一种梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的系统和方法，所述系统包括一个空心直管或多个空心直管、补液装置、储液装置、喷射装置和收集装置；空心直管管壁上侧有稀土离子混合溶液入口，下侧有出口，底端有萃取剂入口，顶端有溢流口；喷射装置的喷口从萃取剂入口插入空心直管；溢流口与收集装置的入口相连；储液装置的出口与喷射装置相连，入口与补液装置的出口相连。所述方法包括：含萃取剂的有机溶液液滴在含有多种稀土离子的混合水溶液中自下向上上浮后聚并得到有机相，萃取剂的摩尔浓度呈梯度增加或减小，连续地分批收集有机相，分别反萃得到含不同稀土离子的富集液。实现了稀土离子的连续萃取及分组分离，工艺简单，分离效率高。

A system and method for separation of rare earth ions into gradient elution extraction kinetics

The invention relates to a system and method for separation of rare earth ions in a gradient elution kinetics of extraction of the packet, the system includes a hollow tube or a plurality of hollow pipe, fluid infusion device, a liquid storage device, injection device and collecting device; the hollow straight tube wall with rare earth ions mixed solution of the entrance, the lower right side of the bottom outlet have the extractant entrance top overflow; nozzle injection device is inserted into the hollow pipe from the extractant entrance entrance; overflow and collecting device is connected with the liquid storage device; exit and injection device is connected with the outlet of the entrance fluid infusion device. The method includes: organic solution droplets containing extractant in mixed aqueous solution containing a variety of rare earth ions in the bottom-up and after the floating poly organic phase, concentration of extractant gradient increases or decreases continuously in collecting the organic phase respectively, stripping with different rare earth ion. Liquid. The continuous extraction and grouping separation of rare earth ions are realized. The process is simple and the separation efficiency is high.

【技术实现步骤摘要】
一种梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的系统和方法
本专利技术属于化工萃取分离领域，特别涉及一种梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的系统和方法。
技术介绍
镧系十四种稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)离子的外电子层结构相近、化学性质相似，分离十分困难。目前，分离镧系十四种稀土元素的常用方法为溶剂萃取法。其原理一般从萃取平衡动力学出发，利用有机萃取剂与具有不同离子半径的稀土离子间形成络合物的络合稳定常数差异实现稀土离子的互相分离。为了获得单一稀土，通常需要反复调整工艺制度和分离条件，如料液酸度等，依据稀土离子4f外电子层的“四分组效应”，分别将十四种稀土元素分组分离。以稀土萃取常见的P507-氯化稀土体系为例，首先需要在Nd/Sm之间分组，然后重新调整料液酸度，在Dy/Ho之间分组，然后再在各组内进一步分组，整个工艺极其繁复，分离效率低。实际操作往往需要经数十级甚至上百级的混合澄清槽连续串级萃取，才能获得较好的分组分离效果。稀土产品纯度要求越高，分离级数就越多。研究报导，稀土萃取动力学分离系数高于热力学平衡分离系数。YukinorMinagawa等用动力学的方法分离Pr、Nd，分离系数达到5.0，而通常的Pr/Nd热力学平衡分离系数只有1.4左右(Y.Minagawa,Selectiveextractionofpraseodymiumionsfromneodymiumsolutionusinganon-equilibriumextractionmethod,JournalofAlloysandCompounds,192(1993)126-128)。