專利名稱：一種萃取分離In和Fe、Zn的微流體萃取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種利用微反應(yīng)器系統(tǒng)對(duì)有價(jià)金屬進(jìn)行萃取的方法，屬于微流體技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
濕法冶金的萃取分離過程可以直接從溶液中將多種金屬離子進(jìn)行分離提純，避免了沉淀、結(jié)晶或還原等分離過程產(chǎn)生廢渣、以及溶液到渣再到溶液的繁多エ序，是冶金溶液體系分離凈化的關(guān)鍵手段。但傳統(tǒng)萃取過程仍然存在ー些需要解決的關(guān)鍵問題
a、萃取劑耗量大
由于萃取、反萃時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，往往需要多級(jí)甚至十多級(jí)萃取，為了適應(yīng)萃取傳質(zhì)要求，萃取劑用量大。另外，萃取劑與空氣接觸面積大，受環(huán)境溫度的影響大，揮發(fā)嚴(yán)重，高能攪拌過程的剪切力可能會(huì)破壞萃取劑分子結(jié)構(gòu)和引起溫升等問題。b、共萃嚴(yán)重，萃取效率低
在強(qiáng)混合條件下，主金屬離子和雜質(zhì)金屬離子的共萃嚴(yán)重，萃取的選擇性差，導(dǎo)致萃取之后還需多級(jí)洗滌和反萃。如用P204萃取分離N1、Co過程中由于存在萃Co時(shí)Fe、Zn、Mn和Cu的共萃，而使整個(gè)萃取級(jí)數(shù)達(dá)到18級(jí)以上，再如用P204萃取分離In過程中由于出現(xiàn)Fe、Zn、Sb、Bi和Cl等的共萃問題，使得整個(gè)萃取級(jí)數(shù)達(dá)到14級(jí)以上。這大大増加了投資成本，降低了萃取效率。c、易出現(xiàn)乳化現(xiàn)象 關(guān)于銦萃取過程中產(chǎn)生乳化的機(jī)理，目前國內(nèi)外都進(jìn)行了深入的研究，并提出了很多預(yù)防措施。但到目前為止，乳化現(xiàn)象并不能很好的避免。究其原因，是由于對(duì)于存在有顆粒、某種金屬離子或是包含表面活性劑的復(fù)雜溶液體系，由于常規(guī)萃取的高能混合使得萃取過程進(jìn)行的很充分和迅速，但在相分離過程中，由于穩(wěn)定性粒子(如顆粒膠體)吸附在乳化液顆粒的液-液界面上成為穩(wěn)定的保護(hù)層，使得兩相液滴聚結(jié)速率變得非常緩慢甚至完全停止，而從界面上移開ー個(gè)顆粒所需的能量是很大的。這也就是破乳困難和需要輸入大量能量的根本原因。d、火災(zāi)隱患大
由于萃取過程時(shí)間較長(zhǎng),需要建成體積較大的攪拌槽和澄清池,整個(gè)萃取過程要占據(jù)很大的地方。而且有機(jī)相大面積暴露在空氣中，使得火災(zāi)隱患較大。近年來，我國大型冶煉廠就發(fā)生了多起萃取車間失火事故，ー些小型的冶煉廠的萃取エ序也頻發(fā)火災(zāi)事故。因此，常規(guī)萃取的這些局限性亟待解決，而密閉、高效的萃取設(shè)備的開發(fā)是解決這ー問題的關(guān)鍵所在。利用微反應(yīng)器系統(tǒng)的高效、低耗、安全等特點(diǎn)來改造傳統(tǒng)冶金產(chǎn)業(yè)的低效高耗單元過程如萃取、換熱和混合等，有可能開發(fā)出新的節(jié)能エ藝過程，從而推動(dòng)冶金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。由于微反應(yīng)器的有效通道或腔室的物理尺寸縮小到微米甚至納米級(jí)別，使得流體物理量如溫度、壓力、濃度和密度等的梯度急劇增加，導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)推動(dòng)カ的大大增加，可使傳熱系數(shù)提高ー個(gè)數(shù)量級(jí)而傳質(zhì)反應(yīng)時(shí)間降低ー個(gè)數(shù)量級(jí)。