CN109745733A - 一种基于中空泡沫材料的微型萃取装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微型萃取装置领域，具体地说是一种基于中空泡沫材料的微型萃取装置及其应用。该微型萃取装置的主要功能部件由中空泡沫材料构成，其在宏观上由三维连通的骨架网络构建而成，网络骨架自身为三维连通的具有中空结构的微通道，微通道管壁含有纳米级和微米级孔径的孔隙。采用本发明所述微型萃取装置的结构设计，制得具有三维连通网络的中空泡沫微型萃取装置。该中空泡沫微型萃取装置具有如下优势特点：三维连通中空微通道管壁自身内部具有丰富的孔隙，在萃取过程中能够提高萃取剂与待萃溶液的接触几率，同时微型萃取装置具有可模块化组装，便于自动化运行，萃取过程清洁高效。
Description
技术领域
本发明涉及微型萃取装置领域，具体地说是一种基于中空泡沫材料的微型萃取装置及其应用。
背景技术
萃取技术是一种利用组分在两互不相溶的溶剂之间的分配行为的差异进行分离的方法，已广泛应用于湿法冶金、化工生产、生物化学工程、制药工程等领域。然而，传统的萃取技术存在着有机溶剂易挥发且对人体有害，手工操作比较麻烦，费时，分离效率不高，分离级数多等诸多不足。因此，高效、绿色的萃取技术的开发与应用已逐渐成为研究热点。
在实际生产过程中，微型萃取装置由于其萃取效率高、装置小型化、易实现自动化、操作绿色环保等诸多优点已被广泛关注。其中，中空纤维萃取技术的发展最为迅速，已经在药物微萃取、样品检测前处理富集、样品分离等诸多应用技术中得到应用。然而，中空纤维萃取技术主要仍存在若干技术问题：一方面，目前的大量应用集中在利用高分子中空纤维材料进行研究，面临着有机溶剂溶胀，使用温度低，不耐化学腐蚀等技术问题；另一方面，由于大长径比的，尤其是直径为1mm的无机物中空纤维的制备难度较大，其应用研究受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于中空泡沫材料的微型萃取装置及其应用，解决现有技术中萃取效率低、材料不耐高温、不抗氧化、耐腐蚀性差、力学性能差、操作不环保、设备占用空间大等问题。
本发明的技术方案是：
一种基于中空泡沫材料的微型萃取装置，微型萃取装置以具有多孔管壁的中空泡沫材料为功能区域构成材料，由一个中空泡沫微萃取单元组件独立构成，或由两个以上或两种以上结构的中空泡沫微萃取单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成，每个微萃取单元组件由流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微萃取功能区构成；作为该微型萃取装置的功能区域构成材料的中空泡沫材料，其宏观结构为三维连通的骨架网络，网络骨架自身为三维连通的具有中空结构的微通道，微通道管壁内含有纳米级和微米级孔径的孔隙。
所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置，采取不同构型的流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微萃取功能区，形成基于中空泡沫材料的微型萃取装置的微萃取单元组件；微萃取单元组件中设置两个以上集流空腔、流体分流密封层和流体密封阻挡层，集流空腔通过流体分流密封层和流体密封阻挡层形成，流体引接口分别与集流空腔相连通，相邻集流空腔之间为中空泡沫微萃取功能区，中空泡沫微萃取功能区设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通网孔。
所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置，微萃取单元组件采用如下结构之一：
(1)微萃取单元组件为三明治式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置三个板块式集流空腔，形成板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔的三明治式微萃取单元组件；
