JP2009183870A - Method and device for centrifugal extraction - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device for centrifugal extraction, which enable a countercurrent contact between a continuous phase and a dispersion phase and can perform high-resolution multi-stage extraction conveniently and stably. <P>SOLUTION: In a method for countercurrent centrifugal extraction, where a continuous phase and a dispersion phase are brought into countercurrent contact, emulsion is formed between two phases of the continuous phase and dispersion phase, and a Taylor-Couette flow is generated while maintaining the formed emulsion state as it is. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、生化学物質の分離、環境汚染物質の除去、放射性廃棄物の処理、化学分析などの溶媒抽出に適用される遠心抽出方法及び遠心抽出装置に関する。   The present invention relates to a centrifugal extraction method and a centrifugal extraction apparatus applied to solvent extraction such as separation of biochemical substances, removal of environmental pollutants, treatment of radioactive waste, and chemical analysis.

近年、生化学物質の分離、環境汚染物質の除去、放射性廃棄物の処理などに適用される新規な抽出剤の開発とともに、高機能抽出装置の開発が望まれており、また、化学分析の高度化、核燃料再処理、核種分離技術、生化学物質分離、新薬開発、希少金属リサイクル等において行われる抽出技術の高度化も要求されている。しかし、現状において、高機能抽出剤の開発が進められているものの、高価な抽出剤を少量で効率よく利用するための抽出方法の研究開発はほとんど行われていない。   In recent years, in addition to the development of new extractants that are applied to the separation of biochemical substances, the removal of environmental pollutants, the treatment of radioactive waste, etc., the development of high-performance extraction devices has been desired, There is also a need for more advanced extraction techniques in the field of chemical conversion, nuclear fuel reprocessing, nuclide separation technology, biochemical separation, new drug development, rare metal recycling, and the like. However, at present, development of highly functional extractants is underway, but little research and development has been conducted on extraction methods for efficiently using small amounts of expensive extractants.

これまで一般的に行われてきた抽出方法として、ミキサセトラ抽出装置等の遠心抽出装置内において並流(油相と水相の2相を同じ方向に流す)で油水を流すことによって行う方法がある。具体的には、油相と水相をミキサセトラ抽出装置内に流入し、装置内部に設けられた回転手段(例えば、プロペラ部)によって、油相と水相との間でエマルジョンを形成させ、そしてこのエマルジョンをセトリング部に移行させることにより、水と油を分離し、水相中に含まれていた有害物質等を油相に移行することによって抽出するというものである。   As an extraction method generally performed so far, there is a method in which oil water is flowed in a centrifugal flow extraction apparatus such as a mixer-settler extraction apparatus in parallel flow (two phases of an oil phase and an aqueous phase flow in the same direction). . Specifically, the oil phase and the water phase flow into the mixer-settler extraction device, and an emulsion is formed between the oil phase and the water phase by a rotating means (for example, a propeller unit) provided in the device, and By transferring this emulsion to the settling part, water and oil are separated, and harmful substances contained in the aqueous phase are extracted by transferring to the oil phase.

この抽出方法によれば、抽出平衡を短時間で達成でき、油水の滞留時間も短くすることができることから、原子力施設などで広く実用使用されている。しかし、この抽出方法では、油水の流れが並流であるため、一台の抽出装置で1段の抽出平衡を達成するだけであり、高度分離には抽出装置の多段化が必要になる。   According to this extraction method, the extraction equilibrium can be achieved in a short time and the residence time of the oil water can be shortened, so that it is widely used in nuclear facilities and the like. However, in this extraction method, since the flow of oil and water is parallel, only one extraction equilibrium is achieved with one extraction device, and multi-stage extraction devices are required for advanced separation.

また、マイクロリアクターを用いた抽出技術がある。このマイクロリアクターは主に化学合成等の技術分野において利用されているものであるが、現在、超小型のリアクターを用いて、分析化学分野や薬剤などの少量生産への利用が研究されている。マイクロリアクターを用いた油水抽出操作においては、狭い流路(100μm程度の幅)を並流操作で油水を流すことによって行われる。この抽出方法によれば、油水を効率的に狭い流路で接触させることが可能であることから、上述の抽出方法と比べてより効率的な抽出が期待できる。   There is also an extraction technique using a microreactor. This microreactor is mainly used in technical fields such as chemical synthesis. Currently, the use of ultra-small reactors in the analytical chemistry field and small-scale production of drugs and the like is being studied. The oil / water extraction operation using a microreactor is performed by flowing oil / water through a narrow channel (width of about 100 μm) by a co-current operation. According to this extraction method, oil and water can be efficiently contacted in a narrow flow path, and therefore more efficient extraction can be expected as compared with the above-described extraction method.

また、これらの抽出技術とは異なり、向流操作によって抽出を行う方法として、例えば、米国ウィスコンシン大学のBairらによって開発された遠心抽出装置を利用した遠心抽出方法がある。この抽出方法は、内筒と外筒とからなる二重円管筒からなる遠心抽出装置を利用し、内筒と外筒の両方を回転させることによって行う抽出方法である。より具体的には、内筒と外筒の両方の回転数を制御して、二筒の隙間に油相と水相の2重テイラー渦列を形成させ、油水を分液した状態で向流に流すように制御するというものである。この抽出方法によれば、テイラー渦列を形成させて、油水を向流接触させるようにしているので、多段抽出を行うことが可能となり、並流操作によって行う抽出方法に比して、その抽出性能を向上させることが可能になる(例えば、特許文献1乃至3参照。)。   Further, unlike these extraction techniques, for example, there is a centrifugal extraction method using a centrifugal extraction device developed by Bair et al., University of Wisconsin, USA, as a method for performing extraction by countercurrent operation. This extraction method is an extraction method performed by rotating both the inner cylinder and the outer cylinder using a centrifugal extraction apparatus consisting of a double circular tube consisting of an inner cylinder and an outer cylinder. More specifically, the rotational speed of both the inner cylinder and the outer cylinder is controlled to form a double Taylor vortex array of the oil phase and the water phase in the gap between the two cylinders, and the counter current flows in a state where the oil water is separated. It is controlled to flow through. According to this extraction method, the Taylor vortex street is formed so that the oil and water are brought into countercurrent contact. Therefore, it is possible to perform multi-stage extraction, and the extraction method is compared with the extraction method performed by the cocurrent operation. The performance can be improved (for example, see Patent Documents 1 to 3).

Baier, G., and M. D. Graham, “Two−Fluid Taylor−Couette Flow: Experiments and Linear Theory for Immiscible Liquids Between Corotating Cylinders,” Phys.Fluids, 10, 3045 (1998)Baier, G.G. , And M.M. D. Graham, “Two-Fluid Taylor-Couette Flow: Experiments and Linear Theory for Immiscible Liquids Between Rotating Cylinders,” Phys. Fluids, 10, 3045 (1998) Baier, G., and M. D. Graham, “Two−Fluid Taylor−Couette Flow: Experiments and Linear Theory for Immiscible Liquids Between Corotating Cylinders with Countercurrent Axial Flow,” Phys. Flnids,12, 294 (2000)Baier, G.G. , And M.M. D. Graham, “Two-Fluid Taylor-Couette Flow: Experiments and Linear Theory for Immiscible Liquids Cylinders Flow CounterCourtcounters. Flnids, 12, 294 (2000) Baier, G., M. D. Graham, and E. N. Lightfoot, “Mass Transport in a Novel Two−Fluid Taylor Vortex Extractor”, AIChE J, 46, 2395 (2000)Baier, G.G. , M.M. D. Graham, and E.M. N. Lightfoot, “Mass Transport in a Novel Two-Fluid Taylor Vortex Extractor”, AIChE J, 46, 2395 (2000) Y.Okada, K.Takeshita and Y.Usui,Proc. of International Workshop on Process Intensification in Fluid and Particle Engineering、66−67(2006)Y. Okada, K .; Takeshita and Y.T. Usui, Proc. of International Workshop on Process Intensification in Fluid and Particle Engineering, 66-67 (2006)

しかしながら、これまでに数多くの研究者がマイクロ反応器を用いた液々抽出について検討を行ってきているものの、マイクロ反応器の微細流路(50μm〜数mm)に油相と水相を同時に安定に流すには、たとえ操作的に容易な並流操作であっても、流速等の操作条件と使用流体の物性(表面張力、粘度等)が厳しく制限されてしまう。   However, although many researchers have been studying liquid-liquid extraction using a microreactor so far, the oil phase and water phase are simultaneously stabilized in the microchannel (50 μm to several mm) of the microreactor. However, even if it is a co-current operation that is easy in terms of operation, the operating conditions such as flow velocity and the physical properties (surface tension, viscosity, etc.) of the fluid used are severely limited.