由此帶來的優(yōu)勢(shì)還表現(xiàn)在由于反應(yīng)速度的提高,反應(yīng)設(shè)備以及反應(yīng)體系可大大縮減,使得反應(yīng)過程的安全性大大提高，用地投資大大節(jié)約，材料消耗大大減少；對(duì)于原料、反應(yīng)過程或產(chǎn)物存在毒性的反應(yīng)，可通過采用分區(qū)域小型的分布式生產(chǎn)方式，從而避免有毒有害原料產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)；其處理能力可以通過增加功能單元的數(shù)目(Numbering-up)來提高,而不需要逐級(jí)放大反應(yīng)設(shè)備。目前先進(jìn)的微制造技術(shù)正在促進(jìn)微反應(yīng)器的快速發(fā)展，這ー領(lǐng)域中的焦點(diǎn)都大量集中在不相溶的液-液兩相萃取分離的擴(kuò)散傳質(zhì)的研究。在微流體領(lǐng)域，溶劑萃取是非常高效的，因?yàn)樗哂心芴峁┖芨叩谋缺砻娣e和短的擴(kuò)散距離的特征。有利于降低擴(kuò)散的路徑長(zhǎng)度及增加兩相界面的傳質(zhì)速率，從而提高化學(xué)反應(yīng)速率。此外，層流控制下的相傳質(zhì)可以避免乳化發(fā)生。通過“數(shù)量疊加’^Numbering-up(例如并行處理)技術(shù)為微流體エ藝過程產(chǎn)量的増加提供了一種新的可能。這也使得批量操作(混合/反應(yīng)/分離)能夠連續(xù)進(jìn)行。因此，在微量化學(xué)體系下，可以同時(shí)達(dá)到簡(jiǎn)化工藝流程防止乳化產(chǎn)生和縮短反應(yīng)時(shí)間的目標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服傳統(tǒng)溶劑萃取銦的萃取效率低、溶液易乳化、銦與鐵、鋅等雜質(zhì)分離困難，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，危險(xiǎn)性高等缺點(diǎn)，提供ー種萃取分離In和Fe、Zn的微流體萃取方法，是ー種高效、安全、無污染、分離率高的新方法。本發(fā)明通過下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)ー種萃取分離In和Fe、Zn的微流體萃取方法，經(jīng)過下列各步驟
(1)將含銦、鐵、鋅的硫酸體系溶液作為水相、經(jīng)溶劑油稀釋的P204萃取劑作為有機(jī)相分別通入兩臺(tái)流量泵內(nèi)，流量泵的出口端連接微反應(yīng)器入ロ ；
(2)先開啟有機(jī)相流量泵，待有機(jī)相進(jìn)入微反應(yīng)器的微通道后，再按有機(jī)相流量的0.65倍設(shè)定并開啟水相流量泵，同 時(shí)通過光學(xué)顯微鏡觀察微通道內(nèi)形成的兩相層流相界面(顯微鏡俯視觀察能看到水相和有機(jī)相在微通道中呈左右平行前迸，兩相層流相界面即為水相和有機(jī)相的接觸面)，期間調(diào)節(jié)兩相的流量，使兩相平行流動(dòng)；
(3)兩相流至微通道出ロ的Y型岔ロ處時(shí)開始分離，從各自出ロ流出微反應(yīng)器，并對(duì)兩相分別收集，銦被萃取進(jìn)入有機(jī)相，而鐵和鋅留著水相中，實(shí)現(xiàn)了銦與鐵、鋅的分離。所述含銦、鐵、鋅的硫酸體系溶液是濕法冶煉鋅過程中的浸出液。所述溶劑油是常規(guī)溶劑油，如260號(hào)溶劑油。所述微通道的特征尺寸為160 800Mm (內(nèi)徑)，長(zhǎng)度為80 480_。所述兩相在微通道中的接觸時(shí)間為0. 01 10s。