专利名称：膜萃取－反萃一体化设备的制作方法
技术领域：
本实用新型是属于膜分离技术。
近几年来，将膜分离过程与萃取过程相结合形成了一种新型分离技术，较之于常规的溶剂萃取法有许多优点。根据所采用的膜的类型，可分为液膜萃取法(通常称为液膜法)和固体膜萃取法(通常称为膜萃取法)。
具有分离选择性的人造液膜是Martin在六十年代初发现的。液膜分离技术是美籍华人黎念之(N.N.Li)博士在1968年提出的。液膜可分为乳化液膜和支撑液膜，其分离过程有类似二级萃取之处，但它又优于溶剂萃取。液膜过程是将原料液中的溶质直接输送到回收液中，也就是说，提取作用和解析作用是同时在一级内连续进行的。这不同于溶剂萃取法要求萃取和反萃取两个分离级。操作过程由二步合并为一步，无论就节省工序和降低成本来说，都是可取的。由于一次完成提取和解吸，通过移去被络合的溶质，液膜过程推动了络合作用的平衡状态向形成络离子的方向移动。这就消除了溶剂萃取法中固有的萃取平衡的限制，大大地提高了分离效率。液膜中起分离作用的流动载体或增溶添加剂，其含量约占总组成的百分之几。很少的载体或添加剂却能产生很高的分离效果，并且迅速地提高溶质的浓度。液膜过程损失有机物少，操作温度范围广，操作浓度的区间大。
但是，液膜作为一项正在发展中的新技术，不可避免地有着正待克服的严重缺点。首先，选择液膜的基本前提是它不溶于邻接的原料液和回收液，而一定程度的互溶又是不可避免的。这就引起了液膜的不稳定性和有关的膜寿命问题，因而直接影响到实际分离效果，同时造成了液膜体系的溶解损失，以及因溶解损失带来的污染环境等弊害。正因为如此，所以目前成功地应用液膜的范围还是比较窄的，特别是工业化的实例尚不多见。其次，由于液膜稳定性及液膜分离后的破乳等技术问题尚未很好解决，所以还难以实现工业化。
鉴于乳化液膜和支撑液膜存在的问题和不足，近年来人们又提出了膜萃取法。其传质过程是在把料液相和萃取相分开的微孔膜表面进行的，因此不存在通常萃取过程中的液滴的分散与聚合现象，可以减少萃取剂在料液中的夹带损失，不形成直接接触的液-液两相流动，可使选择萃取剂的范围大大改变，两相在膜两侧分别流动，使过程免受“返混”的影响和“液返”条件的限制，料液相与萃取相在膜两侧同时存在，可以避免膜内溶剂的流失。同时，传质效率大大提高。
膜萃取的研究工作始于80年代初，1985年D.O.Cooney和C.L.Jin使用中空纤维膜组件对含酚水溶液进行实验。Sirkar及其合作者对平板膜萃取和小型膜萃取器萃取的传质机制进行了广泛的研究。但是发展至今，膜萃取过程未见工业应用，未有适合工业化生产的科学合理的膜设备报导。
本实用新型的目的是设计一种效率高、成本低、装置简单的膜萃取-反萃设备。
膜萃取-反萃设备主要是三部分组成中空纤维萃取(反萃取)柱，萃取剂循环装置和反萃剂循环装置。它们如下循环串联萃取剂储槽→萃取柱→反萃柱→萃取剂储槽；另一循环是反萃剂储槽→反萃柱→反萃剂储槽。即萃取液流经萃取柱，萃取液经过萃取流出萃取柱后再流入连接的反萃柱，经过反萃后的萃取剂到达萃取剂储槽经循环泵再进入萃取柱循环使用，萃取剂储槽连接在萃取柱的一个进口，随时添加萃取剂，反萃剂储槽一端与反萃柱的一个进口连接，反萃液经过反萃后，从反萃柱的一个出口流出，经反萃柱出口流回反萃液储槽，反萃液中萃取物达到一定浓度后再予置换。反萃柱的另一对进出口是上述萃取柱出来的萃取液进入反萃柱的进出口。该设备工作时，萃取柱中中空纤维膜内走待处理液，膜外走萃取液，如此则反萃柱中也是膜外走从萃取柱中来的萃取液，膜内走反萃液，待处理液体经过如此循环，其中的萃取物进入反萃液中。也可与上述走向相反方法进行萃取与反萃。膜内待萃液与膜外萃取液逆向流动，使其充分接触，提高萃取效率。萃取柱和反萃取柱内是中空纤维膜组件，即中空纤维紧密排列、固定，其进出口从柱中引出。萃取柱和反萃柱各有两对进出口，分别是膜内腔和膜外壁的待萃液和萃取液或者是萃取液和反萃液的进出口。
