CN104258595B - 膜萃取装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及膜萃取技术领域，具体公开一种引流片、膜萃取组件、膜萃取装置及膜萃取方法。本发明的引流片包括布置在所述引流片上的图案化流道，所述图案化流道为开放式的；与所述图案化流道连通的进口和出口，所述进口和所述出口分别设于所述引流片的正反两侧；以及不与所述图案化流道连通的过液孔。本发明利用巧妙设计的引流板，在组装成膜萃取装置时，滤膜两侧的两相液体同时平行或相向流动，可以在保持两相接触面积的前提下，进一步提高滤膜两侧萃取液与原液的浓度差，从而提高萃取效率。

Description

膜萃取装置与方法

技术领域

本发明涉及膜萃取技术领域，特别涉及一种多级连续的膜萃取装置，以及膜萃取方法。

背景技术

膜萃取技术是将膜分离与萃取相结合的新型分离技术。其集采样、萃取、浓缩于一体，具有富集倍数高、净化效率高、有机溶剂用量少、成本低等特点。与传统的液-液接触萃取过程相比，膜萃取过程具有如下优点：(1)没有两相间的直接分散和聚结过程，减少了萃取剂的夹带损失，并放宽了对萃取剂密度、粘度、界面张力等的物性要求，扩大了萃取剂的选择范围；(2)料液相和萃取相各自在膜的两侧流动，流体流速可独立控制，避免两相间的“返混”；(3)不仅可节省设备空间、简化操作流程，还能实现传统液-液萃取无法轻易实现的同级萃取-反萃过程，提高过程的传质效率。

已有报道利用膜萃取-反萃技术，从盐湖卤水或海水中提取高价值碱金属的方法。该方法能有效地从低浓度含锂海水，或高镁锂比的盐湖卤水中提取锂、铷、铯等高价值碱金属；以及以海水或盐湖卤水为原料，生产锂、铷、铯等高价值碱金属盐类。

也有报道采用多级膜萃取生物综合处理系统，处理废水中的高氨氮。在处理过程中可以减少萃取剂在高氨氮废水相中的夹带损失，提高萃取效率，减少能量消耗。

膜萃取技术还可以应用于有机物处理，例如处理工业废水中的易挥发有机物(VOC)，包括卤代烃、卤代烯烃，以及苯酚。膜萃取技术还可以在电场的作用下提取稀土元素。

虽然膜萃取有众多的优点，但是受到萃取液和原液有限的接触面积的限制，使得膜萃取的总体效率与传统液-液萃取的效率依然相差甚远。因此还存在着改进膜萃取工艺，以提高其萃取效率的需要。

发明内容

本发明旨在克服现有膜萃取技术的缺陷，提高萃取效率，提供一种新型膜萃取装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种引流片，包括：布置在所述引流片上的图案化流道；与所述图案化流道连通的进口和出口，所述进口和所述出口分别设于所述引流片的正反两侧；以及不与所述图案化流道连通的过液孔。

一些实施例中，所述图案化流道可以为矩形、圆形、锯齿形，或其他形状。

一些实施例中，所述进口和所述出口的截面形状可以为矩形、梯形、三角形，或其他形状。

一些实施例中，所述过液孔可以为圆形、矩形，或其他形状。

一些实施例中，所述引流片可以由金属、有机材料或无机非金属材料制成。

另一方面，本发明提供一种膜萃取组件，包括：交叉叠置的至少一个第一引流片和至少一个第二引流片；以及插在相邻两个所述引流片之间的滤膜，所述滤膜与所述引流片的所述图案化流道形成封闭腔体，以允许液体在其中流动，其中，所述第一引流片和所述第二引流片被布置为使得：所述第一引流片的所述过液孔与相邻的所述第二引流片的所述进口或所述出口连通；并且所述第二引流片的所述过液孔与相邻的所述第一引流片的所述进口或所述出口连通。