發(fā)明原理由于微反應(yīng)器內(nèi)兩相界面積與兩相傳質(zhì)深度之比，兩相中目標(biāo)元素濃度梯度很大，致使萃取推動(dòng)カ大大提高，傳質(zhì)效率往往比傳統(tǒng)操作提高ー個(gè)數(shù)量級(jí)。所以互不相溶的兩相可以在微通道內(nèi)，通過短時(shí)間的層流流動(dòng)接觸的情況下進(jìn)行快速傳質(zhì)。它的特點(diǎn)是強(qiáng)化了冶金操作單元過程，提高效率、降低能耗。微流體技術(shù)是在微觀尺寸下控制、操作和檢測(cè)復(fù)雜流體的技術(shù)，是在微化工、微機(jī)械、生物工程和納米技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門全新交叉學(xué)科。近年來微流體技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)在化學(xué)、醫(yī)藥及生命科學(xué)等領(lǐng)域上造成革命性的沖擊。目前，在化學(xué)和化工領(lǐng)域，如氣體處理、化學(xué)合成及顆粒合成等,微流體技術(shù)已經(jīng)能夠達(dá)到年產(chǎn)數(shù)噸的產(chǎn)能。因此,把微流體技術(shù)應(yīng)用于濕法冶金領(lǐng)域，可能在改善濕法冶金溶劑萃取過程的乳化現(xiàn)象、降低萃取劑用量和提高萃取操作的安全性等方面，發(fā)揮重要作用。本發(fā)明使用微流體技術(shù)，使兩相液體在微通道內(nèi)保持層流流動(dòng)，通過Y型出口快速分離，In萃取率可達(dá)到90%以上，而Fe和Zn離子則完全不被萃取，而且未出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，從而避免了傳統(tǒng)萃取含IruFe和Zn溶液的一系列問題。具有以下效果和優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明針對(duì)濕法煉鋅浸出液中的In金屬，采用微流體溶劑萃取技術(shù)回收，回收效率高,且反應(yīng)所需時(shí)間大大縮短。2、本發(fā)明由于萃取過程耗時(shí)短，通過提高循環(huán)次數(shù)，可大大減少萃取劑的用量和耗量。
3、本發(fā)明采用微流體層流條件下進(jìn)行選擇性萃取，可避免萃取過程出現(xiàn)乳化現(xiàn)象。4、本發(fā)明使得In與Fe和Zn等雜質(zhì)金屬高效分離，萃取選擇性非常優(yōu)越。5、本發(fā)明在保證反應(yīng)在封閉體系中進(jìn)行，條件可控性強(qiáng)，安全性高，避免了萃取有機(jī)溶劑暴露在空氣中，產(chǎn)生揮發(fā)和火災(zāi)的危險(xiǎn)。
圖1為本發(fā)明微反應(yīng)器的裝置示意 圖2為實(shí)施例1微通道的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說明。實(shí)施例1
(1)將含銦4.52g/L、鐵、鋅的硫酸體系溶液(濕法冶煉鋅過程中的浸出液)作為水相、經(jīng)260號(hào)溶劑油稀釋的P204萃取劑(30%體積分?jǐn)?shù)P204+70%體積分?jǐn)?shù)溶劑油)作為有機(jī)相分別通入兩臺(tái)流量泵內(nèi)，流量泵的出口端連接微反應(yīng)器入口 ；
(2)先開啟有機(jī)相流量泵，待有機(jī)相進(jìn)入微反應(yīng)器的微通道(特征尺寸為160Mffl、長(zhǎng)度為380mm)后，再按有機(jī)相流量的0. 65倍設(shè)定并開啟水相流量泵，同時(shí)通過光學(xué)顯微鏡觀察微通道內(nèi)形成的兩相層流相界面(顯微鏡俯視觀察能看到水相和有機(jī)相在微通道中呈左右平行前迸，兩相層流相界面即為水相和有機(jī)相的接觸面)，期間調(diào)節(jié)兩相的流量，使兩相平行流動(dòng)，兩相在微通道中的接觸時(shí)間為1. 49s ；