(2)微萃取单元组件为三明治式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用板状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置三个板块式集流空腔，形成板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔的三明治式微萃取单元组件；
(3)微萃取单元组件为板块式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置两个板块式集流空腔，形成管状微萃取流体引接口/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/管状微萃取流体引接口的板块式微萃取单元组件；
(4)微萃取单元组件为板块式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用板状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置两个板块式集流空腔，形成板状微萃取流体引接口/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/板状微萃取流体引接口的板块式微萃取单元组件；
(5)微萃取单元组件为圆柱式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置两个圆柱式集流空腔，形成管状微萃取流体引接口/圆柱式集流空腔/中空泡沫/圆柱式集流空腔/管状微萃取流体引接口的圆柱式微萃取单元组件；
(6)微萃取单元组件为圆柱式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置一个圆柱式集流空腔和一个圆柱侧壁壳式集流空腔，形成管状微萃取流体引接口/圆柱式集流空腔/中空泡沫/圆柱侧壁壳式集流空腔/管状微萃取流体引接口的圆柱式微萃取单元组件。
所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置，构成该微型萃取装置的部分或所有功能区的主要组成物质是以下类别中的一种或两种以上：陶瓷材料、氧化物材料、金属及其合金或固溶体或金属间化合物材料、碳材料、高分子材料；
作为微型萃取装置主要功能部件的中空泡沫材料，宏观上三维连通网络结构的网孔尺寸为0.2mm～20mm，构成该中空泡沫材料网络骨架的中空微通道的外径尺寸为0.1mm～10mm，内径尺寸为0.02mm～9mm；
构成该基于中空泡沫材料的微型萃取装置主要功能部件的中空泡沫材料，其网络骨架的中空微通道的管壁的结构类型为以下的一种或两种以上的组合：均质、非均质、对称、非对称，中空微通道管壁含有的孔隙的孔径尺寸范围为0.1nm～100μm，中空微通道管壁具有的孔隙率为大于0～60％。
所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，在该微型萃取装置的应用过程中，萃取模式为如下两种中的任何一种：
(1)萃取剂在三维连通中空微通道内，待萃相在宏观三维连通网孔内；
(2)待萃相在三维连通中空微通道内，萃取剂在宏观三维连通网孔内。
所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，在所述的萃取模式中，萃取剂或待萃相是流动的，与之对应的待萃相或萃取剂是流动的或静止不流动的；萃取剂和待萃相两者之间的相互流动方向是如下方式中的一种或者两种以上：顺流、逆流、错流。
所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，在所述的萃取模式中，三维连通中空微通道内的或宏观三维连通网孔内的萃取剂或待萃相是以下流体类型中的一种或者两种：气体、液体、超临界流体、超超临界流体，或者预先装填在三维连通中空微通道内或宏观三维连通网孔内的如下物质中的一种或两种以上：固体物质、凝胶、溶胶；萃取剂和待萃相中的溶质利用物理萃取的方式萃取或利用化学萃取的方式萃取；
在所述的萃取模式中，对中空微通道管壁的内壁表面、外壁表面或管壁自身所含的纳米孔或微米孔隙中的一种或者两种以上部位，利用如下方法中的一种或两种以上进行表面改性以调节萃取性能：电镀法、化学镀法、溶液刻蚀法、阳极氧化法、溶胶-凝胶法、水热反应法、蒸汽相转化法、Langmuir-Blodgett法、物理气相沉积、化学气相沉积；
