DE3246662A1

DE3246662A1 - Verfahren und vorrichtung zur massenuebertragung zwischen drei fluessigen phasen

Info

Publication number: DE3246662A1
Application number: DE19823246662
Authority: DE
Inventors: Ljubomir Antonov Sofia Bojadjiev
Original assignee: EDINEN ZENTAR CHIM
Current assignee: EDINEN ZENTAR CHIM
Priority date: 1981-12-18
Filing date: 1982-12-16
Publication date: 1983-07-07
Also published as: JPS58128106A; FR2518420B1; GB2111849A; CH652049A5; JPH0240361B2; HU197994B; DE3246662C2; GB2111849B; BG35207A1; CS248037B2; US4551252A; FR2518420A1

Description

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VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MASSENÜBER-TRAGUNG ZWISCHEN DREI FLÜSSIGEN PHASEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zu Massenübertragung zwischen drei flüssigen Phasen. Sie findet eine breite Anwendung zur Gewinnung von Stoffen

aus ihren Lösungen in der Hydrometallurgie, Galvanotechnik

nik, chemischen Industrie, Arzneimittelindustrie, Biotechnologie, Lebensmittelindustrie, medizinische Industrie sowie bei der Behandlung von Abwässern.

Es ist ein Verfahren zum gleichzeitigen Kontakt und zur Massenübertragung zwischen drei Flüssigkeiten bekannt, wobei eine der beiden Phasen (Phase R) in der intermediären Phase (Phase S) durch Bildung einer stabilen Mikroemulsion fein dispergiert wird. Die zu behandelnde dritte Phase (Phase F) wird mit dieser Emulsion versetzt (Li N.N., AIChEJ, (1971), Γ7, 459; Kitagawa T., Y. Nishikawa, J. Frankenfeld, N.N. Li, Envir. Sei. and Techn., (1977)·, 11, 602; Boyadzhiev L., Proceed. Intern. Congr. CHISA '81, Prague (1981)). Die Nachteile dieses Verfahrens liegen darin, daß zur Stabilisierung der Emulsion ein Emulgator benötigt wird, was durch die Durchführung von zwei Hilfsoperationen bedingt ist, nämlich Bildung der Mikroemulsion und ihre Zerstörung nach dem Haupttrennvorgang. Dieses Verfahren kann nicht die volle physikalische Abgrenzung der beiden misch-

.25 baren Phasen gewährleisten. Ihre partielle Vermischung verringert zudem den Grad der gewünschten Trennung.

Es ist auch ein anderes Verfahren bekannt, bei dem der Austausch zwischen beiden Phasen durch ihre kontinuierliche Kontaktierung mit der übertragenden Phase erfolgt (Boyadzhiev L., Proc^=d. Intern. Congr. CHISA '81, Prague (1981);

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Boyadzhiev L., G. Kynchonkov, J. Membr. Sei. (1980) 6^, 107; Nekovar P., J. Cernohlavek, Proceed. CHISA '79, Mar. Lazne (1979)). Letztere zirkuliert zwischen beiden durch eine poröse Wand getrennten Kammern, wobei die poröse Wand nur diese Flüssigkeit durchläßt, allerdings nicht die zwei anderen, die'je in ihren eigenen Kammern dispergiert sind. Als Nachteil dieses Verfahrens gilt, daß sich mit der Zeit die Eigenschaften der porösen Trennwand ändern. Sie fängt nämlich an, auch Tropfen der anderen zwei Phasen durchzulassen. Dieses Verfahren erlaubt es auch nicht, eine gute physikalische Abgrenzung der beiden mischbaren Phasen zu erreichen. Infolge ihrer teilweisen Vermischung wird der Trennungsgrad wesentlich verringert.

Weiterhin ist ein drittes Verfahren bekannt, bei dem.beide Phasen,zwischen denen ein Stoffwechsel erfolgt, voneinander durch eine poröse Polymermembrane oder eine andere Membrane, die mit der übertragenden Phase durchtränkt ist, getrennt sind (Boyadzhiev L., Proceed. Intern. Congr. CHISA 81, Prague (1981); Cussler E.L., AIChEJ., Γ7, 1300; Nakashio F., K. Kondo, Sep. Sei. and Techn. (1980), 15., 1171). Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß es recht niedrige Übertragunsgeschwindigkeiten infolge der niedrigen relativen aktiven Zwischenphasenoberfläche und der kleinen Werte der Koeffizienten der Massenübertragung durch die in den Poren fixierte Membranflüssigkeit aufweist.