本实用新型的设备中有萃取剂循环装置和反萃取剂循环装置，即萃取剂储槽中萃取液进入萃取柱时的控制装置，它们是从萃取剂储槽进入萃取柱时有循环泵、阀门和压力表，从反萃柱出来的萃取液经流量计和阀门后进入萃取剂储槽；同理，反萃取储槽也有同样装置一套。如果该装置用于废水处理，则如本实用新型图所示，废水从萃取柱下端进入膜纤维内，从上端流出；萃取剂从上端流入膜间隙，从下端流出进入反萃柱，同理，废水进、出萃取柱也需阀门、压力表和流量计一套装置。
在各种类型的膜组件中，中空纤维膜组件能在单位体积内提供最大的膜面积。材质要求能耐酸、耐碱、耐有机溶剂。可供选择的膜材料有聚砜(PS)、醋酸纤维素(CA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)。中空纤维的长度为150-1200mm，最佳为400-800mm。中空纤维的直径(内径)为0.15-1.2mm，最佳为0.3-0.8mm。中空纤维膜壁厚为20-500um，最佳为40-80um。中空纤维膜微孔孔径为0.01-0.8um，最佳为0.03-0.2um。
根据不同的分离对象，萃取剂可用中性磷类萃取剂、螯合萃取剂、酸性磷类萃取剂、胺类萃取剂以及混合萃取剂等各类萃取剂。
根据不同的分离对象，反萃剂可用酸、碱、盐等各类反萃取剂。作为反萃取剂必须能够把已渗入反萃相的溶解性物种(例如化合物)转变为一非渗透的形式，从而捕集该溶解化合物，并维持该化合物在反萃相中的低浓度。同时反应试剂本身也必须收集在反萃相中而不会渗出。
与通常的液液萃取或液膜萃取过程不同，膜萃取过程中，料液水相和有机相分别处于膜的两侧呈逆向流动，在中空纤维膜壁上的微孔内进行传质。由于微孔膜的疏水性(或亲水性)，膜一例的有机相(或料液水相)浸满膜壁上的微孔，在膜的另一侧表面与料液水相(或有机相)接触，实现传质。这样，膜萃取过程没有常规萃取过程中的液滴分散和聚合，也不形成液液直接接触的两相流动。所以，膜萃取过程能克服常规萃取装置的问题，由于膜萃取具有上述优势，因此本实用新型设计了简单易操作，成本低且效率高的萃取-反萃装置，以适应膜萃取工业化生产的需要。本装置可连续进行工作，广泛用于废水处理，溶剂分离等多种场合，且达到良好的分离效果。
用本实用新型装置处理废水达到良好的效果，举例如下1、从染料中间体废水中回收有机酸以该设备对上海某化工厂2-羟基-3奈甲酸(2,3酸)生产工艺废水处理进行了中试研究。2,3酸是一种重要的染料、颜料中间体。其生产工艺过程中有少量的2,3酸残留在废水中，难以用常规方法去除。在对该生产工艺废水进行沉淀、粗滤等预处理后，进膜萃取设备萃取。废水从萃取柱一侧中空纤维膜的内部通过，萃取剂(7301的煤油溶液)在中空纤维膜外部循环，2,3酸通过膜从废水相进入油相。萃取剂循环进入反萃柱一侧中空纤维膜外部，反萃剂(氢氧化钠溶液)在中空纤维膜内部循环，2,3酸通过膜从油相进入碱液相，与氢氧化钠反应形成钠盐。整个运行过程中，因为碱液相中的2,3酸始终维持低浓度，废水相中的2,3酸不断地进入油相，然后进入碱液相，生成2,3酸钠盐。钠盐经酸析、过滤后生成2,3酸。该方法既回收了有用物质，又消除了环境污染。2,3酸单级萃取效率均在92％以上，COD去除率在90％以上。2、从纤维纺丝废水中回收锌纤维纺丝废水中含有大量的锌，以常规的沉淀法需耗费大量的碱，且没办法回收。采用膜萃取法，以酸性磷类萃取剂(如D2EHPA)的煤油溶液为萃取剂，将纺丝废液中的锌从废水相萃入油相，然后以稀硫酸为反萃取剂将锌从油相反萃到稀硫酸相中回收锌。运行时，废水从萃取柱一侧中空纤维膜的内部通过，萃取剂(D2EHPA的煤油溶液)在中空纤维膜外部循环，锌离子通过膜从废水相进入油相。萃取剂循环进入反萃柱一侧中空纤维膜外部，反萃剂(稀硫酸溶液)在中空纤维膜内部循环，锌离子通过膜从油相进入稀硫酸相，与稀硫酸反应形成锌盐。整个运行过程中，因为稀硫酸相中的锌离子始终维持低浓度，废水相中的锌离子不断地进入油相，然后进入稀硫酸相，生成硫酸锌。该方法既回收了有用物质，又消除了环境污染。锌的单级萃取效率均在90％以上。
