CN113441197A - 赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利提供一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片及其设计方法，属于精密设备技术领域。本发明装置较传统的赤泥处理方式，采取微流控技术，针对赤泥中的特有的金属离子，设计了即时检测微流控芯片，先检测赤泥中各金属离子的含量，并根据其活跃性质和价值几何，针对性地萃取赤泥中的金属离子，使赤泥资源综合利用率和经济效益最大化，检测环节对萃取环节提供了理论依据，可以更加高效的萃取赤泥中的金属离子。同时，以较少的萃取剂提高萃取效率，减少杂质影响，缩短萃取流程。

Description

赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片及其设计方法
技术领域
本发明属于精密设备技术领域，具体涉及赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片及其设计方法。
背景技术
赤泥是铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物，具有强碱性、高盐度且成分和性质复杂。赤泥内部金属氧化物含量丰富，除了含有Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaO、TiO2等，还有相当数量的稀土元素和放射性元素，如钪(60～120g/t)、镓(60～80g/t)、钇(60～150g/t)、铀(50～60g/t)等。不同产地的赤泥由于环境因素、提炼方式的影响，赤泥中各有价元素的含量也不相同。
我国每年每生产1吨的氧化铝则有1～2吨的赤泥产出，截至目前全球赤泥累积堆存量已超过42亿吨。但是，目前国内赤泥的处置方法还很有限，主要为露天筑坝堆放，利用率仍不足4％。不仅占用大量的土地资源，还会对周围大气、水、土壤、微生物等环境造成严重污染。因此，如果能对赤泥资源中有价组分充分回收，严格控制赤泥自身的高碱性和浸出毒性，不仅可以有效减少赤泥对环境的威胁和污染，还可以完成资源回收和再利用，最终实现赤泥资源综合利用率和经济效益最大化。
本发明专利的微流控检测萃取芯片具有集成化、高效率、经济性的特点。其原理就是利用微流控芯片微通道内流体特性，采用集成化方式，将检测芯片同萃取芯片集成的新型装置。其优点是将检测功能和萃取功能集成到一张芯片上，通过检测显示，可对目标元素针对性萃取，以较少的萃取剂提高萃取效率，减少杂质影响，缩短萃取流程，对赤泥中的有价元素做到了最大限度地富集，将经济效益最大化。因此基于检测萃取集成技术对于赤泥资源综合利用率有很大提高。
以往的赤泥萃取技术经酸浸出进入溶液，再通过萃取或离子交换富集得到含量较高的产物，但萃取过程中杂质脱除和产品纯度问题不能得到有效解决。利用检测萃取集成芯片对赤泥进行有价金属的提取，不仅有效减少了萃取剂的使用剂量，同时能够达到较高的富集倍率，对最大限度实现赤泥的资源化有重要的意义。
发明内容
本发明专利提供了赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片，用于解决赤泥资源化综合利用问题，减少对环境的污染。
一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片，其特征在于，包括：顶盖、即时检测微流控芯片、双Ψ型通道微流控芯片、底座；
所述底座、双Ψ型通道微流控芯片、即时检测微流控芯片、顶盖依次从下到上叠加连接；
优选的，所述底座上中部开有废液池，废液池一侧连通三级出液口；
优选的，所述双Ψ型通道微流控芯片上中部为金属离子萃取区；金属离子萃取区左侧连接萃取剂进液口，右侧连接萃取剂收集口；金属离子萃取区的左右两端分别开有试样二级进液口和二级出液口；进液口和出液口直径为0.7mm，通道宽度和深度均为0.4mm；倾斜角度为45°；金属离子萃取区通道长度为14mm，宽度为0.6mm；
