一種分段流型微流體萃取分離銅和鐵、鋅的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種分段流型微流體萃取分離銅和鐵、鋅的方法，屬于流體萃取技術領域。
【背景技術】
[0002]20世紀90年代以來，自然科學與工程技術發(fā)展的一個重要趨勢是微型化，化工單元操作所需要的混合器、換熱器、吸收器、萃取器、反應器和控制系統(tǒng)等一起構成了微化工系統(tǒng)。在整個微化工技術中，微反應器占據著核心地位，它的流動具有微流動特征。利用微反應器雖然并不能改變反應機理和本征動力學特性，然而微流體技術可以通過改變流體的傳熱、傳質及流動特性來強化化工過程。傳統(tǒng)反應器通過小試一中試一大規(guī)模生產逐級放大反應設備來實現其處理能力的提高，而微流體反應器系統(tǒng)中的每一個通道均相當于一個獨立的反應器，工業(yè)放大采用并行操作的數增疊加“Numbering-up”方式，即通過增加單元數目來提高處理能力，通過此方式放大的微反應器具有諸多優(yōu)點:工業(yè)放大的時間大大縮短，實際生產靈活性提高，生產操作過程的安全性提高，達到工業(yè)應用的要求。如果與常規(guī)尺度反應器進行比較，特征尺度的微微細化便足以在很大程度上改善微反應系統(tǒng)，如大比表面積、大比相界面積、體積小、直接并行放大、過程連續(xù)、高度集成、混合時間短、能耗低、工藝綠色化等。在較小體積范圍內實現了化學反應的連續(xù)進行，在設備體積大幅度減小的情況下仍能保證大規(guī)模工業(yè)生產，被認為是現代化工發(fā)展理念的一次重大突破。
[0003]銅為重金屬元素，具有紅色金屬光澤，具有優(yōu)良的導電導熱性能。被廣泛地應用于電氣、輕工、機械制造、建筑工業(yè)、國防工業(yè)等領域。對于處理氧化礦、低品位廢礦和復雜難選礦而言，主要以濕法冶煉為主。而溶劑萃取是其中非常重要的單元操作，但傳統(tǒng)的溶劑萃取方法仍存在一些需要解決的關鍵問題:
a、萃取劑耗量大
由于萃取、反萃時間相對較長，往往需要多級萃取，為了適應萃取傳質要求，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)嚴重，高能攪拌過程的剪切力可能會破壞萃取劑分子結構和引起溫升等問題。
[0004]b、共萃嚴重，萃取效率低
在強混合條件下，主金屬離子和雜質金屬離子的共萃嚴重，萃取的選擇性差，導致萃取之后還需多級洗滌和反萃。如用P204萃取分離N1、Co過程中由于存在萃Co時Fe、Ζη、Μη和Cu的共萃，而使整個萃取級數達到18級以上，再如用P204萃取分離In過程中由于出現Fe、Zn、Sb、Bi和Cl等的共萃問題，使得整個萃取級數達到14級以上。這大大增加了投資成本，降低了萃取效率。
[0005]c、易出現乳化現象
關于銦萃取過程中產生乳化的機理，目前國內外都進行了深入的研究，并提出了很多預防措施。但到目前為止，乳化現象并不能很好的避免。究其原因，是由于對于存在有顆粒、某種金屬離子或是包含表面活性劑的復雜溶液體系，由于常規(guī)萃取的高能混合使得萃取過程進行的很充分和迅速，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)定的保護層，使得兩相液滴聚結速率變得非常緩慢甚至完全停止，而從界面上移開一個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。
[0006]d、火災隱患大
由于萃取過程時間較長，需要建成體積較大的攪拌槽和澄清池，整個萃取過程要占據很大的地方。而且有機相大面積暴露在空氣中，使得火災隱患較大。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，一些小型的冶煉廠的萃取工序也頻發(fā)火災事故。
[0007]因此，常規(guī)萃取的這些局限性亟待解決，而密閉、高效的萃取設備的開發(fā)是解決這一問題的關鍵所在。十字交叉型微通道，當兩相流速差達到一定值時可形成分段流，由于液滴的界面更新速度快，和層流相比油水兩相的界面積大，導致傳質速率增大，從而強化混合，和傳統(tǒng)混合對比，液滴均勻，沒有過細的液滴從而避免了乳化現象。