在所述的萃取模式中，采用上述表面改性方法，对中空微通道管壁的内壁表面、外壁表面或管壁自身所含的纳米孔或微米孔隙中的一种或者两种以上部位修饰如下类型的物质中的一种或两种以上：亲水性材料、疏水性材料、超亲水性材料、超疏水性材料、亲油性材料、超亲油性材料、亲水亲油材料、疏水疏油材料、纳米阵列材料、微米阵列材料。
所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，该微型萃取装置应用于如下领域：湿法冶金、生物工程、精细化工工程；其中：湿法冶金领域的应用包含但不限于如下元素的制备与提纯：钨、钼、钽、铌、钴、镍、钇、铪、铼、铀、钍、铋、锡、铜、铅、锌、钛、锰、钒、金、银、铂、钯、铟、钌、锇、铱、锗、镓、镧系稀土元素、锕系稀土元素；生物工程领域的应用包含但不限于如下用途：(1)蛋白质的分离、提纯、精制；(2)氨基酸的分离、提纯、精制；(3)抗生素的分离、提纯、精制；(4)维生素的分离、提纯、精制；(5)有机酸的分离、提纯、精制；(6)酶的分离、提纯、精制；(7)抗体的分离、提纯、精制；(8)天然或人工种植的动植物或菌类中有效成分的分离、提纯、精制；精细化工工程领域的应用包含但不限于如下用途：(1)香精、香料的制备、分离、提纯、精制；(2)光引发剂、光敏剂的制备、分离、提纯、精制；(3)农药的制备、分离、提纯、精制；(4)其它精细化学品、添加剂的制备、分离、提纯、精制。
所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，该微型萃取装置作为反萃装置。
所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，该萃取装置可应用于反应萃取过程，在如下一种或两种以上部位进行化学反应：宏观三维连通网孔、三维连通的中空微通道、微通道管壁自身所含的微米和纳米级孔隙、中空微通道管壁的内壁表面、中空微通道管壁的外壁表面，利用该装置反应产物或者反应副产物进行如下操作的一种或两种以上的操作：萃取分离、萃取提纯、萃取精制。
本发明的设计思想是：
中空泡沫材料是一种特殊的多孔材料，其宏观结构特征是以多边形封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成的三维连通网络骨架，骨架自身内部含有三维连通的中空微通道。尤其是具有多孔管壁的中空泡沫材料，其管壁能够为中空微通道中的物相与中空微通道外(即宏观三维连通网孔)的物相提供大量的接触位点，在微型萃取领域的应用正逐渐受到广泛的重视。
多孔管壁中空泡沫材料具有三种类型的孔隙：宏观三维连通网孔、三维连通的中空微通道、微通道管壁内的微米(和纳米)级孔隙。采用该中空泡沫材料作为核心微萃取功能区部件的基于中空泡沫材料的微型萃取装置，能够综合利用多类型孔隙与多级尺度孔隙，有利于提高流体的接触几率，提高萃取效率。因此，结合中空泡沫材料结构优点和微型萃取装置技术发展需求，将中空泡沫材料引入微型萃取装置的结构设计中，成功研制出基于中空泡沫材料的微型萃取装置，并针对其微萃取单元组件的结构提出设计方案，是本发明的主要创新点之一。
本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置，其主要核心功能部件由中空泡沫材料构成，其在宏观上由三维连通的骨架网络构建而成，具有三种类型的孔隙：宏观三维连通网孔、三维连通的中空微通道、微通道管壁内的微米(和纳米)级孔隙，网络骨架自身为三维连通的具有中空结构的微通道，微通道管壁含有纳米级和微米级孔径的孔隙。该基于中空泡沫材料的微型萃取装置综合利用多类型孔隙与多级尺度孔隙，三维连通中空微通道管壁自身内部具有丰富的孔隙，在萃取过程中能够提高萃取剂物相与待萃溶液物相之间的接触几率，提高萃取效率。同时，微型萃取装置具有可模块化组装，便于自动化运行，萃取过程清洁高效。
2、与一般的微型萃取装置相比，基于中空泡沫材料的微型萃取装置的宏观三维连通网孔可以将流体进行静态混合，实现萃取与静态混合的集成，无需机械搅拌。
3、本发明所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的构成材质种类广泛，具有较高传质效率，耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点。
