CN110339593A - 一种高通量液液萃取微流控装置及其萃取方法 - Google Patents

Abstract

一种高通量液液萃取微流控装置及其萃取方法，该装置包括水相入口集液腔、油相入口集液腔、水相出口集液腔、油相出口集液腔、水相入口微流道、油相入口微流道、接触萃取微通道、水相出口微通道和油相出口微通道，水相入口微流道和油相入口微流道与接触萃取微通道的一端连接，接触萃取微通道的另一端连接水相出口微通道和油相出口微通道；水相入口微流道、油相入口微流道和、水相出口微通道和油相出口微通道的另一端分别与水相入口集液腔、油相入口集液腔、水相出口集液腔和油相出口集液腔连接。其萃取方法包括同向萃取和逆向萃取。本发明能够连续通入并稳定输送样品溶液和萃取剂，提高了流体接触面积和萃取效率，适用于多种金属离子的萃取。

Description

一种高通量液液萃取微流控装置及其萃取方法

技术领域

本发明涉及一种利用液液萃取水溶液中目标金属离子的高通量微流控装置，属于金属离子萃取技术领域。

背景技术

微流体环境表现出小的流体尺寸，因此具有高的比表面，可以快速传递热量和质量。现有的微流控技术主要用来处理高价值或稀有样品，这些应用通常限于低流量，微流体系统特别适用于分析小样本大小，通常使用纳升级甚至微微升级的样本。微流控高通量系统的开发有助于提高微流控的处理量和产量，高通量微流体装置可用于工业化生产。

中国专利文献CN103459622A公开的《一种使用微流体萃取金离子的方法》。CN103348024B公开的《一种通过溶剂萃取从含水原料中获得目标金属离子的方法，》目标金属离子选自Pt、Pd、Fe、Co、Cu、Sn、Bi、ZnjPMn*的一种或多种。CN103146934A公开了一种《利用微流体技术萃取分离钴、镍的方法》。CN105274335A公开了一种《十字交叉型微流体萃取分离铜、铁、锌的方法》。CN103203258A公开了一种《用于液滴萃取的微流控芯片》。CN105126386B公开的《一种液液萃取的富集装置》，利用中空液滴实现快速萃取、分离。

以上现有的液液萃取微流体装置大多都是单通道，不适合连续性规模化生产。因此，急需一种高通量的液液萃取装置。

发明内容

本发明针对现有液液萃取微流体技术存在的不足，提供一种高通量液液萃取微流控装置，该装置可实现单一微通道萃取效率的高通量微流体处理，能够连续通入并稳定输送样品溶液和萃取剂。同时提供一种该装置的萃取方法。

本发明的高通量液液萃取微流控装置，采用以下技术方案：

该微流控装置，包括水相入口集液腔、油相入口集液腔、水相出口集液腔和油相出口集液腔，四个集液腔之间连接萃取单元；每个萃取单元包括水相入口微流道、油相入口微流道、接触萃取微通道、水相出口微通道和油相出口微通道，水相入口微流道和油相入口微流道与接触萃取微通道的一端连接，接触萃取微通道的另一端连接水相出口微通道和油相出口微通道；水相入口微流道、油相入口微流道、水相出口微通道和油相出口微通道的另一端分别与水相入口集液腔、油相入口集液腔、水相出口集液腔和油相出口集液腔连接。

所述接触萃取微通道的两端均设置有上接口和上接口，两端的上接口分别连接油相入口微流道和油相出口微通道，两端的下接口分别连接水相入口微流道和水相出口微通道。

所述接触萃取微通道的外形截面为圆形、三角形、椭圆形或菱形。

所述接触区萃取微通道的外径为100-1000微米。所述接触区萃取微通道的长度至多为5厘米。

所述接触区萃取微通道的内表面分布有凸起，所述凸起为颗粒状，平均高度为1-5微米，以提高液体流动的稳定性。

所述水相出口微通道和油相出口微通道上设置有金属离子浓度检测仪，以检测萃取离子的浓度。水相和油相的流速可以根据检测萃取后水相和油相的离子浓度来调整，保持萃取的稳定性。