一些实施例中，所述滤膜可以为平板膜。

一些实施例中，所述滤膜的材料在有机溶剂、水中不发生溶胀，并且可以选自金属、有机材料或无机非金属材料。

再一方面，本发明提供一种膜萃取装置，包括：本发明的膜萃取组件；固定压紧所述膜萃取组件的至少两个压紧板；以及开设在所述压紧板上的两个进液孔和两个出液孔，其中，所述两个进液孔分别与所述第一引流片和所述第二引流片的所述进口连通，并且其中，所述两个出液孔分别与所述第一引流片和所述第二引流片的所述出口连通。

再另一方面，本发明提供一种膜萃取方法，该方法使用本发明的膜萃取装置进行，并且包括：将萃取液和原液分别通入两个进液孔，以使它们分别在所述滤膜两侧的所述第一引流片和所述第二引流片的图案化流道中流动；以及分别从两个出液孔接取经膜萃取的萃取液和原液。

本发明的有益效果在于：使用巧妙设计的引流板，在组装成膜萃取装置时，滤膜两侧的两相液体同时在图案化的复杂流道内平行或相向连续流动，可以在保持两相接触面积的前提下，进一步提高滤膜两侧萃取液与原液的浓度差，从而提高萃取效率。

附图说明

图1和图2分别示意性示出根据本发明一个实施例的引流板的正反面结构。

图3为根据本发明一个实施例的膜萃取组件的结构示意图。

图4为根据本发明一个实施例的膜萃取装置的结构示意图。

图5为根据本发明的一个实施例的膜萃取方法的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

首先参考图1和图2，分别示出根据本发明一个实施例的引流片10的正反面。

引流片10包括图案化流道11、进口12、出口13和过液孔14。进口12和出口13与图案化流道11连通，并且分别在引流片10的正反两侧。过液孔14不与所述图案化流道连通。引流片10可以由金属、有机材料或无机非金属材料制成，并且优选为刚性材料，以保持形状稳定。

在该实施例中，引流片10为矩形，其中的图案化流道11也相应地为矩形布置。然而，应理解，引流片10可以为其他形状，例如圆形，并且其中的图案化流道11也可以为圆形、锯齿形，或其他形状。引流片10中图案化流道11的尺寸和数量都可以随着需要改变。进口12和出口13的截面形状不受限制，例如可以为矩形、梯形、三角形，或其他形状。过液孔14的形状也可以为圆形、矩形等等。

图案化流道11为开放式的，从而在被组装成膜萃取装置时，滤膜20覆盖在引流片10的正反两面，并与开放式的图案化流道11形成封闭的腔体，以使液体在滤膜20两侧流动并与滤膜20接触，实现萃取。

在该实施例中，图案化流道11布置在引流片10中部，进口12、出口13、过液孔14布置在引流片10的侧边上。并且进口12和出口13位于矩形引流片10的一个侧边，而过液孔14位于相对的侧边上。然而应理解，这种布置仅为示例性的，进口12、出口13、过液孔14中的一个或多个也可以布置在引流片10的中部，或其他位置。并且进口12、出口13和过液孔也可以分别在引流片10的相同或不同侧边，或者其他地方。只要是进口12和出口13分别在引流片10的正反两面。

进口12和出口13的结构可以相同或不同，其名称上的区别仅表示液体在引流片10中的流动方向，并且可以根据需要互换地使用。

参考图3，示出根据本发明一个实施例的膜萃取组件。在该实施例中，膜萃取组件包括交叉叠置的至少一个第一引流片101和至少一个第二引流片102。相邻的两个引流片101与102之间插放有滤膜20。即“第一引流片-滤膜-第二引流片-滤膜-第一引流片-滤膜-第二引流片……”。

为了清楚显示膜萃取组件的构成，图3中的结构为示意性的，对引流片10与滤膜20之间的距离进行了放大。应理解，在实际应用中滤膜20是覆盖在引流片101和102上的。滤膜20与引流片101、102的图案化流道11形成封闭的腔体，液体可以在该封闭腔体中流动。

第一引流片101和第二引流片102在结构上可以是相同的，名称的区别仅是表示在其中流动的液体。例如第一引流片101中流动的为萃取液，而第二引流片102中流动的为原液；或者相反。由于每个滤膜20两侧分别为第一引流片101和第二引流片102，使得萃取液和原液被滤膜20隔开，并分别在滤膜20的两侧的流道中流动，以进行膜萃取。