4、本发明技术工艺简单，无需复杂设备。对应的微型萃取装置系统可以模块化生产与组装。
附图说明
图1为构成本发明微型萃取装置主要功能区的具有多孔管壁的中空泡沫材料的宏观形貌。
图2为本发明微萃取单元组件的代表性功能区示意图。其中，(a)图为主视图；(b)图为(a)图中虚线处放大图，虚线处为中空泡沫骨架横断面(中空微通道管壁横断面)。图中，1流体引接口；2集流空腔；3流体分流密封层；4流体密封阻挡层；5中空泡沫微萃取功能区；6中空微通道管壁外壁表面；7中空微通道管壁自身内孔隙；8中空微通道；9中空微通道管壁内壁表面；10宏观三维连通网孔。
图3为微萃取单元组件的结构(三明治式)：集流空腔/中空泡沫/集流空腔+管状微萃取流体引接口示意图。其中，(a)图为(c)图的A-A剖视图；(b)图为(c)图的B-B剖视图；(c)图为俯视图。图中，1流体引接口；2集流空腔；3流体分流密封层；4流体密封阻挡层；5中空泡沫微萃取功能区。
图4为微萃取单元组件的结构(三明治式)：集流空腔/中空泡沫/集流空腔+板状微萃取流体引接口示意图。其中，(a)图为(c)图的A-A剖视图；(b)图为(c)图的B-B剖视图；(c)图为俯视图。图中，1流体引接口；2集流空腔；3流体分流密封层；4流体密封阻挡层；5中空泡沫微萃取功能区。
图5为微萃取单元组件的结构(板块式)：集流空腔/中空泡沫/集流空腔+管状微萃取流体引接口示意图。其中，(a)图为(c)图的A-A剖视图；(b)图为(c)图的B-B剖视图；(c)图为俯视图。图中，1流体引接口；2集流空腔；3流体分流密封层；4流体密封阻挡层；5中空泡沫微萃取功能区。
图6为微萃取单元组件的结构(板块式)：集流空腔/中空泡沫/集流空腔+板状微萃取流体引接口示意图。其中，(a)图为俯视图；(b)图为(a)图的A-A剖视图；(c)图为(a)图的B-B剖视图。图中，1流体引接口；2集流空腔；3流体分流密封层；4流体密封阻挡层；5中空泡沫微萃取功能区。
图7(a)-图7(b)为圆柱式微萃取单元组件的结构。其中，图7(a)图为俯视图；图7(b)图为图7(a)图的A-A剖视图。图中，1流体引接口；2集流空腔；3流体分流密封层；4流体密封阻挡层；5中空泡沫微萃取功能区。
图8(a)-图8(c)为圆柱式微萃取单元组件的结构。其中，图8(a)图为俯视图；图8(b)图为图8(a)图的A-A剖视图；图8(c)为图8(a)的B-B剖视图。图中，1流体引接口；2集流空腔；3流体分流密封层；4流体密封阻挡层；5中空泡沫微萃取功能区。
具体实施方式
如图1所示，从宏观形貌看出，微型萃取装置以具有多孔管壁的中空泡沫材料为主要功能区构成材料，作为该微型萃取装置的主要核心功能区域主要构成材料的中空泡沫材料，其宏观结构为三维连通的骨架网络，网络骨架自身为三维连通的具有中空结构的微通道，微通道管壁内含有纳米级和微米级孔径的孔隙。
如图2(a)所示，本发明通过采取不同构型的流体引接口1、集流空腔2、流体分流密封层3、流体密封阻挡层4、中空泡沫微萃取功能区5，形成基于中空泡沫材料的微型萃取装置的微萃取单元组件。微萃取单元组件中设置两个以上集流空腔2、流体分流密封层3和流体密封阻挡层4，集流空腔2通过流体分流密封层3和流体密封阻挡层4形成，流体引接口1分别与集流空腔2相连通，相邻集流空腔2之间为中空泡沫微萃取功能区5，中空泡沫微萃取功能区5设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通网孔10。
如图2(b)所示，中空泡沫骨架的外表面为中空微通道管壁外壁表面6，中空泡沫骨架的内表面为中空微通道管壁内壁表面9，中空泡沫骨架上设置中空微通道管壁自身内孔隙7，中空泡沫骨架中心为中空微通道8。
在具体实施过程中，本发明所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置及其结构设计，可以是由一个中空泡沫微萃取单元组件独立构成，也可以是由多个或多种结构的中空泡沫微萃取单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成。所述的微萃取单元组件主要由如下功能区构成：流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微萃取功能区。其中：