(3)兩相流至微通道出ロ的Y型岔ロ處時(shí)開始分離，從各自出ロ流出微反應(yīng)器，并對(duì)兩相分別收集，銦被萃取進(jìn)入有機(jī)相，而鐵和鋅留著水相中，實(shí)現(xiàn)了銦與鐵、鋅的分離。檢測(cè)得到92. 50%的In萃取率，體系無乳化現(xiàn)象。實(shí)施例2
(I)將含銦3. 17g/L、鐵3. 42g/L、鋅52. 82g/L的硫酸體系溶液(濕法冶煉鋅過程中的浸出液)作為水相、經(jīng)常規(guī)溶劑油稀釋的P204萃取劑(30%體積分?jǐn)?shù)P204+70%體積分?jǐn)?shù)溶劑油)作為有機(jī)相分別通入兩臺(tái)流量泵內(nèi)，流量泵的出口端連接微反應(yīng)器入口 ；(2)先開啟有機(jī)相流量泵，待有機(jī)相進(jìn)入微反應(yīng)器的微通道(特征尺寸為200Mffl、長(zhǎng)度為80mm)后，再按有機(jī)相流量的0. 65倍設(shè)定并開啟水相流量泵，同時(shí)通過光學(xué)顯微鏡觀察微通道內(nèi)形成的兩相層流相界面(顯微鏡俯視觀察能看到水相和有機(jī)相在微通道中呈左右平行前迸，兩相層流相界面即為水相和有機(jī)相的接觸面)，期間調(diào)節(jié)兩相的流量，使兩相平行流動(dòng)，兩相在微通道中的接觸時(shí)間為0. 69s ；
(3)兩相流至微通道出ロ的Y型岔ロ處時(shí)開始分離，從各自出ロ流出微反應(yīng)器，并對(duì)兩相分別收集，銦被萃取進(jìn)入有機(jī)相，而鐵和鋅留著水相中，實(shí)現(xiàn)了銦與鐵、鋅的分離。檢測(cè)得到90. 80%的In萃取率,而Fe、Zn的萃取率均為0,體系無乳化現(xiàn)象。實(shí)施例3
(1)將含銦4.12g/L、鐵、鋅的硫酸體系溶液(濕法冶煉鋅過程中的浸出液)作為水相、經(jīng)常規(guī)溶劑油稀釋的P204萃取劑作為有機(jī)相分別通入兩臺(tái)流量泵內(nèi)，流量泵的出口端連接微反應(yīng)器入口；
(2)先開啟有機(jī)相流量泵，待有機(jī)相進(jìn)入微反應(yīng)器的微通道(特征尺寸為SOOMffl、長(zhǎng)度為90mm)后，再按有機(jī)相流量的0. 65倍設(shè)定并開啟水相流量泵，同時(shí)通過光學(xué)顯微鏡觀察微通道內(nèi)形成的兩相層流相界面(顯微鏡俯視觀察能看到水相和有機(jī)相在微通道中呈左右平行前迸，兩相層流相界面即為水相和有機(jī)相的接觸面)，期間調(diào)節(jié)兩相的流量，使兩相平行流動(dòng)，兩相在微通道中的接觸時(shí)間為0. Ols ；
(3)兩相流至微通道出ロ的Y型岔ロ處時(shí)開始分離，從各自出ロ流出微反應(yīng)器，并對(duì)兩相分別收集，銦被萃取進(jìn)入有機(jī)相，而鐵和鋅留著水相中，實(shí)現(xiàn)了銦與鐵、鋅的分離。檢測(cè)得到92. 10%的In萃取率，體系無乳化現(xiàn)象。實(shí)施例4
(1)將含銦3.92g/L、鐵`、鋅的硫酸體系溶液(濕法冶煉鋅過程中的浸出液)作為水相、經(jīng)260號(hào)溶劑油稀釋的P204萃取劑作為有機(jī)相分別通入兩臺(tái)流量泵內(nèi)，流量泵的出ロ端連接微反應(yīng)器入口；
(2)先開啟有機(jī)相流量泵，待有機(jī)相進(jìn)入微反應(yīng)器的微通道(特征尺寸為700Mffl、長(zhǎng)度為480mm后，再按有機(jī)相流量的0. 65倍設(shè)定并開啟水相流量泵，同時(shí)通過光學(xué)顯微鏡觀察微通道內(nèi)形成的兩相層流相界面(顯微鏡俯視觀察能看到水相和有機(jī)相在微通道中呈左右平行前迸，兩相層流相界面即為水相和有機(jī)相的接觸面)，期間調(diào)節(jié)兩相的流量，使兩相平行流動(dòng)，兩相在微通道中的接觸時(shí)間為IOs ；