上述装置的萃取方法采用以下两种方式之一：

(1)同向萃取：

将金属离子溶液存储在水相入口集液腔内，将萃取剂存储在油相入口集液腔内，对水相入口集液腔和油相入口集液腔同时加压，使金属离子溶液和萃取剂分别通过水相入口微流道和油相入口微流道进入接触萃取微通道；检测水相出口微通道和油相出口微通道流出的水相(萃取后的金属离子溶液)和油相(含金属离子的萃取剂)中金属离子浓度，根据检测的金属离子浓度控制油相入口集液腔和水相入口集液腔的液压，以此调整萃取流速，直至最终流出的水相和液相保持稳定；稳定萃取后，含金属离子的萃取剂储存在油相出口集液腔中，萃取后的金属离子溶液流入液相出口集液腔中；

(2)逆向萃取：

将金属离子溶液存储在水相入口集液腔内，将萃取剂存储在油相入口集液腔内，先给水相入口集液腔加压，使金属离子溶液通过水相入口微流道进入接触萃取微通道中，待金属离子溶液流速稳定后再给油相入口集液腔加压，使萃取剂经过油相入口微流道进入接触萃取微通道；检测水相出口微通道和油相出口微通道流出的水相(萃取后的金属离子溶液)和油相(含金属离子的萃取剂)中金属离子浓度，根据检测的金属离子浓度控制油相入口集液腔和水相入口集液腔的液压，以此调整萃取流速，直至最终流出的水相和液相保持稳定；稳定萃取后，含金属离子的萃取剂储存在油相出口集液腔中，萃取后的金属离子溶液流入液相出口集液腔中。

本发明拥有多个的萃取反应通道，并且多通道具有一致性，能够连续通入并稳定输送样品溶液和萃取剂，连续流动的样品溶液和萃取剂通过不同的微通道进入接触萃取微通道进行萃取反应，样品溶液和萃取剂可以取得大面积比接触，并实现萃取目标离子。完成萃取反应后，分别从微通道流至反应后的集液腔。

本发明在萃取反应中，轻相萃取溶剂在上部，重相样品在下部，这样设置相比左右放置提高了流体接触面积，进而提高萃取效率。可适当增加多通道的截面积，有效减小压降，更有利于萃取反应的稳定发生。

本发明适用于多种金属离子的萃取。

附图说明

图1是本发明高通量液液萃取微流控装置的结构原理示意图。

图2是本发明中一个萃取单元的结构示意图。

图3是本发明中接触萃取微通道的截面示意图。

图中：1.油相入口集液腔，2.油相入口微流道，3.水相入口微流道，4.水相入口集液腔，5.接触萃取微通道，6.油相出口微通道，7.油相出口集液腔，8.水相出口微通道，9.水相出口集液腔。

具体实施方式

本发明的高通量液液萃取微流控装置，如图1和图2所示，包括水相入口集液腔4、油相入口集液腔1、水相出口集液腔7和油相出口集液腔9，水相入口集液腔4用于存储目标原料溶液，其上开有多个孔或槽用于连接多个水相入口微流道3。油箱入口集液腔1用于存储有机溶剂，其上开有多个孔或槽用于连接多个油相入口微流道2。四个集液腔之间连接若干个萃取单元。

如图2，每个萃取单元包括水相入口微流道3、油相入口微流道2、接触萃取微通道5、水相出口微通道8和油相出口微通道6，水相入口微流道3、油相入口微流道2、水相出口微通道8和油相出口微通道6均与接触萃取微通道5连接。接触萃取微通道5是发生萃取反应的部件，其每一端均设置有上接口和下接口。水相入口微流道3用于输送目标原料溶液，其一端与水相入口集液腔4连接，另一端与接触萃取微通道5的一端下部接口连接。油相入口微流道2用于输送有机溶剂，其一端与油相入口集液腔1连接，一端与接触萃取微通道5一端的上部接口连接。接触萃取微通道5另一端的上部接口和下部接口分别连接水相出口微通道8和油相出口微通道6，水相出口微通道8和油相出口微通道6分别连接水相出口集液腔7和油相出口集液腔9。萃取后，含金属离子的萃取剂储存在油相出口集液腔7中，萃取过后的金属离子溶液流入液相出口集液腔9中。接触萃取微通道5的外形截面可以是如图3所示的圆形，也可以是三角形、椭圆形或菱形等其它形状。接触区萃取微通道5的外形横截面直径尺寸为100-1000微米，接触区萃取微通道5两端的整个长度至多5厘米。为提高流动稳定性，可在接触区萃取微通道5的内表面设置有颗粒状凸起，颗粒状凸起的平均高度为1-5微米。