(1)构成该微型萃取装置的部分或所有功能区的主要组成物质是以下类别中的一种或两种以上：陶瓷材料、氧化物材料、金属及其合金(或固溶体，或金属间化合物)材料、碳材料、高分子材料。
(2)作为微型萃取装置主要功能部件的中空泡沫材料，宏观上三维连通网络结构的网孔尺寸为0.2mm～20mm，构成该中空泡沫材料网络骨架的中空微通道的外径尺寸为0.1mm～10mm，内径尺寸为0.02mm～9mm。
(3)构成该基于中空泡沫材料的微型萃取装置主要功能部件的中空泡沫材料，其网络骨架的中空微通道的管壁的结构类型为以下的一种或两种以上的组合：均质、非均质、对称、非对称，中空微通道管壁含有的孔隙的孔径尺寸范围为0.1nm～100μm，中空微通道管壁具有的孔隙率为大于0～60％。
在该微型萃取装置的应用过程中，萃取模式可以为如下两种中的任何一种：
(1)萃取剂在三维连通中空微通道内，待萃相在宏观三维连通网孔内；
(2)待萃相在三维连通中空微通道内，萃取剂在宏观三维连通网孔内。
在所述的萃取模式中，萃取剂(或待萃相)可以是流动的，与之对应的待萃相(或萃取剂)可以是流动的，也可以是静止不流动的。萃取剂和待萃相两者之间的相互流动方向可以是如下方式中的一种或者两种以上：顺流、逆流、错流。
在所述的萃取模式中，三维连通中空微通道内的(或宏观三维连通网孔内的)萃取剂(或待萃相)可以是以下流体类型中的一种或者两种：气体、液体、超临界流体、超超临界流体，也可是预先装填在三维连通中空微通道内(或宏观三维连通网孔内)的如下物质中的一种或两种以上：固体物质、凝胶、溶胶。萃取剂和待萃相中的溶质可以是利用物理萃取的方式萃取，也可以是利用化学萃取的方式萃取。
在所述的萃取模式中，可以对中空微通道管壁的内壁表面、外壁表面或管壁自身所含的纳米孔或微米孔隙中的一种或者两种以上部位，利用如下方法中的一种或两种以上进行表面改性以调节萃取性能：电镀法、化学镀法、溶液刻蚀法、阳极氧化法、溶胶-凝胶法、水热反应法、蒸汽相转化法、Langmuir-Blodgett法、物理气相沉积、化学气相沉积。
在所述的萃取模式中，可以采用上述表面改性方法，对中空微通道管壁的内壁表面、外壁表面或管壁自身所含的纳米孔或微米孔隙中的一种或者两种以上部位修饰如下类型的物质中的一种或两种以上：亲水性材料、疏水性材料、超亲水性材料、超疏水性材料、亲油性材料、超亲油性材料、亲水亲油(两亲)材料、疏水疏油(两疏)材料、纳米阵列材料、微米阵列材料。
该微型萃取装置可应用于如下几个领域：湿法冶金、生物工程、精细化工工程。其中：湿法冶金领域的应用包含但不限于如下元素的制备与提纯：钨、钼、钽、铌、钴、镍、钇、铪、铼、铀、钍、铋、锡、铜、铅、锌、钛、锰、钒、金、银、铂、钯、铟、钌、锇、铱、锗、镓、镧系稀土元素、锕系稀土元素。生物工程领域的应用包含但不限于如下用途：(1)蛋白质的分离、提纯、精制；(2)氨基酸的分离、提纯、精制；(3)抗生素的分离、提纯、精制；(4)维生素的分离、提纯、精制；(5)有机酸的分离、提纯、精制；(6)酶的分离、提纯、精制；(7)抗体的分离、提纯、精制；(8)天然(或人工种植的)动植物(或菌类)中有效成分的分离、提纯、精制。精细化工工程领域的应用包含但不限于如下用途：(1)香精、香料的制备、分离、提纯、精制；(2)光引发剂、光敏剂的制备、分离、提纯、精制；(3)农药的制备、分离、提纯、精制；(4)其它精细化学品、添加剂的制备、分离、提纯、精制。
该微型萃取装置可应用于反萃过程，其反萃应用领域同上：湿法冶金、生物工程、精细化工工程。
该微型萃取装置应用于反应萃取过程时，即可以在如下一种或两种以上部位进行化学反应：宏观三维连通网孔、三维连通的中空微通道、微通道管壁自身所含的微米(和纳米)级孔隙、中空微通道管壁的内壁表面、中空微通道管壁的外壁表面，反应产物或者反应副产物再通过本发明前述的方式进行如下操作的一种或两种以上的操作：萃取分离、萃取提纯、萃取精制。
下面通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。
实施例1
本实施例中，微萃取单元组件为三明治式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，具体见附图3。