优选的，所述即时检测微流控芯片中部为金属离子检测区，在金属离子检测区左侧分别开有试样一级进液口二和检测剂进液口二，其中试样一级进液口二再与试样二级进液口连通；金属离子检测区右侧开有一级出液口，且右侧上有毛细管泵；进液口和出液口直径为0.7mm；金属离子检测区的检测通道长度为11mm，宽度为0.8mm；毛细泵长度为7mm，宽度为1mm；
优选的，所述顶盖上开有试样一级进液口一和检测剂进液口一。
一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将赤泥试样从试样一级进液口通入检测芯片，金属离子检测剂从检测剂进液口进入检测芯片，通过微型计算机控制出入口阀体，使赤泥试样与金属离子检测剂充分反应，检测完成后的废液通过一级出液口排入废液池；
S2：检测完成后，关闭试样一级进液口，开启试样二级进液口，同时，从萃取剂进液口通入目标离子萃取剂，控制入口流速，使萃取剂和赤泥试样在金属离子萃取区形成稳定的层流；
S3：由于萃取剂目标离子浓度低于赤泥试样，萃取剂将赤泥试样中的目标离子萃取出来，富含目标离子萃取剂从萃取剂收集口进行收集，萃取过后的废液从二级出液口流入废液池；
S4：萃取实验完成后，废液从三级出液口收集回收，避免废液污染环境。
本发明的有益效果：
1)即时检测微流控芯片利用微型计算机控制通道的出入口，可以暂停和启动，能保证试样和检测剂充分反应，同时可以对试样多次检测，确定目标离子。
2)通过检测模块可以为萃取环节提供理论依据，针对目标离子选择合适萃取剂，微通道内形成层流状态，有效减少萃取剂的使用，提高富集倍率。
3)检测萃取并联型集成芯片具有可扩展性，除了可以用于赤泥试样中有价元素萃取，其他含多种离子溶液也可以进行检测萃取。同时，还可以并联多级的检测萃取模块，对溶液中多种金属离子进行萃取。
附图说明
图1是本发明专利赤泥中有价金属离子检测萃取并联型集成芯片结构示意图；
图2是集成芯片顶盖结构示意图；
图3是即时检测微流控芯片结构示意图；
图4是双Ψ型通道微流控芯片结构示意图；
图5是集成芯片底座结构示意图；
附图中各附图标号所代表的结构名称为：
1-顶盖，1-1-试样一级进液口一，1-2-检测剂进液口一，2-即时检测微流控芯片，2-1-试样一级进液口二，2-2-检测剂进液口二，2-3-金属离子检测区，2-4-毛细管泵，2-5-一级出液口，2-6-试样二级进液口，3-双Ψ型通道微流控芯片，3-1-萃取剂进液口，3-2-金属离子萃取区，3-3-二级出液口，3-4-萃取剂收集口，3-5-试样二级进液口，4-底座，4-1-废液池，4-2-三级出液口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片，其特征在于，包括：顶盖(1)、即时检测微流控芯片(2)、双Ψ型通道微流控芯片(3)、底座(4)；
所述底座(4)、双Ψ型通道微流控芯片(3)、即时检测微流控芯片(2)、顶盖(1)依次从下到上叠加连接；
优选的，所述底座(4)上中部开有废液池(4-1)，废液池(4-1)一侧连通三级出液口(4-2)；
优选的，所述双Ψ型通道微流控芯片(3)上中部为金属离子萃取区(3-2)；金属离子萃取区(3-2)左侧连接萃取剂进液口(3-1)，右侧连接萃取剂收集口(3-4)；金属离子萃取区(3-2)的左右两端分别开有试样二级进液口(3-5)和二级出液口(3-3)；进液口和出液口直径为0.7mm，通道宽度和深度均为0.4mm；倾斜角度为45°；金属离子萃取区通道长度为14mm，宽度为0.6mm；
优选的，所述即时检测微流控芯片(2)中部为金属离子检测区(2-3)，在金属离子检测区(2-3)左侧分别开有试样一级进液口二(2-1)和检测剂进液口二(2-2)，其中试样一级进液口(2-1)再与试样二级进液口(2-6)连通；金属离子检测区(2-3)右侧开有一级出液口(2-5)，且右侧上有毛细管泵(2-4)；进液口和出液口直径为0.7mm；金属离子检测区的检测通道长度为11mm，宽度为0.8mm；毛细泵长度为7mm，宽度为1mm；
优选的，所述顶盖(1)上开有试样一级进液口一(1-1)和检测剂进液口一(1-2)。
实施例2
利用实施例1制得的赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片对赤泥试样进行检测：