具体的には、低流速では有機相と水相間の表面張力差のために、また高流速では粘度差のために、安定した二相界面を形成させることができず、界面は振動し、分裂してしまい、二相流動の安定域は狭い範囲に限定される。ある研究者からは、油相にリン酸エステルとトルエンを用い、水相にはCuを含む硝酸水溶液を用いて従来型マイクロ抽出器(微細流路幅0.1mm、流路長3cm)でCu抽出実験を行ったが、1つの抽出器での段効率は0.2にも満たないとの結果が報告されている(平成15年第22回溶媒抽出討論会予稿集B-6)。したがって、高い段効率を達成するには、長い流路で安定した二相流れを達成しなければならないこととなる。   Specifically, a stable two-phase interface cannot be formed due to a difference in surface tension between the organic phase and the aqueous phase at a low flow rate, and a difference in viscosity at a high flow rate. Therefore, the stable range of the two-phase flow is limited to a narrow range. One researcher showed that a conventional micro extractor (fine channel width 0.1 mm, channel length 3 cm) using a phosphate ester and toluene in the oil phase and an aqueous nitric acid solution containing Cu in the water phase was used. An extraction experiment was conducted, and it was reported that the stage efficiency of one extractor was less than 0.2 (2003 Proceedings of the 22nd Solvent Extraction Discussion Meeting B-6). Therefore, to achieve high stage efficiency, a stable two-phase flow must be achieved with a long flow path.

このように、マイクロリアクター等のマイクロ反応器を用いた抽出方法は、油水を効率的に狭い流路で接触させることが可能であるものの、油水流動が不安定であり、安定した流れの確保には流速などの操作条件と使用流体の物性が厳しく制限され、簡便かつ汎用的に利用可能な抽出方法とはいえない。さらに、この抽出方法は、基本的に油水の並流操作であることから1つのリアクターで1段の抽出平衡が達成できるのみであり、高度分離を行うには、マイクロリアクターを多数結合する必要があり、多数の送液ポンプを設置するために装置構成及び操作が大変に複雑となる。   As described above, the extraction method using a microreactor such as a microreactor can efficiently contact oil and water through a narrow flow path, but the oil / water flow is unstable and ensures a stable flow. However, the operating conditions such as the flow rate and the physical properties of the fluid used are severely limited, and it cannot be said that the extraction method is simple and versatile. Furthermore, since this extraction method is basically a co-current operation of oil and water, only one stage of extraction equilibrium can be achieved with one reactor, and it is necessary to connect a number of microreactors in order to perform advanced separation. In addition, since a large number of liquid feeding pumps are installed, the apparatus configuration and operation become very complicated.

また一方で、内筒と外筒の二重円筒管からなる遠心出装置において、二筒を回転させて二重のテイラー渦列を形成させる抽出方法では、向流接触を可能とし、多段抽出を実現することができるようになっているものの、分液状態で安定に油水を向流で流すための制御が極めて難しく、安定した抽出性能を維持することが大変困難となっており、実用的な遠心抽出方法とは言えない。   On the other hand, in the centrifuge device comprising a double cylindrical tube of an inner cylinder and an outer cylinder, the extraction method in which two cylinders are rotated to form a double Taylor vortex street enables countercurrent contact and multistage extraction. Although it has become possible to achieve this, it is extremely difficult to control the flow of oil and water in a countercurrent flow in a countercurrent state, making it difficult to maintain stable extraction performance. It is not a centrifugal extraction method.

本発明は、このような事情に鑑みて提案されたものであり、連続相と分散相のとの間における向流接触を可能とし、高度な多段抽出を簡便かつ安定的に行うことが可能な遠心抽出方法及び遠心抽出装置を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of such circumstances, and enables countercurrent contact between a continuous phase and a dispersed phase, and can perform advanced multistage extraction simply and stably. An object of the present invention is to provide a centrifugal extraction method and a centrifugal extraction device.

本件発明者らは、様々な観点から鋭意研究を重ねてきた結果、油水間においてエマルジョン状態を形成させ、このエマルジョン状態を維持したままテイラー・クエット流を形成させることによって、高度な多段抽出を行うことができることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive research from various viewpoints, the inventors of the present invention perform an advanced multistage extraction by forming an emulsion state between oil and water and forming a Taylor Couette flow while maintaining this emulsion state. As a result, the present invention has been completed.

すなわち、本発明に係る向流遠心抽出方法は、連続相と分散相とを向流接触させる向流遠心抽出方法において、上記連続相と上記分散相とのニ相の間で、エマルジョンを形成させるエマルジョン形成工程と、上記エマルジョン形成工程にて形成されたエマルジョンを維持させたまま、テイラー・クエット流を発生させるテイラー・クエット流発生工程とを有することを特徴としている。   That is, the countercurrent centrifugal extraction method according to the present invention is a countercurrent centrifugal extraction method in which a continuous phase and a dispersed phase are brought into countercurrent contact, and an emulsion is formed between the two phases of the continuous phase and the dispersed phase. It is characterized by having an emulsion forming step and a Taylor Couette flow generating step of generating a Taylor Couette flow while maintaining the emulsion formed in the emulsion forming step.

また、本発明に係る向流遠心抽出方法に用いられる遠心抽出装置は、外筒と、該外筒の内側に間隙を設けて配置された内筒と、該内筒を回転させる回転駆動手段とを備え、連続相と分散相とを上記間隙において向流接触させる遠心抽出装置において、上記間隙に接する上記内筒の表面は、疎水性を示すことを特徴としている。   In addition, the centrifugal extraction device used in the countercurrent centrifugal extraction method according to the present invention includes an outer cylinder, an inner cylinder disposed with a gap inside the outer cylinder, and a rotation driving unit that rotates the inner cylinder. And the surface of the inner cylinder in contact with the gap exhibits hydrophobicity in a centrifugal extraction device in which the continuous phase and the dispersed phase are in countercurrent contact in the gap.

本発明によれば、エマルジョン状態を形成させ、このエマルジョン状態を維持したままでテイラー・クエット流を発生させるようにしているので、エマルジョンによる高い物質移動速度を維持しながら、高度な多段抽出を行うことが可能となる。   According to the present invention, an emulsion state is formed, and a Taylor Couette flow is generated while maintaining this emulsion state, so that high-level multistage extraction is performed while maintaining a high mass transfer rate by the emulsion. It becomes possible.

以下、本発明について、図面を参照にしながら詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本実施の形態に係る抽出方法は、連続相と分散相とのニ相の間において、エマルジョンを形成させるエマルジョン形成工程と、エマルジョン形成工程にて形成されたエマルジョン状態を維持させたまま、テイラー・クエット流を発生させるテイラー・クエット流発生工程とを有する。このように、本実施の形態に係る抽出方法は、抽出性能及び抽出剤利用効率の大幅向上を目的として、エマルジョンを利用し、そしてエマルジョン状態を維持させたまま、テイラー・クエット流において抽出を行っている。   In the extraction method according to the present embodiment, the emulsion forming step for forming an emulsion between the two phases of the continuous phase and the dispersed phase, and the state of the emulsion formed in the emulsion forming step are maintained while maintaining the Taylor- And a Taylor Couette flow generation process for generating a Couette flow. As described above, the extraction method according to the present embodiment uses the emulsion for the purpose of greatly improving the extraction performance and the extraction agent utilization efficiency, and performs the extraction in the Taylor Couette flow while maintaining the emulsion state. ing.

図1は、本発明に係る遠心抽出方法に好適に使用される遠心抽出装置の一例を示すものである。この図1に示すように、本実施の形態に係る遠心抽出装置10は、外筒11と、内筒12と、内筒を回転させる回転駆動手段(図示せず)とから構成されている。なお、本実施の形態に係る遠心抽出方法を実行するための遠心抽出装置は、下記に詳細に説明する遠心抽出装置10に限られるものではなく、また装置の各構成の寸法や表面素材等は、その一例を示しており、下記に限定されるものではない。   FIG. 1 shows an example of a centrifugal extraction apparatus suitably used for the centrifugal extraction method according to the present invention. As shown in FIG. 1, the centrifugal extraction device 10 according to the present embodiment includes an outer cylinder 11, an inner cylinder 12, and rotation driving means (not shown) that rotates the inner cylinder. In addition, the centrifugal extraction apparatus for performing the centrifugal extraction method according to the present embodiment is not limited to the centrifugal extraction apparatus 10 described in detail below, and the dimensions, surface materials, and the like of each component of the apparatus are as follows. An example thereof is shown and is not limited to the following.

外筒11は、円筒形状をなし、その表面素材は、樹脂、ガラス、金属鋼等、特に限定されないが、好ましくは、親水性の樹脂等の親水性材料であることが望ましい。例えば、アクリルアミド系重合体、メタクリルアミド系重合体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、セルロース等またはこれらの混合物等を用いることができる。また、例えば、金属鋼に上記の親水性樹脂をコーティングするようにしてもよい。なお、親水性の素材を用いることが好ましい点については、後述する。   The outer cylinder 11 has a cylindrical shape, and the surface material is not particularly limited, such as resin, glass, metal steel, etc., but is preferably a hydrophilic material such as a hydrophilic resin. For example, an acrylamide polymer, a methacrylamide polymer, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, cellulose, or a mixture thereof can be used. Further, for example, the above hydrophilic resin may be coated on metal steel. Note that the use of a hydrophilic material will be described later.