为了实现萃取液和原液的这种流动方式，引流片10的布置应满足以下条件：第一引流片101的过液孔14与相邻的第二引流片102的进口12或出口13连通；并且第二引流片102的过液孔14与相邻的第一引流片101的进口12或出口13连通。

也就是说，对于在第一引流片101中流动的萃取液或原液而言，由于两个第一引流片101之间间隔有一个第二引流片102，因此，需要通过第二引流片102的过液孔14，从一个第一引流片101的出口13进入下一个第一引流片101的进口12。相应地，对于在第二引流片102中流动的原液或萃取液而言，也需要通过第一引流片101的过液孔14，从一个第二引流片102的出口13进入下一个第二引流片102的进口12。

如此，萃取液和原液之间始终由引流片10之间的滤膜20隔开，始终保持萃取液和原液在滤膜两侧的流道11内流动，最大限度地保持两边的浓度差，并在滤膜20两侧进行传质和萃取，实现多级连续萃取的功能。

在该实施例中，由于引流片10为矩形设计，其入口12和出口13位于矩形的一个侧边的相反两面，且位置对应；而过液孔14则位于引流片10相对的另一侧边的对应位置处。这种巧妙设计，使得可以在膜萃取组件中，使用结构完全相同的引流片10，并且通过叠置方向的差别区分第一引流片101和第二引流片102。

具体地，多个第一引流片101以相同取向叠置，多个第二引流片101以与第一引流片101相反的取向叠置，并且交叉在相邻的第一引流片101之间。每个第一引流片101的过液孔14连通相邻两个第二引流片102的进口12和出口13；每个第二引流片102的过液孔14连通相邻两个第一引流片101的入口12和出口13。

然而应理解，该实施例的这种结构和布置仅为示例性的，也可以采用其他结构的膜萃取组件和布置方式。例如当引流片10为圆形结构时，通过设置各个引流片的相对旋转角度，实现这样的液体流动方式。

该实施例中示出了五个引流片10以及夹在相邻两个引流片10之间的四个滤膜20。然而这仅为示例性的，本领域技术人员可以根据需要适当增减引流片10和滤膜20的数目。

滤膜20优选为平板膜，以确保与液体的接触面积，以及组件结构、性能的稳定性。滤膜20应在有机溶剂、水中不发生溶胀，并且可以由金属、有机材料或无机非金属材料制成。

参考图4，示出根据本发明一个实施例的膜萃取装置。该装置中，使用两个压紧板压紧膜萃取组件。由于在该实施例中膜萃取装置的布置形式，压紧板分别为顶板301和底板302。压紧板上开设两个进液孔31和两个出液孔32，分别用于萃取液和原液的进入，以及经膜萃取后的萃取液和原液的流出。

为此，两个进液孔31分别与第一引流片101和第二引流片102的进口12连通；两个出液孔32分别与第一引流片101和第二引流片102的出口13连通。

在该实施例中，由于液体的流动方式均为从上面的引流片10流向下面的引流片10，因此，进液孔31开设在顶板301上，而出液孔32开设在底板302上。

应理解，这里对进液孔31和出液孔32的区别仅用于区分液体流向。在其他实施例中，例如，当液体反向流动时，进液孔与出液孔也可以对调使用。

此外，在该实施例中，两个进液孔31均位于顶板301上，而两个出液孔32均位于底板302上。但应理解，这仅为示例性的，在例如原液和萃取液相向流动的萃取过程中，两个进液孔中的一个可以位于顶板301上，而另一个进液孔则位于底板302上，相应地，两个出液孔中的一个可以位于顶班301上，而另一个出液孔则位于底板302上。

图4的膜萃取装置中，使用二十个引流片10整合在一起构成的膜萃取组件，其中十个为第一引流片101，十个为第二引流片102。引流片10之间采用螺丝杆固定，在图示的实施例中，共使用五个螺丝杆。膜萃取组件的顶面和底面采用两个压紧板(顶板301和底板302)压实，螺丝杆下部和底板302采用螺纹连接，螺丝杆上部采用螺帽旋紧。