水相出口微通道8和油相出口微通道6上设置有浓度检测仪，以检测萃取离子的浓度。水相和油相的流速可以根据检测萃取后水相和油相的离子浓度来调整，保持萃取的稳定性。

微流控具有高比表面积，可促进有机溶剂从目标原料中萃取出目标金属离子，各通道具有相同或相近性能，多通道高通量保证了工业化生产。轻的有机相在上，重的水相在下，具有更高的稳定性，可适当提高微通道截面积，从而降低整个系统压降。然后，有机溶剂与水相分离，高通量实现从原料中萃取分离目标金属离子，并转移至有机溶剂中。接触区萃取微通道5的上部与有机溶剂接触部分可做疏水处理，下部与目标原料溶液接触部分可做亲水处理，以提高流动的稳定性。

上述高通量的液液萃取空间微流控装置可采用飞秒激光辐照后化学蚀刻的方法制作。具体制备方法如下：

首先用聚焦飞秒激光逐点辐照熔融石英玻璃基板，飞秒激光光源为多通钛宝石光学参量放大系统，中心波长为1040nm，重复频率为1kHz。让照射点组成微流控装置的三维轮廓。根据具体需求改变激光的照射点，从而获得具体的通道形貌。然后将辐照过后的熔融石英玻璃基板浸入20％的氢氟酸(HF)中，温度为35℃。整个可视过程在温度控制的超声波浴中进行，蚀刻时长约为2h。蚀刻过程通过控制氢氟酸的浓度、环境温度以及蚀刻时间影响光影响区，对装置中通道尺寸和形状进行精确控制。蚀刻完成后，用去离子水和异丙醇溶液对基板进行清洗。对基板中的水相接触区进行亲水修饰，对基板中的油相接触区进行疏水修饰。将制作好的基板与水相入口集液腔4、油相入口集液腔1、水相出口集液腔7和油相出口集液腔9对应连接，获得高通量的液液萃取空间微流控装置。

将制备好的待萃取金属离子溶液存储在水相入集液腔3内。将用于萃取的萃取剂存储在油相入口集液腔1内。下面通过具体实施例对金属离子的萃取过程做进一步的详细说明。

实施例1

本实施例进行铜离子的同向萃取。

将制备好的铜离子溶液存储在水相入口集液腔4内，将萃取剂存储在油相入口集液腔1内，同时加压，水相(铜离子溶液)和油相(萃取剂)分别通过水相入口微流道3和油相入口微流道2进入接触萃取微通道5。萃取后，含铜离子的萃取剂由油相出口微通道6流入并储存在油相出口集液腔7中，萃取过后的铜离子溶液由水相出口微通道8流入并储存在液相出口集液腔9中。

刚开始，通过水相出口微通道8和油相出口微通道6流进水相出口集液腔9和油相出口集液腔7的水相(萃取过后的铜离子溶液)和油相(含铜离子的萃取剂)流速不稳定，通过检测水相出口微通道8和油相出口微通道6流出的水相和油相中铜离子浓度反馈控制油相入口集液腔1和水相入口集液腔4的液压，以此调整萃取流速，直至最终流出的水相和液相保持稳定并达到最佳萃取状态时，保持最佳状态，稳定萃取。稳定萃取后，萃取剂含萃取的铜离子并储存在油相出口集液腔7中，萃取过后的铜离子溶液流入液相出口集液腔9中。