Es ist eine Vorrichtung zum Trennen von flüssig-flüssigen Dispersionen, die drei aufeinander folgende Trennschichten enthalten, bekannt (Bulgarischer Urheberschein 29 607), wobei die erste Schicht koaleszierend, die zweite schaumzerstörend und die dritte abführend in bezug auf die Dispersionsphase wirkt.

Der Nachteil der bekannten Vorrichtung liegt in dem rela-

tiv niedrigen Grad der Stoffgewinnung aus den Lösungen und die Nichtkontrollierbarkeit des ablaufenden Prozesses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen drei Phasen zu entwickeln, ohne jegliche mechanische Vermischung der beiden wässerigen Phasen, bei hoher Intensität der Massenübertragung und einem hohen Grad der Stoffgewinnung aus den Lösungen.

^_n Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe wie aus den vorstehenden Ansprüchen ersichtlich,.gelöst, nämlich durch ein Verfahren zur Massenübertragung zwischen drei flüssigen Phasen, wobei eine der Phasen mit den anderen zwei Phasen nicht mischbar ist und als Übermittler dient (Phase S). Beide mischbaren Flüssigkeiten (Phase F und R) strömen entlang von vertikalen, durch sie benetzten, festen Flächen, die durch einen mit der dritten Phase (Übermittler) eingenommenen Raum getrennt sind. Die Inbetriebsetzung dieser Phase trägt zur nachträglichen Intensivierung des Übertragungsvorganges bei.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch mit Hilfe einer Vorrichtung gelöst, die aus einem Gehäuse, worin ein Paket aus parallelen Filmträgern eingesetzt ist, Verteilungsbehälter für die eingehenden Flüssigkeiten und Sammler zur Akkumulierung und Abführung der ausgehenden Lösungen besteht.

Die senkrechten Flächen können flach, parallel oder konzentrisch angeordnet sein und sie nehmen auf, transportieren und geben die" beiden flüssigen Phasen ab, die sich in Form eines Filmes auf dem Kapillar-Gravitationsweg bewegen. Die dritte Flüssigkeit - die organische Phase S - besetzt den Raum zwischen den strömenden wässerigen Filmen. Die Filmträger werden nur durch die zu extrahierende flüssige Phase F und entsprechend durch die Phase,mit deren Hilfe der

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Reextraktionsvorgang erfolgt, benetzt (Phase R). Der Stand beider wässseriger Phasen F und R wird auf der gewünschten Höhe mit Hilfe von den Stand regulierenden Überläufen für jede der beiden Phasen aufrechterhalten.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind folgende:

NichtVorhandensein etwaiger Berührung und entsprechend einer mechanischen Vermischung beider wässeriger Phasen;

große Intensität der Massenübertragung zwischen drei sich in Bewegung befindlichen flüssigen Phasen mit einer großen Kontaktfläche;

hoher Grad der Stoffextraktion aus den Lösungen,der durch die Stehzeit der kriechenden Filme und die Geschwindigkeit der Bewegung der Übermittlungsphase kontrolliert werden kann;

Möglichkeiten zur Verwendung als Vermittlungsph.ase von nichttypischen Extraktionsmitteln oder neut-ra-L ■ len Flüssigkeiten mit unbedeutenden Zusätzen von flüssigen oder festen hochselektiven Übertragungsmitteln;

die Konstruktion der Vorrichtung wird erleichtert, weil die Erhöhung ihrer Leistung proportional der Abmessung und der Menge der verwendeten Filmträger ist;

in Fig. 1 wird als Beispiel eine Ausführung der Vorrichtung in Form eines allgemeinen Schemas dargestellt.

Die Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse 1, einem Paket

von wechselweise angeordneten Filmträgern 2 und 2, z.B.

hydrophilen Leinen, trennenden Nezten 15, Verteilerbehälter 4 für die zu behandeln-

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de wässerige Phase, Verteilerbehälter 5 für die aufnehmende Phase, Abführsammler 6 für die behandelte Phase, Abführsammler 7 für die konzentrierte ausgehende Lösung, Zirkulationspumpe 8, Ausgangsstutzen 9 und 10 für die wässerigen Phasen, Eingangsstutzen 11 und 12, Verteiler 13 für die organische Phase und Ausgangsstutzen-14 für die organische Phase.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende: Die zu behandelnde Phase F tritt in den Verteilerbehälter 4 ein und von dort strömt sie auf Kapillar-Gravitationswege entlang der senkrecht angeordneten hydrophilen Textilleinen und sammelt sich in dem Sammler 6 für diese Phase und wird durch den Stutzen 9 abgeführt.