图1是本实用新型示意图。其中1是萃取柱，2是反萃柱，3是萃取剂储槽，4是反萃剂储槽，5是待处理废液进口，6是待处理废液出口，7是萃取柱的萃取剂进口，8是萃取柱的萃取剂出口，9是反萃柱的待萃液进口，10是反萃柱的待萃液出口，11是反萃柱的反萃液进口，12是反萃柱的反萃液出口，13是泵，14是阀门，15是压力表，16是流量计，数字后的A,B,C,D,E,F表示不同位置的同一配件实施例以20,000根中空纤维膜封装在长度为600mm的ABS塑料筒体中，制成中空纤维膜组件。膜组件上下有两个口与中空纤维内腔相通，筒体侧面也有两个口。取两个膜组件，一个为萃取柱，另一个为反萃柱。
以不锈钢材料制成直径为300mm，高度为500mm的尖底储槽。尖底下端开有一个放料口，一侧下部开有一个出料口，对侧中部开有一个回料口。取两个不锈钢储槽，一个为萃取剂储槽，另一个为反萃剂储槽。
将萃取柱、反萃柱，萃取剂储槽、反萃剂储槽固定在一不锈钢支架上，以ABS管道配件、塑料泵、流量计、阀门连接成萃取剂循环系统与反萃剂循环系统。如图所示。其中1是萃取柱，2是反萃柱，3是萃取剂储槽，4是反萃剂储槽，5是待处理废液进口，6是待处理废液出口，7是萃取柱的萃取剂进口，8是萃取柱的萃取剂出口，9是反萃柱的待萃液进口，10是反萃柱的待萃液出口，11是反萃柱的反萃液进口，12是反萃柱的反萃液出口，13是泵，14是阀门，15是压力表，16是流量计。
运行时，待处理废液通过阀门14-A、待处理废液进口5进入中空纤维萃取柱1内中空纤维内腔，萃后液通过待处理废液出口、流量计16-A、阀门14-B排出，通过调节阀门14-A、B可控制流量和压力。萃取剂由泵13-A从萃取剂储槽经过阀门14-C、萃取柱的萃取剂进口7进入中空纤维萃取柱1，通过中空纤维外壁时将内腔废液中相应成分络合，然后由萃取剂出口8流出，经反萃液进口11流入中空纤维反萃柱2内沿中空纤维外壁流过，最后经反萃柱的待萃液出口10流出，经流量计16-B、阀门14-D流回萃取剂储槽，萃取剂从流速与压力可通过阀门14-C、D控制。反萃剂由泵13-B从反萃剂储槽经过阀门14-E、反萃液进口11进入中空纤维反萃柱2，由2内中空纤维内腔流过时与外壁的待萃液中相应成分反应，然后由待萃液出口12流出，经流量计16-C、阀门14-F流回反萃剂储槽。
权利要求1.一种膜萃取-反萃一体化设备，包括中空纤维萃取柱，萃取剂、反萃剂循环装置，其特征是中空纤维萃取柱(1)与中空纤维反萃柱(2)是串联联接，它们与循环装置组成两组循环，它们是萃取剂储槽(3)与萃取柱一进口(7)连接，其出口(8)与反萃柱一进口(9)连接，反萃柱该出口(10)与萃取剂储槽连接；另一循环是反萃剂储槽(4)与反萃柱一进口(11)连接，其出口(12)与反萃剂储槽连接，萃取柱有另一进口(5)及其出口(6)是待处理液的进出口，每一柱的两对进、出口分别与中空纤维膜内腔、膜外壁相通，循环装置是连接在储槽进出口的阀门(14)、流量计(16)、泵(13)压力表(15)。
2.根据权利要求1所述的膜萃取-反萃一体化设备，其特征是萃取柱和反萃柱内中空纤维较好是长150-1200mm，内径0.15-1.2mm，纤维膜壁厚20-500um，膜孔径0.01-0.8um。
3.根据权利要求2所述的膜萃取-反萃一体化设备，其特征是萃取柱和反萃柱内中空纤维更合适的条件是，纤维长400-800mm，直径0.3-0.8mm，纤维膜壁厚40-80um，膜孔径0.03-0.2um。
专利摘要本实用新型是一种膜萃取—反萃一体化设备。目前关于膜萃取和反萃工作,多是关于基础理论研究,尚未见有工业化设备的报导。本实用新型通过膜萃取柱、膜反萃柱串联,配置提供萃取剂和反萃剂的储槽和循环装置,使废水、废液处理工作能连续进行,适合工业化生产,本实用新型设备单,易操作,且分离效果好。
文档编号B01D11/00GK2345264SQ98225669
公开日1999年10月27日 申请日期1998年11月16日 优先权日1998年11月16日
发明者孙卫明, 侯惠奇 申请人:复旦大学