如图3所示，微萃取单元组件中设置三个板块式集流空腔2、流体分流密封层3和流体密封阻挡层4，集流空腔2通过流体分流密封层3和流体密封阻挡层4形成，流体引接口1分别与集流空腔2相连通，相邻集流空腔2之间为中空泡沫微萃取功能区5，形成板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔的三明治式微萃取单元组件。
实施例2
与实施例1不同之处在于，本实施例中，微萃取单元组件为三明治式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用板状微萃取流体引接口，具体见附图4。
如图4所示，微萃取单元组件中设置三个板块式集流空腔2、流体分流密封层3和流体密封阻挡层4，集流空腔2通过流体分流密封层3和流体密封阻挡层4形成，流体引接口1分别与集流空腔2相连通，相邻集流空腔2之间为中空泡沫微萃取功能区5，形成板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔的三明治式微萃取单元组件。
实施例3
本实施例中，微萃取单元组件为板块式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，具体见附图5。
如图5所示，微萃取单元组件中设置两个板块式集流空腔2、流体分流密封层3和流体密封阻挡层4，集流空腔2通过流体分流密封层3和流体密封阻挡层4形成，流体引接口1分别与集流空腔2相连通，相对设置的两个集流空腔2之间为中空泡沫微萃取功能区5，形成管状微萃取流体引接口/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/管状微萃取流体引接口的板块式微萃取单元组件。
实施例4
与实施例3不同之处在于，本实施例中，微萃取单元组件为板块式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用板状微萃取流体引接口，具体见附图6。
如图6所示，微萃取单元组件中设置两个板块式集流空腔2、流体分流密封层3和流体密封阻挡层4，集流空腔2通过流体分流密封层3和流体密封阻挡层4形成，流体引接口1分别与集流空腔2相连通，相对设置的两个集流空腔2之间为中空泡沫微萃取功能区5，形成板状微萃取流体引接口/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/板状微萃取流体引接口的板块式微萃取单元组件。
实施例5
本实施例中，微萃取单元组件为圆柱式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，具体见附图7。
如图7所示，微萃取单元组件中设置两个圆柱式集流空腔2、流体分流密封层3和流体密封阻挡层4，集流空腔2通过流体分流密封层3和流体密封阻挡层4形成，流体引接口1分别与集流空腔2相连通，相对设置的两个集流空腔2之间为中空泡沫微萃取功能区5，形成管状微萃取流体引接口/圆柱式集流空腔/中空泡沫/圆柱式集流空腔/管状微萃取流体引接口的圆柱式微萃取单元组件。
实施例6
本实施例中，微萃取单元组件为圆柱式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，具体见附图8。
如图8所示，微萃取单元组件中设置一个圆柱式集流空腔2和一个圆柱侧壁壳式集流空腔2、流体分流密封层3和流体密封阻挡层4，集流空腔2通过流体分流密封层3和流体密封阻挡层4形成，流体引接口1分别与集流空腔2相连通，相对设置的两个集流空腔2之间为中空泡沫微萃取功能区5，形成管状微萃取流体引接口/圆柱式集流空腔/中空泡沫/圆柱侧壁壳式集流空腔/管状微萃取流体引接口的圆柱式微萃取单元组件。
实施例结果表明，按照本发明所述的结构设计，所制备的基于中空泡沫材料的微型萃取装置，创新点在于该基于中空泡沫材料的微型萃取装置能够综合利用多类型孔隙与多级尺度孔隙，有利于提高萃取剂物相与待萃物相之间的接触几率，提高萃取效率。同时，可以解决现有技术中萃取效率低、材料不耐高温、不抗氧化、耐腐蚀性差、力学性能差、操作不环保、设备占用空间大等问题。
Claims (10)
