微萃取系統開發及其流體力學與分離性能研究

《微萃取系統開發及其流體力學與分離性能研究》是依託清華大學，由李少偉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微萃取系統開發及其流體力學與分離性能研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：李少偉
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

液液微萃取在化工醫藥、環境工程、廢液處理、核能利用等諸多領域有著廣泛的套用前景，發展新型的微萃取系統並進行面向實際套用的研究工作具有重要的戰略意義和學術價值。本課題從微通道萃取設備出發，按照平行放大的原則，提出CFD模擬與實驗研究相結合的方法對微萃取設備的放大規律進行研究，為製備面向工業套用的大通量微萃取設備提供基礎；通過對多級萃取系統的分析，提出採用脈衝進出料與單向流動控制相結合的方法，來實現多級逆流微萃取。本課題將通對多通道的壓力與流量分布規律、多孔液滴分散機理、脈衝多級逆流微萃取系統的壓力平衡及萃取性能等關鍵問題的研究，發展脈衝多級逆流微萃取系統研究平台。關於脈衝多級逆流微萃取系統的研究在國際上是第一次提出，其研究成果將豐富微萃取相關的基礎理論，推進微萃取的工業套用。

結題摘要

液液萃取是化工學科一個重要的操作單元，也是當前乏燃料後處理行業的首選方法。微萃取設備由於其結構簡單、存留量少、停留時間短、單位體積處理能力大、安全性能好等優點，受到國內外研究者的廣泛關注，為液液分離學科的發展帶來了新的契機。然而微萃取技術的套用需要首先解決兩個方面的問題，一個是放大問題，一個是多級逆流問題。本項目主要圍繞這兩方面的問題展開研究。 微萃取設備放大可以有兩種方式：一種是單純平行放大為平行並列多通道；一種是分散通道平行放大，而主通道按二維幾何放大的方式進行放大，從而放大為多孔陣列分散的微萃取設備。對前一种放大方式，我們採用CFD模擬與實驗研究相結合的方法研究了平行通道的流量分配問題，為多通道設計提供了理論基礎，進一步設計了多重對稱分支結構的多通道微萃取設備，保證了各通道的萃取效率的均衡。對後一种放大方式，提出了多孔分散中活性孔的概念，對活性孔與非活性孔的相互轉化及活性孔比率變化等問題進行了分析，關於多孔分散機理的研究對於微萃取設備放大有重要的理論指導意義。 多級逆流的實現是微萃取系統一個難點，我們採用仿生學的方法，模擬人類的血液循環系統，開發了多級逆流微萃取系統，實現了多個微萃取設備的逆流穩定操作。採用感測器線上壓力測量對系統的壓力平衡進行了研究，確定了形成穩定逆流的必要條件。 本項目最後進行了微萃取系統的傳質性能研究。以30%TBP-煤油/水體系為研究對象，選擇硝酸為待萃取物，以平行並列微通道為微萃取設備，進行單級微萃取實驗，研究脈衝頻率、脈衝體積、濃度等操作條件對傳質性能的影響；在此基礎上，進行四級逆流微萃取的研究，通過改變不同的操作條件，考查它們對分離性能的影響，總結出最最佳化操作條件。最終結果表明，在兩相脈衝體積均為80μL，脈衝頻率為0.13 Hz時，單級微萃取的萃取級效率達到最大；在四級逆流微萃取系統中，總萃取效率在實驗範圍內超過90%。 本項目對微萃取技術套用於實際生產，實現建設在桌面上的、可移動的、安全、清潔的化工廠，有重要的推動意義。