Die aufnehmende Lösung (Phase R) strömt auf ähnliche Weise aus dem Verteilerbehälter 5 auf Kapillar-Gravitationswege entlang den senkrechten hydrophilen Leinen und wird mittels des Sammlers 6 für diese Phase und des Abführstutzens 10 mit dem Überlauf aus der Vorrichtung herausgeführt. Die organische Zwischenphase S besetzt den Raum zwischen den hydrophilen senkrechten Leinen, die durch profilierte Trennungsnetze abgegrenzt sind. Die Phase S zirkuliert kontinuierlich mit Hilfe der Fliehkraftpumpe 8.

Die Erfindung wird anhand folgender Beispiele näher erläutert:

Beispiel 1

Entlang von zwei senkrechten hydrophilen Flachbändern strömen kapillar 100 cm /h einer wässerigen Lösung von Zinksulfat mit einer Ausgangskonzentration von 0,24 g/l (Phase F). Entlang von drei anderen Bändern, die wechselweise angeordnet sind, strömt eine 10%-ige Lösung von Schwefelsäure (Phase R) in einer Zuflußmenge, von 6· cm/h. Der Raum zwischen den Bändern ist durch Netze abgetrennt und mit einer 2%-igen Lösung von Diäthylhexy!phosphorsäure in flüssigen Praffinen (Cg-C-, Ο als Pnase S ausgefüllt. Am Ausgang strömt eine

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0,023 g/l Zink enthaltende Lösung aus und eine zweite Lösung mit einem Zinkgehalt von 3,5 g/l bei Nichtvorhandensein einer Zirkulation der organischen Phase. Im Fall einer Zirkulation dieser Phase strömen Lösungen mit einem Zinkgehalt von entsprechend 0,002 g/l bzw. 3,9 g/l aus. Es wird ein Extraktionsgrad von 89 % bzw. 99,2 % erzielt.

Beispiel 2

Es wird dieselbe Arbeitsweise wie im Beispiel 1 angewendet. Die wässerigen Eingangslösungen enthalten 100 mg/1 Phenol und eine 4%-ige Lösung von Natriumhydroxid dient als zweite wä-sserige Lösung. Als organische Phase werden normale Paraffine (C_Q-C ) ohne Zusätze verwendet. Am Ausgang erhält man eine entphenolte Lösung (bis 90%) und eine Lösung, die 2 g/l Natriumphenolat enthält.

Beispiel 3

In der Vorrichtung mit drei hydrophilen Leinentüchtern für die Phase F und vier senkrechten Leinenstreifen aus Baumwolle wird eine Lösung, enthaltend 0,200 g/l Kupfer, 0,130 g/l Kobalt, 0,130 g/l Magnesium, bei einer Zuflußmenge von 350 cm /h behandelt. Als Aufnahmephase R wird eine Lösung von Schwefelsäure mit einer Konzentration von 140 g/l und **s Zuflußmenge von 5,5 cm /h eingeführt. Die verwendete organische Phase S mit einem Volumen von 750 cm enthält 1 % eines Komplexbildners (o-Nonylsalicylaldoxim) und zirkuliert der Höhe der Vorrichtung entlang mit einer minimalen Geschwindigkeit von 0,4 cm/sec. Die aus der Vorrichtung herausströmende behandelte wässerige Phase F enthält dementsprechend 0,004 g/l Kupfer und 0,130 g/l Magnesium und 0,129 g/l Kobalt. Die aufnehmende Phase R enthält 12 g/l Kupfer, 0,001 g/l Kobalt und Spuren von Magnesium. Auf diese Weise wird eine 98%-ige selektive Kupferextraktion erzielt und eine konzentrierte schwefelsaure Lösung desselben Metalls ohne jegliche Beimengungen erhalten.

Beispiel 4

In die Vorrichtung werden gleichzeitig und kontinuierlich schwachsaure Wasser (pH = 3,5) mit 0,120 g/l Blei (Phase F) dund eine 2 η wässerige Lösung der Salpetersäure (Phase R) im Zuflußverhältnis 40:1 eingeführt. Als Übermittlungsphase S wird eine 5%-ige Lösung eines Gemisches (1:1) aus Olein- und Linolsäure in Normalparaffinen (C,o~C,Λ verwendet. Die Phasen F und R verlassen die Vorrichtung auch im Verhältnis 40:1 mit einem Bleigehalt entsprechend 0,00024 g/l und 4,8 g/l. Der Extrahierungsgrad beträgt 99,8 %.