(3)兩相流至微通道出ロ的Y型岔ロ處時(shí)開始分離，從各自出ロ流出微反應(yīng)器，并對(duì)兩相分別收集，銦被萃取進(jìn)入有機(jī)相，而鐵和鋅留著水相中，實(shí)現(xiàn)了銦與鐵、鋅的分離。檢測(cè)得到91. 86%的In萃取率，體系無乳化現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.ー種萃取分離In和Fe、Zn的微流體萃取方法，其特征在于經(jīng)過下列各步驟 (1)將含銦、鐵、鋅的硫酸體系溶液作為水相、經(jīng)溶劑油稀釋的P204萃取劑作為有機(jī)相分別通入兩臺(tái)流量泵內(nèi)，流量泵的出口端連接微反應(yīng)器入ロ ； (2)先開啟有機(jī)相流量泵，待有機(jī)相進(jìn)入微反應(yīng)器的微通道后，再按有機(jī)相流量的0.65倍設(shè)定并開啟水相流量泵，同時(shí)通過光學(xué)顯微鏡觀察微通道內(nèi)形成的兩相層流相界面，期間調(diào)節(jié)兩相的流量，使兩相平行流動(dòng)； (3)兩相流至微通道出ロ的Y型岔ロ處時(shí)開始分離，從各自出ロ流出微反應(yīng)器，并對(duì)兩相分別收集，銦被萃取進(jìn)入有機(jī)相，而鐵和鋅留著水相中，實(shí)現(xiàn)了銦與鐵、鋅的分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的萃取分離In和Fe、Zn的微流體萃取方法，其特征在于所述含銦、鉄、鋅的硫酸體系溶液是濕法冶煉鋅過程中的浸出液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的萃取分離In和Fe、Zn的微流體萃取方法，其特征在于所述溶劑油是常規(guī)溶劑油。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的萃取分離In和Fe、Zn的微流體萃取方法，其特征在于所述微通道的特征尺寸為160 800Mm，長(zhǎng)度為80 480mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的萃取分離In和Fe、Zn的微流體萃取方法，其特征在于所述兩相在微通道中的接觸時(shí)間為0. 01 10s。
全文摘要
本發(fā)明提供一種萃取分離In和Fe、Zn的微流體萃取方法，將含銦、鐵、鋅的硫酸體系溶液作為水相、經(jīng)溶劑油稀釋的P204萃取劑作為有機(jī)相分別通入兩臺(tái)流量泵內(nèi)，流量泵的出口端連接微反應(yīng)器入口；同時(shí)通過光學(xué)顯微鏡觀察微通道內(nèi)形成的兩相層流相界面，使兩相平行流動(dòng)至微通道出口的Y型岔口處時(shí)開始分離，從各自出口流出微反應(yīng)器，并對(duì)兩相分別收集，銦被萃取進(jìn)入有機(jī)相，而鐵和鋅留著水相中，實(shí)現(xiàn)了銦與鐵、鋅的分離。In萃取率可達(dá)到90%以上，而Fe和Zn離子則完全不被萃取，而且未出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，反應(yīng)所需時(shí)間大大縮短，能減少萃取劑的用量和耗量，條件可控性強(qiáng)，安全性高，避免了萃取有機(jī)溶劑暴露在空氣中。
文檔編號(hào)C22B3/02GK103060559SQ20131003479
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者巨少華, 魏亞乾, 彭金輝, 張利波, 代林琴, 張利華, 郭戰(zhàn)永 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)