S1：将赤泥试样从试样一级进液口一(1-1)通入检测芯片，金属离子检测剂从检测剂进液口一(1-2)进入检测芯片，通过微型计算机控制出入口阀体，使赤泥试样与金属离子检测剂充分反应，检测完成后的废液通过一级出液口(2-5)排入废液池(4-1)；
S2：检测完成后，关闭试样一级进液口二(2-1)，开启试样二级进液口(2-6)，同时，从萃取剂进液口(3-1)通入目标离子萃取剂，控制入口流速，使萃取剂和赤泥试样在金属离子萃取区(3-2)形成稳定的层流；
S3：由于萃取剂目标离子浓度低于赤泥试样，萃取剂将赤泥试样中的目标离子萃取出来，富含目标离子萃取剂从萃取剂收集口(3-4)进行收集，萃取过后的废液从二级出液口(3-3)流入废液池(4-1)；
S4：萃取实验完成后，废液从三级出液口(4-2)收集回收，避免废液污染环境。
通过实施例2发现，通过萃取芯片对目标金属离子进行萃取，在萃取相流速为1×10-3m/s，赤泥试样流速为0.5×10-3m/s的情况下，目标金属离子的萃取效率能达到98.31％，进一步实验发现，将速度比有1:2变成1:5后，萃取效率进一步提高，能够达到99.83％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片，其特征在于，包括：顶盖、即时检测微流控芯片、双Ψ型通道微流控芯片、底座；
所述底座、双Ψ型通道微流控芯片、即时检测微流控芯片、顶盖依次从下到上叠加连接。
2.根据权利要求1所述一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片，其特征在于，所述底座上中部开有废液池，废液池一侧连通三级出液口。
3.根据权利要求1所述一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片，其特征在于，所述双Ψ型通道微流控芯片上中部为金属离子萃取区；金属离子萃取区左侧连接萃取剂进液口，右侧连接萃取剂收集口；金属离子萃取区的左右两端分别开有试样二级进液口和二级出液口；进液口和出液口直径为0.7mm，通道宽度和深度均为0.4mm；倾斜角度为45°；金属离子萃取区通道长度为14mm，宽度为0.6mm。
4.根据权利要求1所述一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片，其特征在于，所述即时检测微流控芯片中部为金属离子检测区，在金属离子检测区左侧分别开有试样一级进液口二和检测剂进液口二，其中试样一级进液口二再与试样二级进液口连通；金属离子检测区右侧开有一级出液口，且右侧上有毛细管泵；进液口和出液口直径为0.7mm；金属离子检测区的检测通道长度为11mm，宽度为0.8mm；毛细泵长度为7mm，宽度为1mm。
5.根据权利要求1所述一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片，其特征在于，所述顶盖上开有试样一级进液口一和检测剂进液口一。
6.一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将赤泥试样从试样一级进液口通入检测芯片，金属离子检测剂从检测剂进液口进入检测芯片，通过微型计算机控制出入口阀体，使赤泥试样与金属离子检测剂充分反应，检测完成后的废液通过一级出液口排入废液池；
S2：检测完成后，关闭试样一级进液口，开启试样二级进液口，同时，从萃取剂进液口通入目标离子萃取剂，控制入口流速，使萃取剂和赤泥试样在金属离子萃取区形成稳定的层流；
S3：由于萃取剂目标离子浓度低于赤泥试样，萃取剂将赤泥试样中的目标离子萃取出来，富含目标离子萃取剂从萃取剂收集口进行收集，萃取过后的废液从二级出液口流入废液池；
S4：萃取实验完成后，废液从三级出液口收集回收，避免废液污染环境。
7.根据权利要求1-5任意一项所述一种赤泥中有价元素检测萃取并联型集成芯片，公开了其在精密设备检测技术领域的应用。
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