Beispiel 5

In die Vorrichtung treten gleichzeitig und kontinuierlich eine schwach alkalische wässerige Ammoniaklösung ( Phase F) mit 0,45 g/l Ammoniak und eine 1%-ige wässerige Schwefelsäurelösung (Phase R) im Verhältnis 15:1 ein. Als Übermittlungsphase S werden Normalparaffine (C₁₃-C₁I-) verwendet. Der Ammoniakgehalt in der Phase F nach Verlassen der Vorrichtung beträgt nur 0,04 g/l.

Beispiel 6

in die Vorrichtung wird eine schwachsaure (pH = 5,2) wässe- >~\ rige Lösung von Kupfersulfat (Phase F). mit 200 mg/1 eingeführt, die mit der Vermittlungsphase S in Berührung steht. Letztere stellt ein Gemisch (1:1) aus Linol- und Oleinsäure in Normalparaffinen (C|3-C,r) dar. Die aufnehmende phase R ist eine 2 η wässerige Salpetersäurelösung, die auch durch die Vorrichtung strömt. Das Phasenverhältnis beträgt F:R = 40:1. Es wird eine Kupferextraktion von 99,5% erzielt.

Beispiel 7
Industrieabwässer mit 0,250 g/l Kobalt (Phase F) werden durch die Vorrichtung gleichzeitig mit einer 8%-igen Schwefelsäurelösung (Phase R) in einer Zuflußmenge von 30 mal kleiner als di^\ der Abwässer eingeführt. Als Vermittlungs-

phase S wird eine 2%-ige DiMthylhexylphosphorsäurelösung in Kerosin verwendet. Die aus der Vorrichtung herausströmenden Lösungen bestehen aus behandelten Wassern mit einem Kobalt-Gehalt von weniger als 0,005 g/l und einer konzentrierten schwefelsauren Lösung von Kobalt mit über 7 g/l Kobalt.

Beispiel 8

Abwasser mit einem Cadmium-Gehalt von 50 mg/1 und pH = 6 (Phase F) werden durch die Vorrichtung gleichzeitig und kontinuierlich mit der aufnehmenden Phase R, die eine 10%-ige Schwefelsäurelösung in Wasser darstellt, durchgelassen. Als Vermittlungsphase S wird eine 5%-ige Lösung eines Gemisches aus Olein- und Linolsäure (1:1) in Normalparaffinen (C,o~C ₅) verwendet. Bei einem Verhältnis der Phasen F:R von 18:1 enthalten die die Vorrichtung verlassenden behandelten Wässer weniger als 0,1 mg/1 Cadmium.

Beispiel 9

Eine Lösung von Benzoesäure in Wasser (Phase F) mit einer Konzentration von 0,1 g/l wird kontinuierlich und gleichzeitig mit einer wässerigen Lösung von Natriumhydroxid (Phase R) mit einer Konzentration von 20 g/l und einer Zuflußmenge von 40 mal kleiner als die der Phase F durch die Vorrichtung hindurchgelassen. Als Übermittlungsphase S wird Kerosin verwendet.

Beispiel 10

Naturwässer mit 40 mg/1 Elementarjod(Phase F) wird gleichzeitig und·kontinuierlich mit einer 30 mal kleineren Zuflußmenge der Phase R, die eine 4%-ige Natriumhydroxidlösung darstellt durch die Vorrichtung hindurchgelassen. Als Übermittlungsphase S wird Hexan verwendet. Die aus der Vorrichtung herausströmenden Wasser enthalten weniger als 1 mg/1 Jod.

Beispiel 11

Saure Naturwässer mit 60 mg/1 Bor werden als Phase F durch die Vorrichtung parallel und gleichzeitig mit einer wässerigen Lösung von Natriumhydroxid (Phase R) im Verhältnis der Zuflußmengen von 40:1 hindurchgelassen. Bei Verwendung einer gesättigten Lösung von Dodecylalkohol in Octan als Übermittlungsphase S wird die Konzentration von Bor in die Wässer bis 12 mg/1 Bor vermindert. Gleichzeitig erhält man eine alkalische Lösung reich an Natriumtetraborat.