1.一种基于中空泡沫材料的微型萃取装置，其特征在于，微型萃取装置以具有多孔管壁的中空泡沫材料为功能区域构成材料，由一个中空泡沫微萃取单元组件独立构成，或由两个以上或两种以上结构的中空泡沫微萃取单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成，每个微萃取单元组件由流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微萃取功能区构成；作为该微型萃取装置的功能区域构成材料的中空泡沫材料，其宏观结构为三维连通的骨架网络，网络骨架自身为三维连通的具有中空结构的微通道，微通道管壁内含有纳米级和微米级孔径的孔隙。
2.按照权利要求1所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置，其特征在于，采取不同构型的流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微萃取功能区，形成基于中空泡沫材料的微型萃取装置的微萃取单元组件；微萃取单元组件中设置两个以上集流空腔、流体分流密封层和流体密封阻挡层，集流空腔通过流体分流密封层和流体密封阻挡层形成，流体引接口分别与集流空腔相连通，相邻集流空腔之间为中空泡沫微萃取功能区，中空泡沫微萃取功能区设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通网孔。
3.按照权利要求1或2所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置，其特征在于，微萃取单元组件采用如下结构之一：
(1)微萃取单元组件为三明治式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置三个板块式集流空腔，形成板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔的三明治式微萃取单元组件；
(2)微萃取单元组件为三明治式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用板状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置三个板块式集流空腔，形成板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔的三明治式微萃取单元组件；
(3)微萃取单元组件为板块式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置两个板块式集流空腔，形成管状微萃取流体引接口/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/管状微萃取流体引接口的板块式微萃取单元组件；
(4)微萃取单元组件为板块式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用板状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置两个板块式集流空腔，形成板状微萃取流体引接口/板块式集流空腔/中空泡沫/板块式集流空腔/板状微萃取流体引接口的板块式微萃取单元组件；
(5)微萃取单元组件为圆柱式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置两个圆柱式集流空腔，形成管状微萃取流体引接口/圆柱式集流空腔/中空泡沫/圆柱式集流空腔/管状微萃取流体引接口的圆柱式微萃取单元组件；
(6)微萃取单元组件为圆柱式微萃取单元组件的结构设计，微萃取流体引接口采用管状微萃取流体引接口，微萃取单元组件中设置一个圆柱式集流空腔和一个圆柱侧壁壳式集流空腔，形成管状微萃取流体引接口/圆柱式集流空腔/中空泡沫/圆柱侧壁壳式集流空腔/管状微萃取流体引接口的圆柱式微萃取单元组件。
4.按照权利要求1或2所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置，其特征在于，构成该微型萃取装置的部分或所有功能区的主要组成物质是以下类别中的一种或两种以上：陶瓷材料、氧化物材料、金属及其合金或固溶体或金属间化合物材料、碳材料、高分子材料；
作为微型萃取装置主要功能部件的中空泡沫材料，宏观上三维连通网络结构的网孔尺寸为0.2mm～20mm，构成该中空泡沫材料网络骨架的中空微通道的外径尺寸为0.1mm～10mm，内径尺寸为0.02mm～9mm；