内筒12は、外筒11と同心的な円筒形状をなし、外筒11との間に所定の間隙13を設けて、外筒11内に配置されている。内筒12の表面素材は、樹脂やガラス等、特に限定されないが、疎水性を有していることが好ましい。例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロペン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、モリブデンジスルフィド、窒化ホウ素、酸化コバルト、グラファイト等、又はこれらの混合物等を用いることができる。なお、ここで詳細に説明する例においては、ポリテトラフルオロエチレン(テフロン:登録商標)の表面を有した内筒が用いられているものとする。外筒11との間における間隙13は、特に限定されないが、例えば約5mm程度の隙間(空間)であり、この間隙13に連続相と分散相とが流入され、二相間において向流接触するようになっている。   The inner cylinder 12 has a cylindrical shape concentric with the outer cylinder 11 and is disposed in the outer cylinder 11 with a predetermined gap 13 provided between the inner cylinder 12 and the outer cylinder 11. The surface material of the inner cylinder 12 is not particularly limited, such as resin or glass, but preferably has hydrophobicity. For example, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropene, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyacetal, polycarbonate, molybdenum disulfide, boron nitride, cobalt oxide, graphite, or a mixture thereof can be used. In the example described in detail here, it is assumed that an inner cylinder having a surface of polytetrafluoroethylene (Teflon: registered trademark) is used. The gap 13 between the outer cylinder 11 and the outer cylinder 11 is not particularly limited. For example, the gap 13 is a gap (space) of about 5 mm. The continuous phase and the dispersed phase are introduced into the gap 13 so as to make a countercurrent contact between the two phases. It has become.

回転駆動手段は、内筒12に設けられており、内筒の回転速度を制御可能に構成されている。この回転駆動手段は、例えば、動力を発生するモータ部と、このモータ部の動力を伝達する動力伝達部とを備えており、モータ部は、タイミングプーリやタイミングベルト等を介して、動力伝達部に動力を伝えるようになっている。この回転駆動手段は、内筒を1500rpm以上の高速で回転させることが可能となっており、また、回転制御部を備え、回転速度を600rpm未満、600rpm〜1200rpm、1200rpm以上と、適宜、所望とする回転速度に調整することが可能となっている。なお、この回転駆動手段の内部構成や動力伝達機構に関しては、上記に限られるものではない。   The rotation driving means is provided in the inner cylinder 12, and is configured to be able to control the rotation speed of the inner cylinder. The rotation driving means includes, for example, a motor unit that generates power and a power transmission unit that transmits power of the motor unit. The motor unit is connected to the power transmission unit via a timing pulley, a timing belt, or the like. The power is transmitted to. This rotation driving means is capable of rotating the inner cylinder at a high speed of 1500 rpm or more, and has a rotation control unit, and the rotation speed is less than 600 rpm, 600 rpm to 1200 rpm, 1200 rpm or more, as desired. The rotation speed can be adjusted. Note that the internal configuration and power transmission mechanism of the rotation driving means are not limited to the above.

また、本実施の形態に係る遠心抽出装置10は、その装置上部に、連続相流入口14と、分散相流出口15とを備え、装置下部には、分散相流入口16と、連続相流出口17とを備えている。連続相流入口14からは、例えば重金属や環境汚染物質等の分離抽出したい物質を含んだ連続相が外筒11と内筒12との間に設けられた間隙13に流入され、一方、分散相流入口16からは、上記の重金属や環境汚染物質等の分離抽出したい物質を抽出するための抽出剤を含んだ分散相が間隙13に流入され、遠心抽出装置10の上部及び下部から流入された連続相と分散相とが、間隙13において向流接触されるように構成されている。そして、下記で詳細に説明する遠心抽出方法によって、分散相流出口15から、連続相に含有されていた重金属等の抽出対象物質を抽出剤によって分離抽出した分散相が流出され、その分散相が捕集される。一方、連続相流出口17からは、分散相との向流接触によって重金属等が除去された連続相が流出され、その連続相が捕集されるようになっている。なお、これらの分散相及び連続相の流入・流出は、各流入口14,16及び流出口15,17に設けられたポンプによって駆動されるようになっているが、ポンプ機構によって駆動されるものに限られるものではない。   The centrifugal extraction device 10 according to the present embodiment includes a continuous phase inlet 14 and a dispersed phase outlet 15 at the upper portion of the device, and a dispersed phase inlet 16 and a continuous phase flow at the lower portion of the device. And an outlet 17. From the continuous phase inlet 14, for example, a continuous phase containing substances to be separated and extracted such as heavy metals and environmental pollutants flows into a gap 13 provided between the outer cylinder 11 and the inner cylinder 12, while the dispersed phase From the inflow port 16, a dispersed phase containing an extractant for extracting substances to be separated and extracted such as heavy metals and environmental pollutants flows into the gap 13, and flows in from the upper and lower parts of the centrifugal extractor 10. The continuous phase and the dispersed phase are configured to be in countercurrent contact in the gap 13. Then, by the centrifugal extraction method described in detail below, the dispersed phase obtained by separating and extracting the extraction target substance such as heavy metal contained in the continuous phase with the extractant is discharged from the dispersed phase outlet 15. It is collected. On the other hand, a continuous phase from which heavy metals and the like are removed by countercurrent contact with the dispersed phase flows out from the continuous phase outlet 17, and the continuous phase is collected. The inflow / outflow of the dispersed phase and the continuous phase are driven by pumps provided at the inflow ports 14 and 16 and the outflow ports 15 and 17, but are driven by a pump mechanism. It is not limited to.

より具体的に基本的な操作手順について説明すると、まず、外筒11と内筒12との二重円管筒からなる遠心抽出装置10の間隙13を連続相で満たし、回転駆動手段のモータを駆動させることによって円筒12を回転させる。内筒を回転し、その回転速度を徐々に上昇させていくと、間隙13に充填した水相の流れが層流から乱流への遷移域(テイラー・クエット流領域)に移行し、この遷移域の状態で遠心抽出装置10内の流れを保つことによって、内筒12の回転軸方向にテイラー渦が多段に並んだテイラー渦列が形成されるようになる。図2は、本実施の形態に係る遠心抽出装置10における、テイラー・クエット流状態におけるテイラー渦列が生成されている様子の概略的に示した図である。このテイラー渦列が形成されるのは、層流状態(内筒回転速度600rpm未満)からテイラー・クエット流状態(600〜1200rpm)へ徐々に内筒12の回転速度を上げていくことにより、回転している内筒12の表面にせん断力が生じるとともに、内筒12付近を回転する流体の遠心力の方が、外筒11付近を回転する流体の遠心力よりも大きくなることによって、ドーナツ状のテイラー渦が列をなしたテイラー渦列が形成される。本実施の形態に係る遠心抽出方法においては、上述のようにテイラー渦列が形成された状態で、遠心抽出装置10上部より連続相を、遠心抽出装置10下部より分散相を、それぞれ流入させ、二相を向流接触させる。   More specifically, the basic operation procedure will be described. First, the gap 13 of the centrifugal extraction device 10 composed of a double circular tube of the outer cylinder 11 and the inner cylinder 12 is filled with a continuous phase, and the motor of the rotational drive means is installed. The cylinder 12 is rotated by being driven. When the inner cylinder is rotated and the rotational speed is gradually increased, the flow of the water phase filled in the gap 13 shifts to a transition region (Taylor Couette flow region) from laminar flow to turbulent flow. By maintaining the flow in the centrifugal extraction device 10 in the region, a Taylor vortex array in which Taylor vortices are arranged in multiple stages in the direction of the rotation axis of the inner cylinder 12 is formed. FIG. 2 is a diagram schematically showing a state in which a Taylor vortex street is generated in a Taylor-Couette flow state in the centrifugal extraction device 10 according to the present embodiment. This Taylor vortex train is formed by gradually increasing the rotational speed of the inner cylinder 12 from a laminar flow state (inner cylinder rotational speed less than 600 rpm) to a Taylor Couette flow state (600 to 1200 rpm). A shearing force is generated on the surface of the inner cylinder 12, and the centrifugal force of the fluid rotating in the vicinity of the inner cylinder 12 is larger than the centrifugal force of the fluid rotating in the vicinity of the outer cylinder 11, thereby making a donut shape. Taylor vortexes are formed in a row. In the centrifugal extraction method according to the present embodiment, with the Taylor vortex street formed as described above, the continuous phase is introduced from the upper part of the centrifugal extraction apparatus 10 and the dispersed phase is introduced from the lower part of the centrifugal extraction apparatus 10, respectively. The two phases are brought into countercurrent contact.