工作时，在顶板301的两个进液孔31之一中通入萃取液，另一个进液孔31通入原液，萃取液经过膜萃取装置内部后，萃取液从底板302的出液孔32之一，另一个出液孔32中流出经膜萃取的原液。

参考图5，示出根据本发明一个实施例，使用本发明的膜萃取装置进行膜萃取的方法。在实施例中，可以使用泵40将桶中的萃取液和原液分别通入两个进液孔31，以使它们分别在滤膜20两侧的第一引流片101和第二引流片102的图案化流道11中流动；并分别从两个出液孔32接取经膜萃取的萃取液和原液。为保证原液(在该实施例中为水相)与萃取液(在该实施例中为有机相)之间没有渗漏，优选使水相的压力比有机相压力大0.01MPa-0.02MPa。图5仅示出该膜萃取方法的范例，应理解经膜萃取的萃取液和原液也可以被通入另外的接收装置中。

实施例1-膜萃取实验

该实施例采用与图4所示类似的膜萃取装置，区别在于使用五十片引流片。引流片材质为聚四氟乙烯，外形为0.4m×0.4m的正方形，厚度为5mm，内部流道为矩形，矩形截面积为0.00004m²。

滤膜为上海洁晟环保科技有限公司生产的专用萃取平板膜片，其过滤层为纤维素层，在有机溶剂中不发生溶胀，是很好的萃取专用膜材料。

原液使用含锂离子的盐湖卤水，盐湖卤水中的离子含量如表1所示；萃取液由N,N-二(1-甲庚基)乙酰胺/磷酸三丁酯/200号煤油以2:2:6质量比组成。

表1原液盐湖卤水中离子含量表:

原液盐湖卤水密度1.29kg/L,pH1.67。

萃取的目的是用萃取液萃取盐湖卤水中的锂离子。

将原液泵入一个进液孔，萃取液泵入另一个进液孔，经过装置内部的引流片流道和膜间萃取，原液从一个出液孔出来，萃取液从另一个出液孔出来，至此完成一个萃取流程，一次流完。

原液水相流速为133ml/min，萃取液有机相流速为67ml/min，原液体积为4L，萃取液体积为2L。保持原液水相压力大于萃取液有机相压力0.01MPa。

盐湖卤水中的锂离子和萃取液中的锂离子采用电感耦合等离子体检测仪(ICP)测定。萃取率采用如下公式计算：

$Q=1-\frac{C_2}{C_1}---\left(1\right)$

式(1)中：Q为萃取率，C₁为萃取前原液中锂离子的浓度，C₂为萃取后原液中锂离子的浓度。

对照实施例1

将原液和萃取液装入分液漏斗，原液为盐湖卤水，萃取液由N,N-二(1-甲庚基)乙酰胺/磷酸三丁酯/200号煤油以2:2:6质量比组成，原液体积为100ml，萃取液体积为50ml。经手摇震荡20分钟，静置，待两种溶液分层，盐湖卤水原液在下层，萃取液在上层，打开分液漏斗阀门，排放掉下层的原液，实现原液和萃取液的分离。

实施例2-膜萃取实验

该实施例采用与图4相同的膜萃取装置，二十片引流片。引流片材质为聚乙烯，外形为0.5m×0.5m的正方形，厚度为6mm，内部流道为矩形，矩形截面积为0.00007m²。

滤膜为市售PP平板膜片，它在有机溶剂中不发生溶胀，是很好的萃取专用膜材料。

原液为乙酸水溶液，萃取液为甲基异丁酮。目的是萃取水溶液中的乙酸。

将原液泵入一个进液孔，萃取液泵入另一个进液孔，经过装置内部的引流片流道和膜间萃取，原液从一个出液孔出来，萃取液从另一个出液孔出来，至此完成一个萃取流程。利用原料泵和萃取液泵的输送，流出液继续通入进口，通过两相的不断循环，提高萃取效果。