构成该基于中空泡沫材料的微型萃取装置主要功能部件的中空泡沫材料，其网络骨架的中空微通道的管壁的结构类型为以下的一种或两种以上的组合：均质、非均质、对称、非对称，中空微通道管壁含有的孔隙的孔径尺寸范围为0.1nm～100μm，中空微通道管壁具有的孔隙率为大于0～60％。
5.一种权利要求1所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，其特征在于，在该微型萃取装置的应用过程中，萃取模式为如下两种中的任何一种：
(1)萃取剂在三维连通中空微通道内，待萃相在宏观三维连通网孔内；
(2)待萃相在三维连通中空微通道内，萃取剂在宏观三维连通网孔内。
6.按照权利要求5所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，其特征在于，在所述的萃取模式中，萃取剂或待萃相是流动的，与之对应的待萃相或萃取剂是流动的或静止不流动的；萃取剂和待萃相两者之间的相互流动方向是如下方式中的一种或者两种以上：顺流、逆流、错流。
7.按照权利要求5所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，其特征在于，在所述的萃取模式中，三维连通中空微通道内的或宏观三维连通网孔内的萃取剂或待萃相是以下流体类型中的一种或者两种：气体、液体、超临界流体、超超临界流体，或者预先装填在三维连通中空微通道内或宏观三维连通网孔内的如下物质中的一种或两种以上：固体物质、凝胶、溶胶；萃取剂和待萃相中的溶质利用物理萃取的方式萃取或利用化学萃取的方式萃取；
在所述的萃取模式中，对中空微通道管壁的内壁表面、外壁表面或管壁自身所含的纳米孔或微米孔隙中的一种或者两种以上部位，利用如下方法中的一种或两种以上进行表面改性以调节萃取性能：电镀法、化学镀法、溶液刻蚀法、阳极氧化法、溶胶-凝胶法、水热反应法、蒸汽相转化法、Langmuir-Blodgett法、物理气相沉积、化学气相沉积；
在所述的萃取模式中，采用上述表面改性方法，对中空微通道管壁的内壁表面、外壁表面或管壁自身所含的纳米孔或微米孔隙中的一种或者两种以上部位修饰如下类型的物质中的一种或两种以上：亲水性材料、疏水性材料、超亲水性材料、超疏水性材料、亲油性材料、超亲油性材料、亲水亲油材料、疏水疏油材料、纳米阵列材料、微米阵列材料。
8.按照权利要求5所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，其特征在于，该微型萃取装置应用于如下领域：湿法冶金、生物工程、精细化工工程；其中：湿法冶金领域的应用包含但不限于如下元素的制备与提纯：钨、钼、钽、铌、钴、镍、钇、铪、铼、铀、钍、铋、锡、铜、铅、锌、钛、锰、钒、金、银、铂、钯、铟、钌、锇、铱、锗、镓、镧系稀土元素、锕系稀土元素；生物工程领域的应用包含但不限于如下用途：(1)蛋白质的分离、提纯、精制；(2)氨基酸的分离、提纯、精制；(3)抗生素的分离、提纯、精制；(4)维生素的分离、提纯、精制；(5)有机酸的分离、提纯、精制；(6)酶的分离、提纯、精制；(7)抗体的分离、提纯、精制；(8)天然或人工种植的动植物或菌类中有效成分的分离、提纯、精制；精细化工工程领域的应用包含但不限于如下用途：(1)香精、香料的制备、分离、提纯、精制；(2)光引发剂、光敏剂的制备、分离、提纯、精制；(3)农药的制备、分离、提纯、精制；(4)其它精细化学品、添加剂的制备、分离、提纯、精制。
9.按照权利要求8所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，其特征在于，该微型萃取装置作为反萃装置。
10.按照权利要求5所述的基于中空泡沫材料的微型萃取装置的应用，其特征在于，该萃取装置可应用于反应萃取过程，在如下一种或两种以上部位进行化学反应：宏观三维连通网孔、三维连通的中空微通道、微通道管壁自身所含的微米和纳米级孔隙、中空微通道管壁的内壁表面、中空微通道管壁的外壁表面，利用该装置反应产物或者反应副产物进行如下操作的一种或两种以上的操作：萃取分离、萃取提纯、萃取精制。
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