实施例2

本实施例进行铜离子的铜离子的逆向萃取。

将油相入口集液腔1和油相出口集液腔7的位置进行调换。将制备好的铜离子溶液存储在水相入口集液腔4内，将萃取剂存储在油相入口集液腔1内。先给水相入口集液腔4加压，铜离子溶液通过水相入口微流道3进入接触萃取微通道5中。待铜离子溶液流速稳定后，再给油相入口集液腔1加压，使萃取剂经过油相入口微流道2进入接触萃取微通道5。萃取后，含铜离子的萃取剂由油相出口微通道6流入并储存在油相出口集液腔7中，萃取过后的铜离子溶液由水相出口微通道8流入并储存在液相出口集液腔9中。水相出口微通道8和油相出口微通道6中的浓度检测仪检测流体的铜离子浓度，并根据萃取后的水相和油相的铜离子浓度反馈控制油相入口集液腔1和水相入口集液腔4的液压，以此调整萃取流速，直至最终水相出口微通道8和油相出口微通道6流出的水相和油相保持稳定，并且达到最佳萃取状态。稳定萃取后，萃取液含萃取后的铜离子并存储在油相出口集液腔7中，萃取过后的铜离子溶液存储在液相出口集液腔9内。

Claims (8)

1.一种高通量液液萃取微流控装置，其特征是：包括水相入口集液腔、油相入口集液腔、水相出口集液腔和油相出口集液腔，四个集液腔之间连接萃取单元；每个萃取单元包括水相入口微流道、油相入口微流道、接触萃取微通道、水相出口微通道和油相出口微通道，水相入口微流道和油相入口微流道与接触萃取微通道的一端连接，接触萃取微通道的另一端连接水相出口微通道和油相出口微通道；水相入口微流道、油相入口微流道、水相出口微通道和油相出口微通道的另一端分别与水相入口集液腔、油相入口集液腔、水相出口集液腔和油相出口集液腔连接。

2.根据权利要求1所述的高通量液液萃取微流控装置，其特征是：所述接触萃取微通道的两端均设置有上接口和上接口，两端的上接口分别连接油相入口微流道和油相出口微通道，两端的下接口分别连接水相入口微流道和水相出口微通道。

3.根据权利要求1所述的高通量液液萃取微流控装置，其特征是：所述接触萃取微通道的外形截面为圆形、三角形、椭圆形或菱形。

4.根据权利要求1所述的高通量液液萃取微流控装置，其特征是：所述接触区萃取微通道的外径为100-1000微米，接触区萃取微通道的长度至多为5厘米。

5.根据权利要求1所述的高通量液液萃取微流控装置，其特征是：所述接触区萃取微通道的内表面分布有凸起。

6.根据权利要求5所述的高通量液液萃取微流控装置，其特征是：所述凸起为颗粒状，平均高度为1-5微米。

7.根据权利要求1所述的高通量液液萃取微流控装置，其特征是：所述水相出口微通道和油相出口微通道上设置有金属离子浓度检测仪。

8.一种权利要求1所述高通量液液萃取微流控装置的萃取方法，其特征是，采用以下两种方式之一：

(1)同向萃取：

将金属离子溶液存储在水相入口集液腔内，将萃取剂存储在油相入口集液腔内，对水相入口集液腔和油相入口集液腔同时加压，使金属离子溶液和萃取剂分别通，水相入口微流道和油相入口微流道进入接触萃取微通道；检测水相出口微通道和油相出口微通道流出的水相和油相中金属离子浓度，根据检测的金属离子浓度控制油相入口集液腔和水相入口集液腔的液压，以此调整萃取流速，直至最终流出的水相和液相保持稳定；稳定萃取后，含金属离子的萃取剂储存在油相出口集液腔中，萃取后的金属离子溶液流入液相出口集液腔中；

(2)逆向萃取：

将金属离子溶液存储在水相入口集液腔内，将萃取剂存储在油相入口集液腔内，先给水相入口集液腔加压，使金属离子溶液通过水相入口微流道进入接触萃取微通道中，待金属离子溶液流速稳定后再给油相入口集液腔加压，使萃取剂经过油相入口微流道进入接触萃取微通道；检测水相出口微通道和油相出口微通道流出的水相和油相中金属离子浓度，根据检测的金属离子浓度控制油相入口集液腔和水相入口集液腔的液压，以此调整萃取流速，直至最终流出的水相和液相保持稳定；稳定萃取后，含金属离子的萃取剂储存在油相出口集液腔中，萃取后的金属离子溶液流入液相出口集液腔中。