なお、図1中に記載の各構成部材の寸法等は、これに限定されるものではなく、適宜変更することができることは言うまでもない。   In addition, it is needless to say that the dimensions and the like of each component described in FIG. 1 are not limited to this, and can be changed as appropriate.

本件発明者らによる、これまでの研究では、二重円管筒からなる遠心抽出装置において、内筒の回転速度を増加させ、装置内に層流から乱流への遷移領域におけるテイラー・クエット流を発生させることによって、連続相(水相)と分散相(有機相)の液液(油水)向流操作において多段抽出が可能となり、抽出効率を向上させることが可能であることが明らかになっている(例えば、非特許文献4参照)。これは、内筒回転速度を上昇させることによって、遠心抽出装置の内筒表面のせん断応力が増加し、また有機相の装置内保持量(ホールドアップ)が増加することによるものと考えられる。より具体的には、旋回流を層流からテイラー・クエット流へ遷移させることよって、有機相が、回転している内筒表面によってせん断されて微粒化し、微粒化された有機相が内筒表面のテイラー渦の吸い込み位置に集められるとともに、旋回流を遷移させることによる流量の増加に伴って油相のホールドアップが増加することによって、抽出性能が向上したものと考えられる。   In the previous studies by the present inventors, in a centrifugal extraction device consisting of a double circular tube, the rotational speed of the inner tube was increased, and the Taylor Couette flow in the transition region from laminar flow to turbulent flow in the device. It is clarified that multistage extraction is possible in the liquid-liquid (oil-water) countercurrent operation of the continuous phase (aqueous phase) and the dispersed phase (organic phase), and the extraction efficiency can be improved. (For example, refer nonpatent literature 4). This is considered to be caused by increasing the inner cylinder rotation speed, increasing the shear stress on the surface of the inner cylinder of the centrifugal extraction device, and increasing the amount of organic phase retained in the device (hold-up). More specifically, by making the swirl flow transition from laminar flow to Taylor Couette flow, the organic phase is sheared and atomized by the rotating inner cylinder surface, and the atomized organic phase becomes the inner cylinder surface. It is considered that the extraction performance is improved by collecting oil at the Taylor vortex suction position and increasing the oil phase hold-up as the flow rate increases due to the transition of the swirling flow.

しかしながら、油水向流を安定した状態のまま運転させるには、連続相(水相)が乱流化せず、フラッディングを起こさない程度の内筒回転数で運転を制御する必要があり、性能の向上には限界がある。また、小型の装置を用いて、より高性能な抽出を可能にするためには、物質移動速度を上昇させる必要があり、テイラー・クエット流領域における抽出操作では、その物質移動速度に限界があり、そのままでは高度な分離抽出を実現することはできない。   However, in order to operate the oil-water counterflow in a stable state, it is necessary to control the operation at an inner cylinder rotational speed that does not cause turbulence in the continuous phase (water phase) and flooding. There are limits to improvement. Moreover, in order to enable higher performance extraction using a small device, it is necessary to increase the mass transfer rate, and there is a limit to the mass transfer rate in the extraction operation in the Taylor Couette flow region. As it is, advanced separation and extraction cannot be realized.

内筒回転速度を上昇させ、装置内の流れを乱流化することにより、有機相と水相のニ相はエマルジョン状態に移行する。この状態においては、二相の接触面積が大きくなるとともに、高速回転によってエマルジョンが微粒化されて大きな物質移動速度が期待できることから、抽出効率を大幅に向上させることができるものの、乱流状態での運転となるため、内筒の軸方向の混合拡散が大きくなり、テイラー・クエット流領域下において実現された、きれいな向流接触を維持することができなくなる。すなわち、向流多段抽出操作に必要な装置内における目的物質の濃度勾配を形成させることができなくなり、高度な分離抽出を実現することができなくなる。   By increasing the inner cylinder rotation speed and making the flow in the apparatus turbulent, the two phases of the organic phase and the aqueous phase shift to an emulsion state. In this state, the contact area of the two phases is increased and the emulsion is atomized by high-speed rotation, so that a large mass transfer rate can be expected. Therefore, although the extraction efficiency can be greatly improved, Because of the operation, the axial mixing and diffusion of the inner cylinder is increased, and the clean countercurrent contact realized under the Taylor-Couette flow region cannot be maintained. That is, it becomes impossible to form a concentration gradient of the target substance in the apparatus necessary for the countercurrent multistage extraction operation, and it becomes impossible to realize advanced separation and extraction.

そこで、本実施の形態に係る遠心抽出方法においては、まず高回転数で連続相(水相)と分散相(有機相)との間にエマルジョンを形成させたのち、そのエマルジョン状態を維持させたまま、多段抽出を達成するために内筒回転数をテイラー・クエット流領域まで低下させるように制御する。これにより、エマルジョンの高い物質移動速度と二相の接触面積の増大を実現するとともに、テイラー・クエット流における安定した油水向流を同時に実現することが可能となり、従来のテイラー・クエット流領域での抽出方法に比べて大幅な抽出性能の向上を実現することが可能となる。   Therefore, in the centrifugal extraction method according to the present embodiment, first, an emulsion is formed between the continuous phase (aqueous phase) and the dispersed phase (organic phase) at a high rotational speed, and then the emulsion state is maintained. In order to achieve multistage extraction, the inner cylinder rotation speed is controlled to be lowered to the Taylor Couette flow region. As a result, the mass transfer speed of the emulsion and the increase of the contact area between the two phases can be realized, and a stable oil-water counter-current flow in the Taylor Couette flow can be realized at the same time. Compared to the extraction method, it is possible to achieve a significant improvement in extraction performance.

また、テイラー・クエット流領域での抽出であるため、内筒の軸方向における混合拡散を抑えることが可能となり、より栓流(Prug Flow)に近い流れをエマルジョン状態で発生させるようにしているため、油水向流によって効率的な多段抽出を行うことができる。以下、本実施の形態に係る遠心抽出方法について、上記の遠心抽出装置10を利用した例を用いて、さらに詳細に説明する。   Moreover, since extraction is performed in the Taylor Couette flow region, it is possible to suppress mixing and diffusion in the axial direction of the inner cylinder, and a flow closer to plug flow is generated in an emulsion state. In addition, efficient multistage extraction can be performed by oil-water countercurrent. Hereinafter, the centrifugal extraction method according to the present embodiment will be described in more detail using an example in which the centrifugal extraction device 10 is used.

本実施の形態に係る抽出方法は、連続相(水相)と分散相(有機相)との間において、エマルジョンを形成させる。具体的に説明すると、まず外筒11と内筒12とからなる二重円管筒の間隙13を水相で満たし、内筒12を回転させて水相の流れの状態を層流(600rpm未満の内筒回転速度)から乱流(1200rpm以上の内筒回転速度)への遷移域、すなわち、テイラー・クエット流に保つことによって、回転軸方向にテイラー渦列を形成させる。なお、内筒12の回転速度を600〜1200rpm程度にすることによって、テイラー・クエット流を発生させる。そして、この状態で装置上部の連続相流入口14より連続相を、下部の分散相流入口16より分散相を、それぞれ外筒11と内筒12との間の間隙13に流入させて二相を向流接触させる。   In the extraction method according to the present embodiment, an emulsion is formed between the continuous phase (aqueous phase) and the dispersed phase (organic phase). More specifically, first, the gap 13 of the double tube cylinder composed of the outer cylinder 11 and the inner cylinder 12 is filled with the water phase, and the inner cylinder 12 is rotated to change the state of the water phase flow to a laminar flow (less than 600 rpm). By maintaining the transition region from turbulent flow (inner cylinder rotation speed of 1200 rpm or more), that is, Taylor Couette flow, Taylor vortex streets are formed in the rotation axis direction. A Taylor Couette flow is generated by setting the rotational speed of the inner cylinder 12 to about 600 to 1200 rpm. In this state, a continuous phase is introduced from the continuous phase inlet 14 at the upper part of the apparatus and a dispersed phase is introduced from the lower dispersed phase inlet 16 to the gap 13 between the outer cylinder 11 and the inner cylinder 12, respectively. In countercurrent contact.

なお、ここで使用される分散相は、装置内において液滴状に分散するものであり、一方、連続相は、液滴状の分散相の周囲を取り囲む溶液であり、分散相と連続相とは、互いに混ざり合わない液体であることが必要となる。例えば、分散相または連続相のうちの一方が水相である場合には、他方は水に不溶な有機相(油相)であることが必要となる。なお、本実施の形態においては、上記したように、連続相を、抽出目的の重金属等が含有された水相とし、分散相を、抽出剤が含有された有機相(油相)とする例について説明する。   The dispersed phase used here is dispersed in the form of droplets in the apparatus, while the continuous phase is a solution surrounding the droplet-shaped dispersed phase. Need to be liquids that do not mix with each other. For example, when one of the dispersed phase or the continuous phase is an aqueous phase, the other needs to be an organic phase (oil phase) insoluble in water. In the present embodiment, as described above, the continuous phase is an aqueous phase containing a heavy metal or the like for extraction, and the dispersed phase is an organic phase (oil phase) containing an extractant. Will be described.