但是，目前利用动力学方法分离稀土离子的研究大多数集中在仅仅两种稀土元素离子之间的分离，无法实现多种稀土离子共存条件下，同时分离多个稀土元素离子。梯度洗脱的原理是使用浓度或极性连续变化的洗脱剂连续洗脱分离多个具有不同容量因子的目标组分，使每个流出的组分都有合适的容量因子，并使所有组分可在最短时间内实现最佳分离。刘晨明等采用梯度洗脱高效液相色谱法对5种有机酸的混合液进行了分离。首先将含甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸和丙酸的混合液泵入树脂柱，使其共吸附在树脂柱上。然后，利用乙腈和磷酸二氢钾混合而成的洗脱液，通过控制其中的乙腈和磷酸二氢钾的相对含量比例呈梯度变化，使吸附在树脂固定相上的甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸和丙酸得到分离[刘晨明,曹宏斌,曹俊雅,李玉平,张懿.梯度洗脱高效液相色谱法快速检测厌氧菌代谢物中的有机酸[J].分析化学,2006,(09):1231-1234.]。刘安喜等将吸附了萃取剂P204的树脂Cl-P204装入柱中，再将含La、Ce、Nd、Sm和Eu五种稀土离子的混合液泵入柱中吸附，然后利用浓度从0.1mol/L到1.0mol/L呈连续梯度变化的盐酸水溶液淋洗吸附在树脂柱上的稀土离子，在不同洗脱时间分别得到了含不同稀土离子的流出液，分别为La、Ce、Nd、Sm和Eu，但是该方法无法实现稀土分组洗脱，不适用于含更多稀土离子的混合水溶液。[刘安喜,罗新辉.萃淋树脂-流动注射法分离稀土离子[J].湘潭大学自然科学学报,1996,(03):61-63.]。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的之一在于提供一种简单可控的梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的方法。按稀土离子外电子层的“四分组效应”，连续萃取一步即可实现稀土离子混合水溶液中的多种稀土离子的分组分离。为达此目的，本专利技术提供以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的系统，所述系统包括一个空心直管或多个空心直管、补液装置、储液装置、喷射装置和收集装置。所述空心直管设有位于管壁上侧的稀土离子混合溶液入口、位于底端的萃取剂入口、位于顶端的溢流口和位于管壁下侧的出口。所述喷射装置的喷口从所述空心直管的萃取剂入口插入所述空心直管中，所述喷口朝向所述空心直管的顶端；所述收集装置的入口与所述空心直管的溢流口相连。所述喷射装置与所述储液装置的出口相连，所述储液装置的入口与所述补液装置的出口相连。优选地，所述多个空心直管串联，具体地，相邻两个空心直管的连接关系为：上游空心直管的出口与下游空心直管的稀土离子混合溶液入口相连。优选地，当空心直管的个数为1个时，所述空心直管的内径为4.0～7.0mm，例如4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm或7.0mm等，长度为5.0～150.0cm，例如5.0cm、10.0cm、20.0cm、30.0cm、50.0cm、80.0cm、100.0cm、125.0cm、140.0cm或150.0cm等；当空心直管的个数为2个以上时，所述2个以上空心直管的内径均为4.0～7.0mm，长度均为5.0～150.0cm。空心直管的长度应以有机萃取剂液滴穿过直管后，有机萃取剂萃取某种稀土离子刚好达到有机液滴的饱和萃取负载量为最大值。当上浮的有机萃取剂液滴萃取稀土离子达到饱和负载量时，再增加直管的长度已无益。实际操作过程中，空心直管的长度还应考虑泵入空心直管内的稀土混合水溶液从上到下穿过直管的流速，保证有机萃取剂液滴穿过直管后，刚好达到其饱和萃取负载量为宜。优选地，所述空心直管的内径为4.0～5.0mm，长度为10.0～100.0cm。优选地，所述喷头的开口内径为0.06～1.00mm，例如0.06mm、0.08mm、0.10mm、0.20mm、0.30mm、0.40mm、0.50mm、0.60mm、0.70mm、0.80mm、0.90mm或1.00mm等，优选0.06～0.30mm。空心直管的内径过小会产生有机液滴的贴壁粘壁现象从而不利于含有机萃取剂的有机溶液液滴顺利穿过，空心直管的内径过大将导致稀土离子萃取不完全而流出直管，分离收率下降。本专利技术中喷头的开口内径与空心直管的内径互相匹配，使得有机溶液的液滴尺寸大小合适能顺利通过并萃取完全。优选地，所述收集装置为自动步进收集器；当多根空心直管相互串联时，每一个空心直管各自连接一个自动步进收集器。所述自动步进收集器配有集液瓶，收集不同时间段内从直管顶端溢流口流出的有机溶液；自动收集器恒速步进旋转，获得不同时间段内萃取了稀土的有机溶液流出液。优选地，所述储液装置中设有搅拌装置。优选地，所述系统还包括反萃装置，位于所述收集装置的下游。第二方面，本专利技术提供了一种梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的方法，包括如下步骤：(1)将含萃取剂的有机溶液液滴自下向上喷入含有多种稀土离子的混合水溶液中，使所述含萃取剂的有机溶液液滴在含有多种稀土离子的混合水溶液中自下向上上浮后聚并得到有机相；其中，所述含有多种稀土离子的混合水溶液的运动方向为自上而下，流速为0.0～30.0mL/min，例如0.0mL/min、0.5mL/min、1.0mL/min、1.5mL/min、2.0mL/min、2.5mL/min、3.0mL/min、5.0mL/min、8.0mL/min、10.0mL/min、12.0mL/min、15.0mL/min、18.0mL/min、20.0mL/min、22mL/min、25mL/min、28mL/min或30mL/m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的系统，其特征在于，所述系统包括一个空心直管或多个空心直管、补液装置、储液装置、喷射装置和收集装置；所述空心直管设有位于管壁上侧的稀土离子混合溶液入口、位于底端的萃取剂入口、位于顶端的溢流口和位于管壁下侧的出口；所述喷射装置的喷口从所述空心直管的萃取剂入口插入所述空心直管中，所述喷口朝向所述空心直管的顶端；所述收集装置的入口与所述空心直管的溢流口相连；所述喷射装置与所述储液装置的出口相连，所述储液装置的入口与所述补液装置的出口相连。

