微萃取系统开发及其流体力学与分离性能研究

液液微萃取在化工医药、环境工程、废液处理、核能利用等诸多领域有着广泛的应用前景，发展新型的微萃取系统并进行面向实际应用的研究工作具有重要的战略意义和学术价值。本课题从微通道萃取设备出发，按照平行放大的原则，提出CFD模拟与实验研究相结合的方法对微萃取设备的放大规律进行研究，为制备面向工业应用的大通量微萃取设备提供基础；通过对多级萃取系统的分析，提出采用脉冲进出料与单向流动控制相结合的方法，来实现多级逆流微萃取。本课题将通对多通道的压力与流量分布规律、多孔液滴分散机理、脉冲多级逆流微萃取系统的压力平衡及萃取性能等关键问题的研究，发展脉冲多级逆流微萃取系统研究平台。关于脉冲多级逆流微萃取系统的研究在国际上是第一次提出，其研究成果将丰富微萃取相关的基础理论，推进微萃取的工业应用。

液液萃取是化工学科一个重要的操作单元，也是当前乏燃料后处理行业的首选方法。微萃取设备由于其结构简单、存留量少、停留时间短、单位体积处理能力大、安全性能好等优点，受到国内外研究者的广泛关注，为液液分离学科的发展带来了新的契机。然而微萃取技术的应用需要首先解决两个方面的问题，一个是放大问题，一个是多级逆流问题。本项目主要围绕这两方面的问题展开研究。. 微萃取设备放大可以有两种方式：一种是单纯平行放大为平行并列多通道；一种是分散通道平行放大，而主通道按二维几何放大的方式进行放大，从而放大为多孔阵列分散的微萃取设备。对前一种放大方式，我们采用CFD模拟与实验研究相结合的方法研究了平行通道的流量分配问题，为多通道设计提供了理论基础，进一步设计了多重对称分支结构的多通道微萃取设备，保证了各通道的萃取效率的均衡。对后一种放大方式，提出了多孔分散中活性孔的概念，对活性孔与非活性孔的相互转化及活性孔比率变化等问题进行了分析，关于多孔分散机理的研究对于微萃取设备放大有重要的理论指导意义。. 多级逆流的实现是微萃取系统一个难点，我们采用仿生学的方法，模拟人类的血液循环系统，开发了多级逆流微萃取系统，实现了多个微萃取设备的逆流稳定操作。采用传感器在线压力测量对系统的压力平衡进行了研究，确定了形成稳定逆流的必要条件。. 本项目最后进行了微萃取系统的传质性能研究。以30%TBP-煤油/水体系为研究对象，选择硝酸为待萃取物，以平行并列微通道为微萃取设备，进行单级微萃取实验，研究脉冲频率、脉冲体积、浓度等操作条件对传质性能的影响；在此基础上，进行四级逆流微萃取的研究，通过改变不同的操作条件，考查它们对分离性能的影响，总结出最优化操作条件。最终结果表明，在两相脉冲体积均为80μL，脉冲频率为0.13 Hz时，单级微萃取的萃取级效率达到最大；在四级逆流微萃取系统中，总萃取效率在实验范围内超过90%。. 本项目对微萃取技术应用于实际生产，实现建设在桌面上的、可移动的、安全、清洁的化工厂，有重要的推动意义。