続いて、二相を向流接触させた状態において、内筒12の回転速度を上昇させていく。内筒12の回転速度を上昇させていくと、テイラー渦と内筒12表面のせん断応力の増加と共に、有機相のホールドアップが増加し、抽出性能が向上していく。すなわち、内筒12の回転速度の増加により、テイラー渦の吸い込みが起こる部位に有機相が蓄積されていき、そして、内筒12表面に複数の円環状の油相構造が形成され、高回転数においては内筒12の表面で大きなせん断力が働き、これにより有機相が細かく分散(微粒化)され、さらに有機相のホールドアップが増加していくことによって、抽出性能が向上していく。   Subsequently, the rotational speed of the inner cylinder 12 is increased while the two phases are in countercurrent contact. As the rotational speed of the inner cylinder 12 is increased, the organic vortex and the organic cylinder holdup increase with the increase in the shear stress of the Taylor vortex and the inner cylinder 12, and the extraction performance is improved. That is, as the rotational speed of the inner cylinder 12 increases, an organic phase is accumulated in a portion where Taylor vortex is sucked, and a plurality of annular oil phase structures are formed on the surface of the inner cylinder 12, thereby increasing the number of rotations. , A large shearing force acts on the surface of the inner cylinder 12, whereby the organic phase is finely dispersed (atomized), and the organic phase holdup is further increased, thereby improving the extraction performance.

そして、本実施の形態に係る遠心抽出方法では、さらに高度な分離抽出を可能にするために、内筒12の回転速度を上昇させていき、約1200rpm以上に内筒12の回転速度を上昇させていくことによって、装置内を乱流状態にする。このようにすることによって、油水ニ相間においてエマルジョンが形成させていく。   In the centrifugal extraction method according to the present embodiment, the rotational speed of the inner cylinder 12 is increased in order to enable more advanced separation and extraction, and the rotational speed of the inner cylinder 12 is increased to about 1200 rpm or more. By doing so, the inside of the apparatus is made a turbulent state. By doing so, an emulsion is formed between the two phases.

このエマルジョン状態においては、水相と有機相(油相)のニ相の接触面積が大きくなり、また油水間の高い物質移動速度を実現することが可能となり、これによって、抽出性能を大幅に向上させることが可能になる。本実施の形態に係る遠心抽出方法は、このように、水相と有機相が流入された装置内を乱流化し、油水ニ相間においてエマルジョンを形成させることによって、抽出性能の向上を図っている。   In this emulsion state, the contact area between the two phases of the water phase and the organic phase (oil phase) becomes large, and it is possible to realize a high mass transfer rate between the oil and water, thereby greatly improving the extraction performance. It becomes possible to make it. The centrifugal extraction method according to the present embodiment thus improves the extraction performance by turbulently flowing in the apparatus into which the aqueous phase and the organic phase have been introduced, and forming an emulsion between the oil and water two phases. .

ここで、エマルジョンを形成させるために内筒12の回転速度を約1200rpm以上に上昇させて乱流化させたが、この乱流状態における運転では、徐々に内筒12の軸方向への混合拡散が大きくなっていき、完全混合に近い流れとなってしまうために、エマルジョン状態における高い物質移動速度は発揮させることができるものの、テイラー・クエット流領域下においてみられたテイラー渦列は形成されず、多段抽出に必要なきれいな目的物質の濃度勾配を得ることができなくなり、効果的に抽出操作を行うことができなくなってしまう。さらに、乱流状態における運転であるために、遠心抽出装置に対する機械的な負担も大きくなっていき、長時間に亘って運転させることが難しくなっていく。   Here, in order to form an emulsion, the rotational speed of the inner cylinder 12 was increased to about 1200 rpm or more to make it turbulent. In operation in this turbulent state, mixing and diffusion gradually in the axial direction of the inner cylinder 12 was performed. However, Taylor's vortex line observed under the Taylor-Couette flow region is not formed, although a high mass transfer speed in the emulsion state can be exhibited. Therefore, it becomes impossible to obtain a clean concentration gradient of the target substance necessary for the multistage extraction, and the extraction operation cannot be performed effectively. Furthermore, since the operation is in a turbulent state, the mechanical burden on the centrifugal extractor increases, and it becomes difficult to operate for a long time.

そこで、本実施の形態に係る遠心抽出方法では、上述のようにして形成されたエマルジョン状態を維持させつつ、内筒12の回転数を低下させるように制御するようにしている。すなわち、乱流状態にしてエマルジョンを形成させた後、その形成したエマルジョン状態を維持させたまま、混合拡散を回避し、きれいな濃度勾配が得られるテイラー・クエット流領域まで、その内筒12の回転速度を低下させる制御を行うようにしている。具体的には、1200rpm以上の内筒回転速度を、600〜1200rpm未満の回転速度に、より好ましくは、600〜800rpmの回転速度に内筒12の回転速度を低下させるようにする。   Therefore, in the centrifugal extraction method according to the present embodiment, control is performed so as to reduce the rotational speed of the inner cylinder 12 while maintaining the emulsion state formed as described above. That is, after the emulsion is formed in the turbulent state, the inner cylinder 12 is rotated to the Taylor Couette flow region where a mixed concentration is avoided and a clean concentration gradient is obtained while maintaining the formed emulsion state. Control is performed to reduce the speed. Specifically, the rotational speed of the inner cylinder 12 is reduced to a rotational speed of 600 to less than 1200 rpm, more preferably to a rotational speed of 600 to 800 rpm.

このように、テイラー・クエット流領域においてエマルジョン状態を維持させたまま抽出させることによって、効果的な多段抽出を実現することができ、抽出剤の利用効率を大幅に向上させることが可能となる。また、少ない油相の量で高度な抽出性能を発揮させることが可能であることから、本実施の形態に係る遠心抽出方法に適用される抽出装置への機械的負担を大きく低減させることが可能となり、より小型の遠心抽出装置を作成することが可能となる。   Thus, by extracting while maintaining the emulsion state in the Taylor Couette flow region, effective multi-stage extraction can be realized, and the utilization efficiency of the extractant can be greatly improved. In addition, since it is possible to exhibit a high level of extraction performance with a small amount of oil phase, it is possible to greatly reduce the mechanical burden on the extraction apparatus applied to the centrifugal extraction method according to the present embodiment. Thus, a smaller centrifugal extractor can be created.

しかし、テイラー・クエット流領域まで内筒回転速度を低下させる制御を行っているので、乱流状態において形成されたエマルジョンを、そのテイラー・クエット流領域下で、長い時間に亘って維持させることができず、効果的な抽出操作を行うことができなくなってしまう虞がある。つまり、テイラー・クエット流とすることによって、形成されていたエマルジョンが消滅してしまう虞がある。   However, since control is performed to reduce the inner cylinder rotation speed to the Taylor Couette flow region, the emulsion formed in the turbulent flow state can be maintained for a long time under the Taylor Couette flow region. There is a risk that an effective extraction operation cannot be performed. That is, there is a possibility that the formed emulsion may disappear due to the Taylor Couette flow.

そこで、本実施の形態に係る遠心抽出方法では、適用される遠心抽出装置10の内筒11の表面を、疎水性を有する素材、例えばポリテトラフルオロエチレン等の疎水性樹脂等によって構成させるようにしている。テイラー・クエット流領域において内筒を回転させると、もともと所定のせん断力をその回転によって働かせることが可能となっているが、この状況において、内筒12を疎水性を有する素材によって構成させることにより、内筒表面とエマルジョンとの間において疎水性相互作用を発揮させることが可能となり、さらに大きなせん断力をその内筒表面に働かせることができる。本実施の形態に係る遠心抽出方法では、このようにして内筒表面のせん断力を効果的に働かせるようにしているので、乱流状態において形成されるエマルジョン状態を、長時間に亘って維持させることが可能となっている。なお、疎水性樹脂としては、上述したように、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロペン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、モリブデンジスルフィド、窒化ホウ素、酸化コバルト、グラファイト、又はこれらの混合物等を用いることができるが、特に限定されない。また、その中でも特に疎水度が高いものほど、より疎水性相互作用を発揮させることができることから、好ましい。   Therefore, in the centrifugal extraction method according to the present embodiment, the surface of the inner cylinder 11 of the applied centrifugal extraction device 10 is made of a hydrophobic material, for example, a hydrophobic resin such as polytetrafluoroethylene. ing. When the inner cylinder is rotated in the Taylor Couette flow region, it is originally possible to apply a predetermined shearing force by the rotation. In this situation, the inner cylinder 12 is made of a hydrophobic material. The hydrophobic interaction can be exerted between the inner cylinder surface and the emulsion, and a larger shearing force can be applied to the inner cylinder surface. In the centrifugal extraction method according to the present embodiment, the shear force of the inner cylinder surface is effectively applied in this way, so that the emulsion state formed in the turbulent state is maintained for a long time. It is possible. As described above, as the hydrophobic resin, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropene, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyacetal, polycarbonate, molybdenum disulfide, boron nitride, cobalt oxide, graphite, or These mixtures can be used, but are not particularly limited. Of these, those having a particularly high hydrophobicity are more preferable because they can exhibit a more hydrophobic interaction.