[0008]利用微反應器系統(tǒng)的高效、低耗、安全等特點來改造傳統(tǒng)冶金產業(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)能工藝過程，從而推動冶金行業(yè)的產業(yè)升級。迄今為止，尚未見以微流體技術進行銅、鐵萃取分離的研究，本發(fā)明提供一種在微反應器內萃取分離銅、鐵的工藝路線。

【發(fā)明內容】

[0009]針對上述現有技術存在的問題及不足，本發(fā)明提供一種分段流型微流體萃取分離銅和鐵、鋅的方法。本方法克服傳統(tǒng)溶劑萃取銅的萃取效率低、溶液易乳化、銅與鐵、鋅等雜質分離困難，對環(huán)境污染嚴重，危險性高等缺點，本方法具有高效、安全、低成本、無污染、分離率高的優(yōu)點，本發(fā)明通過以下技術方案實現。
[0010]一種分段流型微流體萃取分離銅和鐵、鋅的方法，將含有銅、鐵、鋅的硫酸體系作為水相，以5-十二烷基水楊醛肟與2-羥基-5-壬基苯乙酮肟作為萃取劑和260#溶劑油作為稀釋劑組成的油相，將水相和油相通過栗進入十字交叉型微通道，控制流速為0.0lmL/min?10mL/min，在溫度為25?50°C條件下分段流反應0.1s?20s后，在十字交叉型微通道出口收集產物并靜置分層，Cu2+萃取進入有機相，Fe 3+、Fe2\ Zn2+留在水相中，實現銅與鐵鋅的分離。
[0011]所述含有銅、鐵、鋅的硫酸體系中含Cu2+0.0lg/L?15g/L、全鐵0.0lg/L?15g/L。
[0012]所述油相中萃取劑的體積百分數為5%?25%。
[0013]所述萃取劑中5-十二烷基水楊醛肟與2-羥基-5-壬基苯乙酮肟的體積比為1:1。
[0014]所述在十字交叉型微通道出口靜置分層為靜置Is。
[0015]所述十字交叉型微通道寬度為100 μ m?1000 μ m，深度為50 μ m?100 μ m，長度為 100mm ?500mm。
[0016]所述十字交叉型微通道材質為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，加工方式為在微通道模板上澆筑PDMS材料，隨后待PDMS凝固之后進行脫模，最后將脫模后的PDMS與基板進行密封。
[0017]本發(fā)明的發(fā)明原理為:由于微通道在微米級別，具有高的比表面積，擴散距離短，濃度梯度大，能夠有效的促進傳質和傳熱，使達到萃取平衡的時間提高一個數量級。另外，由于油相和水相對流進入十字交叉型微通道中，水相會將油相擊碎成為許多小液滴，從而水相為連續(xù)相、油相為分散相的分段流，進而大大增加了兩相接觸面積，提高了比表面積，大大強化了萃取傳質過程，使其在毫秒級達到萃取平衡。
[0018]本發(fā)明使用十字交叉型微通道技術，使兩相液體在十字交叉型微通道中保持分段流，促進萃取反應，在通道出口收集并靜置產物，實現銅、鐵分離，Cu2+的萃取率可以達到99%以上，而全鐵的萃取率在1%以下，鋅的萃取率基本為零，未出現乳化現象，從而避免傳統(tǒng)濕法冶金中萃取分離銅、鐵的一系列問題。十字交叉型微通道進行銅、鐵萃取分離具體有優(yōu)越的性能，萃取效率高，對銅的選擇性強，分相迅速，單級萃取率高，過程簡單，易于控制，是一種綠色、高效、簡捷的萃取分離方法。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明采用可以產生分段流的十字交叉型微通道進行銅、鐵萃取分離，萃取平衡的時間縮短為豪秒級范圍，單級萃取率可達99%以上，對銅、鐵、鋅的選擇性大大加強。
[0020]2、油水兩相迅速分離，未出現乳化現象。
[0021]3、由于縮短了萃取平衡的時間，提高了萃取劑的循環(huán)次數，降低了萃取劑的耗量。
[0022]4、萃取反應在十字交叉型微通道中進行，條件可控性強，避免了與空氣直接接觸，消除了火災隱患，安全性提高。
[0023]5、采用有PDMS (聚二甲基硅氧烷)為十字交叉型微通道材質，成本低，微通道加工工藝簡單，方便操作，易于在線觀察兩相流型。
[0024]6、十字交叉型微通道產生的分段流，使油相和水相的界面積大大提高，強化了萃取傳質過程。
【具體實施方式】
[0025]下面結合【具體實施方式】，對本發(fā)明作進一步說明。
[0026]實施例1
該分段流型微流體萃取分離銅和鐵、鋅的方法，將含有銅、鐵、鋅的硫酸體系(含Cu2+3g/L、全鐵2g/L、Zn2+lg/L)作為水相，調節(jié)水相pH為2，以5-十二烷基水楊醛肟與2-羥基-5-壬基苯乙酮肟作為萃取劑(萃取劑中5-十二烷基水楊醛肟與2-羥基-5-壬基苯乙酮肟的體積比為1:1)和260#溶劑油作為稀