专利名称:静电式准液膜分离方法及其装置的制作方法
本发明涉及一种化工分离技术，该技术能分离、纯化和浓缩水溶液中的特定溶质。适用于水法冶金过程中(包括核燃料循环)从水溶液中提取有用的金属，并适用于废水处理等方面。
溶剂萃取技术是本世纪四十年代发展起来的一种分离方法，目前已经成为水法冶金的代表性技术。溶剂萃取由萃取和反萃取两个过程组成，由于每级萃取和反萃取的分离过程受到化学平衡的限制，所以所需的分离级数较多，试剂的耗量较大。此外，试剂夹带损失也比较严重。
液膜分离方法是六十年代中期发展起来的一种新技术，它也是由萃取和反萃取两个过程组成。但是液膜分离方法中的萃取与反萃取两个过程是同时进行的，这就打破了溶剂萃取过程所固有的萃取平衡，液膜的这种非平衡特性使得所需的分离级数减少，并节省了试剂的消耗量。
液膜技术按构型可分为乳化液膜和支承液膜两种。乳化液膜由美国专利3779907、4014785等提出，其原理为，将含有反萃取试剂的水溶液与含有萃取剂和表面活性剂的有机溶液制成油包水的乳状液，再将此乳状液与含有待萃取金属离子的水溶液搅拌混合，形成水-油-水型的复合乳状液。在这一体系中，连续水相中的金属离子透过油膜而浓集于分散水相中。停止搅拌后，油包水乳状液即与连续水相分层。该法的传质比表面积大，传质过程快。但该法使用表面活性剂来稳定液膜，这就增加了制乳、破乳等工序，使整个过程比较复杂，难于实现连续操作。
支承液膜(ISEC，Membrane Extraction Session 12，P.80，1980)是将液膜材料(即含有萃取剂的油溶液)浸渍憎水性多孔固体膜而制成的，这里的多孔固体膜为液膜的支承体。将这种液膜置于含有待萃取金属离子的水溶液与反萃溶液之间时，金属离子便在膜的一侧被萃取到膜内，在膜内扩散到另一侧而被反萃取到另一水溶液中。
支承液膜的过程简单，易于实现连续化，但由于采用多孔固体膜作支承体，传质阻力较大。同时，液膜材料难以牢固地附着在支承膜的孔隙内，即膜的稳定性问题难以解决。
本发明目的在于提供一种新的分离方法和装置，它既能发扬液膜分离技术非平衡萃取的特点，又能克服或改善液膜技术的上述缺点。其主要特点在于利用位于反应槽中间的电极上的孔隙，使该电极两侧的油溶液可以通过孔隙自由流动，并利用静电相分散方式将作用力直接施加于被分散水滴而不使连续油相剧烈湍动，在电极上装设挡水板，有效地将该电极两侧的水滴分隔开，从而保证了萃取和反萃取过程在反应槽内部的耦合。上述特征通过如下过程体现将含有待萃取溶质的水溶液和反萃取水溶液分别与由带孔隙和挡水板的电极分隔开的含有萃取剂的有机溶液接触，有机溶液可以通过孔隙自由流动，含有待萃取溶质的水溶液和反萃取水溶液被挡水板隔开，用高压静电场将处于有机相中的水溶液分散成微滴，在萃取侧，待萃取水相微滴中的溶质被萃取到连续有机相，所生成的络合物在其浓度梯度的推动下，通过电极孔隙向反萃侧扩散，在反萃侧，溶质被反萃到反萃取水溶液微滴中，连续有机相中的萃取剂得到再生，萃取剂在其浓度梯度的驱使下通过电极孔隙扩散回萃取侧，如此循环，使萃取-反萃取过程在横向得以连续进行。与此同时，萃取侧与反萃取侧的上述两种水相微滴在重力作用下，分别在连续有机相中下沉，形成逆流的萃取和反萃取过程，水相微滴沉到底部，脱离静电场，与有机相分层，分别获得萃余液和浓缩液。由于该方法既属于非平衡体系，又免除了制乳、破乳工序，因此，不仅具有快速、高效、节能的优点，而且具有流程简单、过程易于实现连续化和自动化等优点。
上述过程是在一种适于本发明的特定的装置中完成的。该装置是对液膜萃取设备的改进。
图1为本发明的分离过程原理及装置示意图。
图2为带挡水板的电极的结构示意图。
图1中的装置包括一个反应槽[1]，它的上部被电极[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]是完全连通的，反萃取池[4]和反萃取澄清池[14]也完全连通。隔水板[13]粘接在反应槽[1]底板上，并与槽两侧壁粘接，粘接部分要保证不泄漏，防止两侧水相互串。