また、本実施の形態に係る遠心抽出方法では、適用される遠心抽出装置10の外筒12の表面を、親水性を有する素材によって構成させるようにすることが、より好ましい。このように、外筒11と内筒12とからなる二重円筒管において、内筒12の間隙13に接する表面は疎水性を有する表面素材で構成し、並びに外筒11の内壁表面は親水性を有する表面素材で構成することにより、外筒11と内筒12との間における相互作用により、より効率的にテイラー渦列を形成させることが可能となり、組織的な流れに基づく多段抽出を効果的に実現させることでき、抽出性能を大幅に向上させることが可能となる。   In the centrifugal extraction method according to the present embodiment, it is more preferable that the surface of the outer cylinder 12 of the applied centrifugal extraction device 10 is made of a hydrophilic material. Thus, in the double cylindrical tube comprising the outer cylinder 11 and the inner cylinder 12, the surface in contact with the gap 13 of the inner cylinder 12 is made of a hydrophobic surface material, and the inner wall surface of the outer cylinder 11 is hydrophilic. By using the surface material having the structure, it becomes possible to form a Taylor vortex array more efficiently due to the interaction between the outer cylinder 11 and the inner cylinder 12, and the multistage extraction based on the systematic flow is effective. Therefore, the extraction performance can be greatly improved.

なお、上述のエマルジョン状態をより長時間に亘って維持させることを目的として、水相と有機相を供給する部位において、エマルジョンを形成される分散器を設けるようにしてもよい。このようにして供給部において分散器を設けることで、テイラー・クエット流領域において消失したエマルジョンを随時補うことができるようになり、より長時間に亘ってエマルジョン状態を維持させ、エマルジョンの高い物質移動速度と接触面積の増大を発揮させて、抽出性能の向上を図ることが可能となる。   In addition, you may make it provide the disperser which forms an emulsion in the site | part which supplies an aqueous phase and an organic phase for the purpose of maintaining the above-mentioned emulsion state over a longer time. By providing a dispersing device in the supply section in this way, it becomes possible to supplement the lost emulsion in the Taylor Couette flow region at any time, maintain the emulsion state for a longer time, and increase the mass transfer of the emulsion. The extraction performance can be improved by increasing the speed and the contact area.

以上のように、本実施の形態に係る遠心抽出方法によれば、内筒の回転速度を高め、エマルジョンを形成させ、このエマルジョン状態において効果的に分離抽出を行うようにしているので、エマルジョン状態での接触面積の増大を実現することができ、また内筒の高回転速度により、内筒の表面でエマルジョンが微粒化されて高い物質移動速度を発揮させることが可能となり、抽出性能を大幅に向上させることができる。   As described above, according to the centrifugal extraction method according to the present embodiment, the rotational speed of the inner cylinder is increased, an emulsion is formed, and separation and extraction are effectively performed in this emulsion state. The contact area can be increased, and the high rotation speed of the inner cylinder enables the emulsion to be atomized on the surface of the inner cylinder to exhibit a high mass transfer speed, greatly improving the extraction performance. Can be improved.

また、本実施の形態に係る遠心抽出方法によれば、エマルジョンを形成させた後に、そのエマルジョン状態を維持したまま、内筒の回転速度をテイラー・クエット流領域まで低下させるように制御しているので、エマルジョン状態における抽出効果を発揮させつつ、内筒の軸方向における混合拡散を低下させ、より栓流に近い流れを発生させることが可能となり、テイラー・クエット流領域における効率的な油水間における向流接触に基づく多段抽出を実現することが可能となる。   Further, according to the centrifugal extraction method according to the present embodiment, after the emulsion is formed, the rotational speed of the inner cylinder is controlled to be lowered to the Taylor Couette flow region while maintaining the emulsion state. Therefore, while exhibiting the extraction effect in the emulsion state, it is possible to reduce the mixing and diffusion in the axial direction of the inner cylinder, and to generate a flow closer to the plug flow, between the efficient oil and water in the Taylor Couette flow region Multistage extraction based on countercurrent contact can be realized.

さらにまた、本実施の形態に係る遠心抽出方法によれば、疎水度の高い素材で表面を構成させた内筒を備えた遠心抽出装置を用いることによって、テイラー・クエット流領域下において、内筒の回転に伴うせん断力と共に、内筒の疎水性相互作用に基づくせん断力の大幅な向上を図ることが可能となり、長時間に亘って乱流化で形成させたエマルジョンを、テイラー・クエット流領域下において維持させることが可能となり、分析装置や薬剤製造等の抽出剤の利用効率を高め、素早く高度な抽出が求められる場において、好適に使用することが可能となる。   Furthermore, according to the centrifugal extraction method according to the present embodiment, by using a centrifugal extraction device including an inner cylinder whose surface is made of a material having a high hydrophobicity, the inner cylinder is placed under the Taylor Couette flow region. In addition to the shearing force accompanying the rotation of the inner cylinder, it is possible to greatly improve the shearing force based on the hydrophobic interaction of the inner cylinder. It is possible to maintain it underneath, and it is possible to improve the utilization efficiency of the extractant such as an analyzer and drug production, and to use it suitably in a place where quick and advanced extraction is required.

また、本実施の形態に係る遠心抽出方法によれば、より緩やかな内筒回転速度で、高度な抽出が可能となるので、当該抽出方法に適用した抽出装置への機械的負担を大幅に低減させることができ、さらに、抽出装置の小型化、並びに簡便かつ迅速な抽出操作が可能となる。   In addition, according to the centrifugal extraction method according to the present embodiment, high-level extraction is possible at a slower inner cylinder rotation speed, so that the mechanical burden on the extraction device applied to the extraction method is greatly reduced. Furthermore, it is possible to reduce the size of the extraction device and to perform a simple and quick extraction operation.

以下、さらに具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。   Hereinafter, more specific examples will be described, but the present invention is not limited to these examples.

<内筒回転速度に対するZnイオンの抽出率についての実験>
本実施例における基本となる抽出操作は、内筒と外筒の間隙にZnイオン濃度が65ppm(=65mg/L)の硝酸亜鉛(Zn(NO)溶液を含む水相を満たし、内筒を回転させてテイラー渦を発生させた。テイラー渦が安定した後、装置上部よりZnイオン濃度が65ppm(=65mg/L)のZn(NO溶液を含む水相を、装置下部より10mmol/Lのリン酸エステル抽出剤(D2EHPA:di-2-ethylhexylphosphoric acid)を含むドデカン溶液(有機相)を、それぞれ10ml/minの一定流量で、内筒と外筒との間隙に流入させ、油水向流操作を行った。温度は室温(25℃)で行った。なお、以下の実験に用いた遠心抽出装置は、図1に寸法等を付して示した装置と同じ装置を用い、その間隙に接する内筒表面がポリテトラフルオロエチレンからなる遠心抽出装置を使用した。
<Experiment on the extraction rate of Zn ions with respect to the inner cylinder rotation speed>
The basic extraction operation in this example is to fill an aqueous phase containing a zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 ) solution having a Zn ion concentration of 65 ppm (= 65 mg / L) in the gap between the inner cylinder and the outer cylinder. The cylinder was rotated to generate a Taylor vortex. After the Taylor vortex was stabilized, an aqueous phase containing a Zn (NO 3 ) 2 solution having a Zn ion concentration of 65 ppm (= 65 mg / L) was added from the upper part of the apparatus, and a 10 mmol / L phosphate ester extractant (D2EHPA: A dodecane solution (organic phase) containing di-2-ethylhexylphosphoric acid) was introduced into the gap between the inner cylinder and the outer cylinder at a constant flow rate of 10 ml / min, respectively, and an oil-water countercurrent operation was performed. The temperature was room temperature (25 ° C.). The centrifugal extraction apparatus used in the following experiment uses the same apparatus as the apparatus shown in FIG. 1 with dimensions and the like, and uses a centrifugal extraction apparatus whose inner cylinder surface in contact with the gap is made of polytetrafluoroethylene. did.

