b中將液體抽吸入抽吸室28并進一步通過出口管29。
同樣，園錐形隔板10b上部接有管30，該管穿過管26同軸向上延伸并裝有抽吸輪31。管30的上部和抽吸輪31被具有出口管道33的固定抽吸室32密封包圍。管子30的內(nèi)部和入口腔18b及抽吸輪31的內(nèi)部相通，借此后者被安排從入口腔18b中將顆粒抽吸到抽吸室32中并進一步經(jīng)出口管33排出。
圖3所示的離心機轉(zhuǎn)子以同圖1中的離心機轉(zhuǎn)子大體相同的方式運行。差別僅在于在運行中整個入口腔18b是充滿顆粒懸浮液的并且在轉(zhuǎn)子中的分離操作可以在正表壓下運行而其中的液體和顆粒不會與轉(zhuǎn)子周圍的大會相接觸。
權利要求
1.將一種物質(zhì)束縛到一些顆粒上從液體中分離該物質(zhì)的方法，其特征是，使具有預定密度的液體主體同具有小于該液體密度的小顆粒一起保持旋轉(zhuǎn)，使要分離出所述物質(zhì)的液體同所述顆粒進行接觸，以使這些顆粒保持懸浮在旋轉(zhuǎn)液體主體中。
2.按權利要求1所述的方法，其特征是，使要分離出所述物質(zhì)的液體的主要部分在懸浮顆粒之間由旋轉(zhuǎn)液體主體旋轉(zhuǎn)軸向該液體主體的徑向外沿部分流動。
3.按權利要求1或2所述的方法，其特征是，使要分離出所述物質(zhì)的液體流過旋轉(zhuǎn)液體主體的層區(qū)(20)，在該層區(qū)顆粒保持懸浮狀態(tài)。
4.按權利要求3所述的方法，其特征是，液體從所述層區(qū)(20)的徑向外沿部分連續(xù)地被排走。
5.按上述任一權利要求所述的方法，其特征是，在保持旋轉(zhuǎn)的同時，輸送新顆粒和從所述液體主體中排出用過的顆粒。
6.按照以上任一權利要求所述的方法，其特征是液體主體和所述顆粒以大體上象一個環(huán)形體一樣保持旋轉(zhuǎn)。
7.按以上任一權利要求所述的方法，其特征是，液體在懸浮顆粒徑向外側的旋轉(zhuǎn)液體主體部分向空隙(12)輸導，并在此旋轉(zhuǎn)的同時可以形成維持在預定半徑層次上的最好是環(huán)形的自由液面。
8.按以上任一權利要求所述的方法，其特征是液體和顆粒旋轉(zhuǎn)體的自由液面借助腔室(3)以溢流出口(14)被保持在由轉(zhuǎn)子本體(1)定界的所述腔室(3)的預定面上。
9.按權利要求3～7任一權利要求的方法，其特征是新的顆粒被輸送到旋轉(zhuǎn)液體主體的所述層區(qū)20(a)的第一層面上，用過的顆粒從層區(qū)20(a)的第二層面(21)上移開，第二層面在所述第一層面的徑向外側。
10.按以上任一權利要求所述的方法，其特征是，使要分離出所述物質(zhì)的液體沿一流動路徑流過懸浮顆粒，從液體流動方向看該流動路徑通流截面是逐步減小的，而其中的離心力則是逐步增大的。
全文摘要
本發(fā)明是通過使一種物質(zhì)束縛到固體等小顆粒上，從液體中分離出所述物質(zhì)的方法。為此使液體基體與密度比其小的顆粒一起旋轉(zhuǎn)，使要從中分離出所述物質(zhì)的液體同所述顆粒以一定方式接觸，以使這些顆粒在旋轉(zhuǎn)液體基體中仍保持懸浮。
文檔編號B04B5/06GK1043883SQ89109268
公開日1990年7月18日 申請日期1989年11月16日 優(yōu)先權日1988年11月16日
發(fā)明者拉斯·恩斯特龍 申請人:艾爾費拉瓦爾公司