电极[2]上有孔隙[5]，并装有挡水板[6]，萃取池[3]和反萃取池[4]中的有机溶液可以通过孔隙[5]自由流动，而分散在萃取池[3]和反萃取池[4]的有机相中的水滴却被挡水板[6]隔开。电极[2]与装在反应槽[1]两侧的电极[7]和[8]构成两对电场，分别施加在萃取池[3]和反萃取池[4]上。
萃取澄清池[12]中的萃余液被导管[11]引出，反萃取澄清池[14]中的浓缩液被导管[15]引出，导管[11]和[15]的一端分别与萃取澄清池[12]和反萃取澄清池[14]的底部相连。
为了防止电极间的短路，每对电极中至少有一个是绝缘电极，裸露电极(即不绝缘电极)若在腐蚀性介质中应用耐腐蚀材料制成，如不锈钢板等。为了保持较高的电极效率，电极上的孔隙度应小于40%。为了缩短络合物和萃取剂横向扩散的路程，提高传质效率，电极间距离越小越好，兼顾到加料口机械结构上的可行性，一般可选电极间距离为5～20mm。
反应槽[1]、挡水板[6]和隔水板[13]均用绝缘材料制成。
工作时，将含有萃取剂的有机溶液注满反应槽[1]，并在萃取池[3]和反萃取池[4]上同时施加交流高压静电场，含有待萃取溶质的料液沿箭头[9]所指示方向加入萃取池[3]，反萃液沿箭头[10]所示方向加入反萃取池[4]。
根据静电学原理，电介质溶液中的水滴在外电场的作用下，将产生诱导偶极而发生畸变，畸变程度随电场强度的增大而增大。当电场强度超过某一临界值，水滴便分散成无数微滴。本发明在适当的高压静电场的作用下，加入萃取池[3]的料液和反萃取池[4]的反萃液在连续有机相中分别被分散成无数微滴。在萃取池[3]，待萃取水相微滴中的溶质被萃取到连续有机相，连续有机相中的络合物在其自身的浓度梯度的推动下，通过电极[2]上的孔隙[5]向反萃取池[4]扩散。在反萃取池[4]，当连续有机相中的溶质被反萃到反萃水相微滴中后，连续有机相中的萃取剂便得到再生，萃取剂本身的浓度梯度又驱使其通过电极[2]上的孔隙[5]扩散回萃取池[3]，继续进行上述过程。与此同时，萃取池[3]和反萃取池[4]中的上述两种水相微滴在重力作用下，分别在连续有机相中下沉，形成逆流萃取和逆流反萃取过程。两种水相微滴沉到反应槽[1]下部便脱离静电场而分别进入萃取澄清池[12]和反萃取澄清池[14]，然后与有机相分层，进而获得萃余液和浓缩液。
萃取池[3]中的混合液与萃取澄清池[12]的萃余液有一界面，该界面的高度可通过调节导管[11]的出水口的高度来控制。同样，反萃取池[4]中的混合液与反萃取澄清池[14]的浓缩液之间也有一界面，其高度由调节导管[15]的出水口的高度来控制。
综上所述，本发明所提出的技术，它保留了液膜技术分离级数少，试剂耗量省等优点，又避免了乳化液膜技术中的制乳、破乳工序，使过程简单化并易于实现连续化和自动化。它与支承液膜相比，因省去了作为液膜支承体的多孔固体膜，从而使传质阻力大为降低，并避免了膜的稳定性、膜的沾污、微孔的堵塞等问题。此外，由于本技术采用静电场使水相分散成微滴，这种相分散方式是在连续相不剧烈湍动的情况下实现的，所以在该技术中可以采用简单的挡水板将萃取和反萃取中的水相分隔开。静电相分散方法中省去了机械传动部分，简化了设备，并获得了能量消耗低、试剂夹带损失少的积极效果。这对于处理放射性液体的操作尤为合适。
本发明实施例见下反应槽[1]是方形的，其外形尺寸为40(长)×100(宽)×150(高)mm，用有机玻璃制成。反应槽[1]中间的电极[2]宽75mm、高100mm，该电极用不锈钢材料制成，电极[2]被隔水板[13]所支承，电极[2]上有孔隙[5]和挡水板[6]，孔隙[5]是高度为2mm的长方形，纵向排列两孔间隔12mm。挡水板位置如图2[A]或图2[B]所示。电极[2]可制成双板式，如图2[A]或单板式，如图2[B]，双板式结构较复杂，但挡水板[6]不影响电极效率。电极[7]、[8]为绝缘电极，用一般金属材料制成，外粘贴0.05×2mm的聚酯薄膜，并分别固定在反应槽[1]的两侧壁，可用螺钉固定。电极[2]与电极[7]、[8]之间距离均为10mm，电极接在可调高压交流电源上。隔水板[13]将萃余液和浓缩液隔开，用有机玻璃制成。