(実施例1)
(エマルジョン状態での抽出操作)
上記基本操作により、装置上部より水相を、装置下部より有機相をそれぞれ流入させて向流接触させたのち、はじめに内筒の回転数を上げて1500rpmとし、水相及び有機相間のエマルジョンを形成させた。そして、形成したエマルジョンの状態のまま、内筒回転速度を目的とする所定の回転数に低下させ、各回転数における流出する油水中のZn抽出量の経時変化を測定した。
Example 1
(Extraction operation in the emulsion state)
By the above basic operation, the water phase is introduced from the upper part of the device and the organic phase is introduced from the lower part of the device and brought into countercurrent contact. First, the inner cylinder is rotated to 1500 rpm to form an emulsion between the aqueous phase and the organic phase. I let you. And with the state of the formed emulsion, the inner cylinder rotational speed was decreased to a predetermined rotational speed, and the change with time in the amount of Zn extracted from the flowing out oil water at each rotational speed was measured.

(比較例1)
(エマルジョンを形成させない状態での抽出操作)
上記基本操作により、装置上部より水相を、装置下部より有機相をそれぞれ流入させて向流接触させたのち、実施例1とは異なり、エマルジョンを形成させないで抽出し、装置から流出する有機相と水相を採取して、内筒の回転数とZn抽出性能の関係を調べた。
(Comparative Example 1)
(Extraction operation without forming an emulsion)
According to the above basic operation, the aqueous phase is introduced from the upper part of the apparatus and the organic phase is introduced from the lower part of the apparatus and brought into countercurrent contact, and unlike Example 1, the organic phase is extracted without forming an emulsion and flows out of the apparatus. The water phase was collected and the relationship between the inner cylinder rotation speed and the Zn extraction performance was investigated.

(実施例1及び比較例1における抽出実験結果)
図3は、実施例1と比較例1のZn抽出実験の、各内筒回転速度における抽出性能の実験結果を示すグラフである。
(Extraction experiment results in Example 1 and Comparative Example 1)
FIG. 3 is a graph showing experimental results of extraction performance at each inner cylinder rotation speed in the Zn extraction experiments of Example 1 and Comparative Example 1.

このグラフからも判るように、実施例1の実験における、エマルジョン状態を維持したままでの運転では1000rpm以上の高回転域よりも800rpm以下の低回転域で高い抽出率を示し、通常のテイラー・クエット流での抽出操作に比べてはるかに大きな抽出率を示した。特に、800rpmの回転速度においては、約96%、理論段解析を行った結果では、理論段数30段以上の極めて高い抽出率を示した。この結果から、エマルジョン状態を維持しながら低回転数で運転させることによって、大きな油水接触面積と、安定した油水向流が同時に達成されることを示唆していることがわかる。また、図1に示すように、実可動長18cmという小型の回転部を備えた装置に、単純に油水を向流接触させただけにもかかわらず、約96%という高抽出率を可能にしたことから、小型の装置を使用して簡便に高度な抽出を実現できることが判った。なお、1000rpm以上で急速に抽出性能が低下するが、これは塔内の乱流化によって軸方向の混合拡散効果が大きくなり、装置内の流れが管型反応器としてよりも完全混合相の性質に近くなり、油水向流による多段抽出効果が小さくなるためと考えられる。   As can be seen from this graph, in the experiment of Example 1, the operation while maintaining the emulsion state showed a higher extraction rate in the low rotation range of 800 rpm or lower than the high rotation range of 1000 rpm or higher. The extraction rate was much larger than the extraction operation in the Couette flow. In particular, at a rotational speed of 800 rpm, the result of theoretical plate analysis was about 96%, and an extremely high extraction rate of 30 or more theoretical plates was shown. From this result, it is understood that a large oil / water contact area and a stable oil / water countercurrent are simultaneously achieved by operating at a low rotation speed while maintaining the emulsion state. Moreover, as shown in FIG. 1, a high extraction rate of about 96% was made possible even though the oil / water was simply brought into countercurrent contact with a device having a small rotating part having an actual movable length of 18 cm. Therefore, it was found that a high-level extraction can be easily realized using a small apparatus. In addition, although the extraction performance rapidly decreases at 1000 rpm or more, this is because the turbulent flow in the column increases the effect of mixing and diffusing in the axial direction. This is thought to be due to the fact that the multistage extraction effect due to the countercurrent flow becomes smaller.

一方、比較例1のエマルジョンを形成させずに単純にテイラー・クエット流で運転させた抽出操作では、内筒の回転数を増加すると抽出率が増加し、特に1200rpm以上では装置内の有機相のホールドアップが増加して抽出性能が向上していることがわかる。しかし、この方法での理論段解析の結果では、最大でもおおよそ理論段数3段(回転速度1400rpmにおいて)が得られたのみであり、実施例1に比して抽出率ははるかに低かった。また、内筒を1400rpm以上の回転数にすると、塔内が乱流化してエマルジョンを形成し、安定したテイラー・クエット流は維持できず、装置の負担も大きくなり、継続して理論段数3段の抽出率を示すことは困難であることがわかった。   On the other hand, in the extraction operation that is simply operated in the Taylor Couette flow without forming the emulsion of Comparative Example 1, the extraction rate increases when the number of rotations of the inner cylinder is increased. Especially at 1200 rpm or more, the organic phase in the apparatus is increased. It can be seen that the extraction performance is improved by increasing the hold-up. However, as a result of theoretical plate analysis by this method, only a maximum of about three theoretical plates (at a rotational speed of 1400 rpm) was obtained at the maximum, and the extraction rate was much lower than that of Example 1. Also, if the inner cylinder is rotated at a rotational speed of 1400 rpm or more, the inside of the tower is turbulent to form an emulsion, a stable Taylor Couette flow cannot be maintained, the burden on the apparatus increases, and the number of theoretical plates continues to be three. It turned out to be difficult to show the extraction rate.

<エマルジョン状態におけるZnの抽出性能の持続性についての実験>
(実施例2)
実施例1と同様の条件(有機相、水相の流量:10mL/min)で油水を向流で流し、1500rpmで油水をエマルジョン化した後、内筒回転数を600rpmに調整した。装置上部から65ppm(=65mg/L)のZnイオン濃度を含むZn(NO溶液からなる水相を、装置下部より10mmol/LのD2EHPAを含むドデカン溶液(有機相)を流入させ、油水向流操作を行った。内筒回転数を600rpmに変化させたときを0分として、Zn抽出性能の時間変化を調べた。
<Experiment on sustainability of Zn extraction performance in emulsion state>
(Example 2)
Under the same conditions as in Example 1 (flow rates of organic phase and aqueous phase: 10 mL / min), oil water was counterflowed, and the oil water was emulsified at 1500 rpm, and then the inner cylinder rotation speed was adjusted to 600 rpm. An aqueous phase composed of a Zn (NO 3 ) 2 solution containing a Zn ion concentration of 65 ppm (= 65 mg / L) from the upper part of the apparatus is introduced into the dodecane solution (organic phase) containing 10 mmol / L of D2EHPA from the lower part of the apparatus. Counter-current operation was performed. The time change of the Zn extraction performance was examined with the time when the inner cylinder rotation speed was changed to 600 rpm as 0 minutes.

(実験結果)
図4は、時間に対するZnの抽出性能の変化についての本実施例の結果を示すグラフである。グラフ中の白抜き丸印で示すプロットは、装置上部より流出する有機相中のZn濃度を表し、黒抜き丸印で示すプロットは、装置下部より流出する水相中のZn濃度を表している。このグラフからも判るように、Znの抽出性能は150分程度の長時間に亘って、安定的に維持されており、化学分析や物質精製などにおいて、本抽出方法を有効に利用することが可能であることが判明した。150分以降の流れは、油水エマルジョンから通常のテイラー・クエット流れに急激に変化し、それに伴ってZn抽出性能が大きく低下したものと考えられる。この流れの変化は装置内の流れの目視観察でも確認できた。すなわち、この結果から、乱流状態で形成したエマルジョンを、テイラー・クエット流領域において150分程度まで持続させて、安定的な抽出性能を実現できると結論付けることができる。
(Experimental result)
FIG. 4 is a graph showing the results of this example regarding the change in the extraction performance of Zn with respect to time. The plot indicated by the white circle in the graph represents the Zn concentration in the organic phase flowing out from the upper part of the apparatus, and the plot indicated by the black circle represents the Zn concentration in the aqueous phase flowing out from the lower part of the apparatus. . As can be seen from this graph, the extraction performance of Zn is stably maintained over a long period of about 150 minutes, and this extraction method can be used effectively in chemical analysis and substance purification. It turned out to be. It is considered that the flow after 150 minutes suddenly changed from an oil-water emulsion to a normal Taylor Couette flow, and the Zn extraction performance was greatly reduced accordingly. This change in flow was confirmed by visual observation of the flow in the apparatus. That is, from this result, it can be concluded that the emulsion formed in the turbulent state can be maintained for about 150 minutes in the Taylor-Couette flow region to achieve a stable extraction performance.