Beispiel 12

Saure Wasser,enthaltend etwa 5 g/l Salpetersäure (Phase F), werden parallel und gleichzeitig mit der Phase R, die eine 10%-ige Lösung von Natriumhydroxid in Wasser darstellt, durch die Vorrichtung hindurchgelassen. Das Verhältnis beider Phasenzuflußmengen beträgt F:R = 50:1. Als Übermittlungsphase S wird eine 2%-ige Lösung von Tributylphosphat in Normalparaffinen (0,-,-C₁-) verwendet. Die behandelten Wasser am Ausgang der Vorrichtung enthalten 0,045 g/l Säure.

Beispiel 13

Saure Abwasser (Phase F) , die Chrom (VI) in Form von Anionen in einer Konzentration von 220 mg/1 enthalten, werden durch die Vorrichtung parallel und gleichzeitig mit einer 20%-igen Lösung von Natriumhydroxid (Phase R) hindurchgelassen. Das Verhältnis beider durch die Vorrichtung hindurchströmenden Lösungen beträgt 120:1. Als Vermittlungsphase S wird eine 1%-ige Lösung von Trioctylamin in Normalparaffinen (C,-,-C ,.) verwendet. Beide wässerigen Lösungen, die aus der Vorrichtung herausströmen, enthalten entsprechend 0,0008 mg/1 und 26,3 g/l Chrom.

Beispiel 14

Eine schwefelsaure Lösung (Phase F) mit 0,015 g/l Rhenium-(VII) wird durch die Vorrichtung parallel und gleichzeitig mit einer 2n wässerigen Lösung von Natriumhydroxid (Phase R) in einem Verhältnis der Zuflußmenge 50:1 hindurchgelassen.

Als Vermittlungsphase wird eine 2%-ige Lösung von Tributyl-

phosphat in Normalparaffinen (C, .,-C. ,-) verwendet. Das Rhenium wird aus der Lösung F zu 98 % extrahiert, wobei die Lösung am Ausgang der Vorrichtung nur 0,0003 g/l Rhenium enthält.

Beispiel 15

Industrieabwässer, die 0,7 g/1 Molybdän (Phase F) enthalten, werden in der Vorrichtung mit einer 20%-igen wässerigen Lösung von Natriumhydroxid (Phase R) behandelt. Als Vermittlungsphase wird eine 1%-ige Lösung von Trioctylamin in Kerosin verwendet. Das Verhältnis zwischen den Zuflußmengen der Phasen F und R beträgt 50:1. Das Molybdän wird in der Phase R konzentriert, welche am Ausgang der Vorrichtung 32 g/l Molybdän enthält.

Beispiel 16

Einen wässerigen Extrakt aus Santonin (Phase F) mit einer Konzentration von etwa 0,5 g/l wird durch die Vorrichtung parallel und gleichzeitig mit einem Strom einer 10%-igen Natriumhydroxidlösung (Phase R) hindurchgelassen. Als Übermittlungsphase S wird ein Gemisch aus Chloroform und Dekan (1:5) verwendet. Bei einem Verhältnis der Phasen F und R von 40:1 werden 92 % des Santonins extrahiert und in der _ Phase R als Natriumsalz konzentriert.

Claims

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VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MASSENÜBERTRAGUNG ZWISCHEN DREI FLÜSSIGEN PHASEN

Patentansprüche

Verfahren zur Massenübertragung zwischen drei flüssigen Phasen, wobei eine der Phasen mit den anderen zwei Phasen nicht mischbar ist und als Übermittlungsphase dient, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden mischbaren Flüssigkeiten entlang den durch sie benetzten Flächen strömen, wobei diese Flächen durch den mit der dritten Phase, d.h. der Übermittlungsphase, gefüllten Raum getrennt sind und diese dritte Phase in Bewegung gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die durch beide Flüssigkeiten benetzten Flächen beide flüssigen Phasen auf Kapillar-Gravitationswege aufnehmen, transportieren und abgeben.
3. Vorrichtung zur Durchführung einer gleichzeitigen Massenübertragung zwischen drei flüssigen Phasen, wobei eine der Phasen mit den anderen zwei Phasen nicht mischbar ist,

dadurch gekennzeichnet , daß sie ein Ge-•5 häuse (1) aufweist, worin ein Paket aus wechselweise angeordneten Filmträgern (2, 3) eingesetzt ist, sowie Verteilungsbehälter für die zu behandelnde Phase (4) und die aufnehmende Phase (5) und entsprechende Abführungssammler für die behandelte Phase (G) und die aufgenommen habende Phase (7), wobei die Verteilungsbehälter sich im Oberteil und die Abführungssammler im Unterteil der Vorrichtung befinden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Filmträger durch trennende
Netze (15) abgegrenzt sind.