原液水相流速为200ml/min，萃取液有机相流速为100ml/min，原液体积为4L，萃取液体积为4L。保持原液水相压力大于萃取液有机相压力0.02MPa。

乙酸水溶液中的乙酸浓度采用紫外可见分光光度计测量，萃取率采用如下公式计算：

$Q=1-\frac{C_2}{C_1}---\left(1\right)$

式(1)中：Q为萃取率，C₁为萃取前原液中乙酸的浓度，C₂为萃取后原液中乙酸的浓度。

对照实施例2

将原液和萃取液装入分液漏斗，原液为乙酸水溶液，萃取液是甲基异丁酮，原液与萃取液的体积比为1:1，经手摇震荡30分钟，静置，待两种溶液分层，乙酸水溶液原液在下层，甲基异丁酮萃取液在上层，打开分液漏斗阀门，排放掉下层的原液，实现原液和萃取液的分离。

萃取效果对比如表2所示。

表2萃取效果表

从表2的对照数据可见，与对照实施例采用的传统液-液接触萃取方法相比，采用本发明的多级连续膜萃取装置，在保证萃取率和萃取时间与传统的液-液萃取技术相当的前提下，将原液与萃取液完全分开，减少了夹带损失和环境污染，同时使得萃取过程能够连续进行，尽量减少了人工操作。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种引流片(10)，其特征在于，包括：

布置在所述引流片上的图案化流道(11)，所述图案化流道(11)为开放式的；

与所述图案化流道(11)连通的进口(12)和出口(13)，所述进口(12)和所述出口(13)分别设于所述引流片(10)的正反两侧；以及

不与所述图案化流道(11)连通的过液孔(14)。

2.如权利要求1所述的引流片(10)，其特征在于，所述图案化流道(11)为矩形、圆形或锯齿形。

3.如权利要求1所述的引流片(10)，其特征在于，所述进口(12)和所述出口(13)的截面形状为矩形、梯形或三角形。

4.如权利要求1所述的引流片(10)，其特征在于，所述过液孔(14)为圆形或矩形。

5.如权利要求1所述的引流片(10)，其特征在于，所述引流片(10)由金属、有机材料或无机非金属材料制成。

6.一种膜萃取组件，其特征在于，包括：

交叉叠置的至少一个第一引流片(101)和至少一个第二引流片(102)，所述第一引流片(101)和所述第二引流片(102)为权利要求1-5任一项所述的引流片(10)；以及

插在相邻两个所述引流片(101、102)之间的滤膜(20)，所述滤膜(20)与所述引流片(101、102)的所述图案化流道(11)形成封闭腔体，以允许液体在其中流动，

其中，所述第一引流片(101)和所述第二引流片(102)被布置为使得：

所述第一引流片(101)的所述过液孔(14)与相邻的所述第二引流片(102)的所述进口(12)或所述出口(13)连通；并且

所述第二引流片(102)的所述过液孔(14)与相邻的所述第一引流片(101)的所述进口(12)或所述出口(13)连通。

7.如权利要求6所述的膜萃取组件，其特征在于，所述滤膜(20)为平板膜。

8.如权利要求6所述的膜萃取组件，其特征在于，所述滤膜(20)的材料在有机溶剂、水中不发生溶胀，并且选自金属、有机材料或无机非金属材料。

9.一种膜萃取装置，其特征在于，包括：

权利要求6-8任一项所述的膜萃取组件；

固定压紧所述膜萃取组件的至少两个压紧板；以及

开设在所述压紧板上的两个进液孔(31)和两个出液孔(32)，

其中，所述两个进液孔(31)分别与所述第一引流片(101)和所述第二引流片(102)的所述进口(12)连通，并且

其中，所述两个出液孔(32)分别与所述第一引流片(101)和所述第二引流片(102)的所述出口(13)连通。

10.一种膜萃取方法，其特征在于，使用权利要求9所述的膜萃取装置，并且包括：

将萃取液和原液分别通入两个进液孔(31)，以使它们分别在所述滤膜(20)两侧的所述第一引流片(101)和所述第二引流片(102)的图案化流道(11)中流动；以及

分别从两个出液孔(32)接取经膜萃取的萃取液和原液。