<エマルジョン形成後の油相のトレーサー応答についての実験>
(実施例3)
装置内での油相の流れを調べるために、エマルジョン状態で微量のトレーサー(ベータカロテン)を含む有機相(ドデカンで希釈された10mmol/L D2EHPA溶液)を連続的(ステップ状)に流入させて、その応答曲線を調べた。
<Experiment on tracer response of oil phase after emulsion formation>
(Example 3)
In order to investigate the flow of the oil phase in the apparatus, an organic phase (10 mmol / L D2EHPA solution diluted with dodecane) containing a trace amount of tracer (beta-carotene) in an emulsion state was continuously flowed (stepped). The response curve was examined.

まず、実施例1,2と同様にして、水相と有機相を10ml/minの流量で向流に流し、内筒回転数1500rpmで油水エマルジョンを形成させた。その後、内筒回転数を800rpm、1000rpm、1500rpmに調整して、トレーサーを含む有機相を連続的(ステップ状)に投入した。   First, in the same manner as in Examples 1 and 2, the water phase and the organic phase were caused to flow counter-currently at a flow rate of 10 ml / min, and an oil-water emulsion was formed at an inner cylinder rotational speed of 1500 rpm. Thereafter, the inner cylinder rotation speed was adjusted to 800 rpm, 1000 rpm, and 1500 rpm, and the organic phase containing the tracer was continuously added (stepped).

(実験結果)
図5は、エマルジョン状態でトレーサー実験の結果を示すグラフである。このグラフの横軸は、有機相の平均滞留時間で規格化した運転時間(t/T)を示す。また、縦軸は、流出される有機相中のトレーサー濃度を表し、供給された有機相中のトレーサー濃度で規格化した値(C/C)である。なお、このグラフでは、トレーサー投入時を時間0(ゼロ)とした。装置の軸方向における混合拡散が無視できれば、連続的に投入したトレーサーは規格時間1のところでステップ状に現れると考えられ(栓流)、混合拡散が大きい場合は完全混合流の応答曲線、すなわち時間0(ゼロ)から徐々に濃度を上げながら流出していくと考えられる。
(Experimental result)
FIG. 5 is a graph showing the results of the tracer experiment in the emulsion state. The horizontal axis of this graph represents the operation time (t / T) normalized by the average residence time of the organic phase. The vertical axis represents the tracer concentration in the organic phase that flows out, and is a value (C / C 0 ) normalized by the tracer concentration in the supplied organic phase. In this graph, the time when the tracer is turned on is defined as time 0 (zero). If the mixing diffusion in the axial direction of the apparatus can be ignored, it is considered that the continuously input tracer appears in a step shape at the standard time 1 (plug flow), and when the mixing diffusion is large, the response curve of the complete mixing flow, that is, the time It is thought that it flows out while gradually increasing the concentration from 0 (zero).

実験結果は、800rpmで内筒を回転させた場合、軸方向の混合拡散効果が小さかった。完全混合槽列モデルによる応答曲線の解析の結果、完全混合槽列数は800rpmで10槽であり、かなり栓流に近い流れであることがわかった。1000rpmから1500rpmに回転数を上げると、完全混合槽列数は1000rpmで4槽、1500rpmで2槽と少なくなり(軸方向の混合拡散の影響が大きくなり)、装置内の流れは完全混合流に近くなっていることがわかる。したがって、実施例1に示すように本抽出方法では、800rpmで最大の抽出性能を発揮することがわかった。このことは、有機相の流れが最も栓流に近い800rpmにおいて油水間の多段抽出効果が効率的に発現されたためと考えられる。また、800rpmにおいて多段抽出効果を効率的に発揮することができたことから、本抽出方法を適用した遠心抽出装置の運転も効率的に行うことができ、かつ機械的な負担を低減した抽出を実現できることがわかった。   As a result of the experiment, when the inner cylinder was rotated at 800 rpm, the mixing and diffusion effect in the axial direction was small. As a result of analysis of the response curve by the complete mixing tank row model, it was found that the number of complete mixing tank rows was 10 at 800 rpm, and the flow was very close to plug flow. When the number of rotations is increased from 1000 rpm to 1500 rpm, the number of complete mixing tank rows decreases to 4 tanks at 1000 rpm and 2 tanks at 1500 rpm (the influence of mixing and diffusion in the axial direction increases), and the flow in the apparatus becomes a completely mixed flow. You can see that they are close. Therefore, as shown in Example 1, it was found that this extraction method exhibits the maximum extraction performance at 800 rpm. This is considered to be because the multistage extraction effect between oil and water was efficiently expressed at 800 rpm where the flow of the organic phase was closest to the plug flow. In addition, since the multi-stage extraction effect can be efficiently exhibited at 800 rpm, the operation of the centrifugal extraction apparatus to which the present extraction method is applied can be efficiently performed, and extraction with reduced mechanical burden can be performed. It turns out that it can be realized.

本実施の形態に係る遠心抽出方法に適用可能な遠心抽出装置の構造を概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the structure of the centrifugal extraction apparatus applicable to the centrifugal extraction method which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る遠心抽出方法に適用可能な遠心抽出装置においてテイラー渦列は形成された状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the state in which the Taylor vortex row was formed in the centrifugal extraction apparatus applicable to the centrifugal extraction method which concerns on this Embodiment. 内筒回転速度に対するZnイオンの抽出率についての実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result about the extraction rate of Zn ion with respect to an inner cylinder rotation speed. エマルジョン状態におけるZnイオンの抽出性能の持続性についての実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result about the sustainability of the extraction performance of Zn ion in an emulsion state. エマルジョン形成後の油相のトレーサー応答についての実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result about the tracer response of the oil phase after emulsion formation.

Claims (8)

連続相と分散相とを向流接触させる遠心抽出方法において、
上記連続相と上記分散相とのニ相の間で、エマルジョンを形成させるエマルジョン形成工程と、
上記エマルジョン形成工程にて形成されたエマルジョンを維持させたまま、テイラー・クエット流を発生させるテイラー・クエット流発生工程と
を有することを特徴とする遠心抽出方法。
In the centrifugal extraction method in which the continuous phase and the dispersed phase are in countercurrent contact,
An emulsion forming step of forming an emulsion between the two phases of the continuous phase and the dispersed phase;
And a Taylor Couette flow generating step of generating a Taylor Couette flow while maintaining the emulsion formed in the emulsion forming step.
当該遠心抽出方法は、外筒と、該外筒の内側に間隙を設けて配置された内筒と、該内筒を回転させる回転駆動手段とを備えた遠心抽出装置を用いて行われ、
上記エマルジョン形成工程では、上記内筒を回転させて、エマルジョンを形成させることを特徴とする請求項1記載の遠心抽出方法。
The centrifugal extraction method is performed using a centrifugal extraction device including an outer cylinder, an inner cylinder disposed with a gap inside the outer cylinder, and a rotation driving unit that rotates the inner cylinder.
The centrifugal extraction method according to claim 1, wherein in the emulsion forming step, the inner cylinder is rotated to form an emulsion.
上記テイラー・クエット流発生工程では、上記円筒を、上記エマルジョン形成工程における回転数よりも低い回転数で回転させて、テイラー・クエット流を発生させることを特徴とする請求項2記載の遠心抽出方法。   3. The centrifugal extraction method according to claim 2, wherein, in the Taylor Couette flow generation step, the Taylor Couette flow is generated by rotating the cylinder at a rotation speed lower than the rotation speed in the emulsion formation step. . 外筒と、該外筒の内側に間隙を設けて配置された内筒と、該内筒を回転させる回転駆動手段とを備え、連続相と分散相とを上記間隙において向流接触させる遠心抽出装置において、
上記間隙に接する上記内筒の表面は、疎水性を有する素材によって構成されることを特徴とする遠心抽出装置。
Centrifugal extraction comprising an outer cylinder, an inner cylinder disposed with a gap inside the outer cylinder, and a rotation driving means for rotating the inner cylinder, wherein the continuous phase and the dispersed phase are brought into countercurrent contact in the gap. In the device
The centrifugal extraction device according to claim 1, wherein the surface of the inner cylinder in contact with the gap is made of a hydrophobic material.
上記外筒は、内壁が親水性を有する素材によって構成されることを特徴とする請求項4記載の遠心抽出装置。   The centrifugal extraction device according to claim 4, wherein the outer cylinder is made of a material having an inner wall having hydrophilicity. 上記内筒の表面は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロペン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、モリブデンジスルフィド、窒化ホウ素、酸化コバルト、グラファイトより選択される素材より構成されることを特徴とする請求項4記載の遠心抽出装置。   The surface of the inner cylinder is made of a material selected from polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropene, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyacetal, polycarbonate, molybdenum disulfide, boron nitride, cobalt oxide, and graphite. The centrifugal extraction device according to claim 4. 上記内筒の表面は、ポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項6記載の遠心抽出装置。   The centrifugal extraction device according to claim 6, wherein the surface of the inner cylinder is polytetrafluoroethylene. エマルジョンを形成させる分散器をさらに備えることを特徴とする請求項4記載の遠心抽出装置。   The centrifugal extraction device according to claim 4, further comprising a disperser for forming an emulsion.
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