【技术特征摘要】
1.一种梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的系统，其特征在于，所述系统包括一个空心直管或多个空心直管、补液装置、储液装置、喷射装置和收集装置；所述空心直管设有位于管壁上侧的稀土离子混合溶液入口、位于底端的萃取剂入口、位于顶端的溢流口和位于管壁下侧的出口；所述喷射装置的喷口从所述空心直管的萃取剂入口插入所述空心直管中，所述喷口朝向所述空心直管的顶端；所述收集装置的入口与所述空心直管的溢流口相连；所述喷射装置与所述储液装置的出口相连，所述储液装置的入口与所述补液装置的出口相连。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个空心直管串联，具体地，相邻两个空心直管的连接关系为：上游空心直管的出口与下游空心直管的稀土离子混合溶液入口相连。3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，当空心直管的个数为1个时，所述空心直管的内径为4.0～7.0mm，长度为5.0～150.0cm；当空心直管的个数为2个以上时，所述2个以上空心直管的内径均为4.0～7.0mm，长度均为5.0～150.0cm；优选地，所述空心直管的内径为4.0～5.0mm，长度为10.0～100.0cm；优选地，所述喷头的开口内径为0.06～1.00mm，优选0.06～0.30mm。4.如权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述收集装置为自动步进收集器；当多根空心直管相互串联时，每一个空心直管各自连接一个自动步进收集器；优选地，所述储液装置中设有搅拌装置；优选地，所述系统还包括反萃装置，位于所述收集装置的下游。5.一种梯度洗脱萃取动力学分组分离稀土离子的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将含萃取剂的有机溶液液滴自下向上喷入含有多种稀土离子的混合水溶液中，使所述含萃取剂的有机溶液液滴在含有多种稀土离子的混合水溶液中自下向上上浮后聚并得到有机相；其中，所述含有多种稀土离子的混合水溶液的运动方向为自上而下，流速为0.0～30.0mL/min，所述含萃取剂的有机溶液液滴自下向上的喷射流速为0.1～1.0mL/min；所述含萃取剂的有机溶液喷入的同时，萃取剂的摩尔浓度呈梯度增加或减小；(2)连续地分批收集步骤(1)所得有机相；其中，每批收集的时长各自独立地选自4～40min；(3)将步骤(2)所得有机相分别进行反萃，分别得到稀土离子的富集液。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法通过如权利要求1～4任一项所述的系统实现。7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述含多种稀土离子的混合水溶液中稀土元素包括La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中至少两种的组合；优选地，以La、Ce、Pr、Nd为第一组，Sm、Eu、Gd为第二组，Tb、Dy、Ho为第三组，Er、Tm、Yb、Lu为第四组，步骤(1)所述含多种稀土离子的混合水溶液中任意两种稀土元素均选自不同组；优选地，步骤(1)所述含有多种稀土离子的混合水溶液中稀土离子的总摩尔浓度为0.2～2.0mol/L，优选0.2～1.0mol/L；优选地，步骤(1)所述含萃取剂的有机溶液中，萃取剂包括2-乙基己基磷酸单(2-乙基己基)酯、二(2-乙基己基)磷酸酯、二(2,4,4-三甲基戊基)次磷酸、双(2-乙基己基)次膦酸、磷酸三丁酯、甲基磷酸二甲庚酯、仲碳伯胺、氯化甲基三烷基铵和环烷酸中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)所述含萃取剂的有机溶液中，溶剂包括烷烃和/或煤油，所述烷烃为含6～12个碳原子的烷烃；优选地，步骤(1)所述含萃取剂的有机溶液中萃取剂的摩尔浓度大于0小于等于0.5mol/L，优选大于0小于等于0.2mol/L；优选地，步骤(1)所述含多种稀土离子的混合水溶液的初始pH为2.0～5.5，优选3.0～5.0；优选地，步骤(1)在空心直管内进行；优选地，步骤(1)为：从稀土离子混合溶液入口将含多种稀土离子的混合水溶液泵入空心直管，使得含多种稀土离子的混合水溶液在空心直管中自上而下的流速为0.0～30.0mL/min，同时，从喷口将储液装置中的含有萃取剂的有机溶液以0.1～1.0mL/mi...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄焜，曹文娟，刘会洲，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11