利用上述装置从水溶液中提取钴(Co)。料液为含1000ppmCo2+和0.1M CH3COONa的水溶液，其初始pH值调至5.0。反萃取液为1.0M H2SO4水溶液。有机相为含10%(体积)二(2-乙基己基)磷酸(萃取剂)的加氢煤油溶液。实验中施加电压3kV，测得电流为650μA。料液流量为150ml/h，反萃取液流量为10ml/h，实验中测得水相微滴在电场中的停留时间为4s。最后，获得萃余液中钴的浓度为5ppm，浓缩液中钴的浓度接近15000ppm，有机相中钴的浓度低于200ppm，总的浓缩因子接近3000。
权利要求
1.一种从水溶液中除去特定溶质的方法，属于化工分离技术，该方法有萃取和反萃取两个过程，其特征在于将含有待萃取溶质的水溶液和反萃取水溶液分别与由带孔隙和挡水板的电极分隔开有含有萃取剂的有机溶液接触，采用高压静电场将处于有机相中的水溶液分散成微滴，在萃取侧，待萃取水相微滴中的溶质被萃取到连续有机相，络合物在其浓度梯度的推动下，通过电极的孔隙向反萃侧扩散，在反萃侧，溶质被反萃到反萃水溶液微滴中，连续有机相中的萃取剂得到再生，萃取剂在其浓度梯度的驱使下通过电极孔隙扩散回萃取侧，如此循环，使萃取-反萃取过程在横向得以连续进行，与此同时，萃取侧和反萃侧的上述两种水相微滴在重力作用下，分别在连续有机相中下沉，形成逆流的萃取和反萃取过程，水相微滴沉到底部，脱离静电场，与有机相分层，分别获得萃余液和浓缩液。
2.如权利要求
1所述的分离方法，其特征在于连续相是介电常数低于10的有机溶液，分散相是介电常数高于80的水溶液。
3.一种静电式准液膜分离方法的装置，由反应槽构成，其特征在于该装置的组成如下反应槽[1]被电极[2]分隔成萃取池[3]和反萃取池[4]、电极[2]由隔水板[13]支承，隔水板[13]把反应槽[1]下部分隔成萃取澄清池[12]和反萃取澄清池[14]，电极[2]上有孔隙[5]和挡水板[6]，电极[2]与分别在萃取池[3]和反萃取池[4]中的电极[7]和[8]构成两对电场，每对电场中至少有一个是绝缘电极，在萃取澄清池[12]底部连有一根引出萃余液的导管[11]，在反萃澄清池[14]底部连有一根引出浓缩液的导管[15]，反应槽[1]、挡水板[6]和隔水板[13]用绝缘材料制成。
4.如权利要求
3所述的分离装置，其特征在于反应槽[1]中间的电极[2]上的孔隙为长方形，孔隙度小于40%。
5.如权利要求
3、4所述的分离装置，其特征在于电极[2]为裸露电极，用耐腐蚀的金属材料制成，如不锈钢板，电极[7]、[8]为绝缘电极。
6.如权利要求
3、4所述的分离装置，其特征在于两个电极的间距为5～20mm。
7.如权利要求
5所述的分离装置，其特征在于两个电极的间距为5～20mm。
专利摘要
本发明属于化工分离技术，该技术能分离、纯化和浓缩水溶液中的特定溶质，适用于水法冶金过程(包括核燃料循环)中提取金属离子，也适用于废水处理等方面。它是一种连续的萃取—反萃取同时进行的过程。在传质过程中，靠静电场实现相分散，分离完毕后，借重力实现相分离。该方法分离级数少、快速、高效、节能，工艺流程简单，易于实现连续化和自动化。
文档编号B01D17/06GK86101730SQ86101730
公开日1987年9月16日 申请日期1986年3月19日
发明者顾忠茂, 许明霞, 朱兰英 申请人:中国原子能科学研究院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan