元素周期表中鑭系的15個(gè)元素，即鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥，與鈧、釔兩種元素稱為稀土元素。稀土化合物由于獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)異的光、電、磁等性能，故而廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)、儲(chǔ)氫、催化等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。值得一提的是稀土材料還是一種重要的戰(zhàn)略資源，在航空航天及國防軍工領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。我國稀土礦產(chǎn)資源分布廣泛，且種類豐富齊全，稀土總儲(chǔ)量占世界儲(chǔ)量的80%。雖然我國稀土資源豐富且占據(jù)世界稀土資源的巨大市場與份額，但過量的開采消耗付出了很沉重的環(huán)境代價(jià)。稀土開采過程中的酸沉、浸出等流程會(huì)產(chǎn)生大量富含低濃度稀土離子等污染物的廢水，該部分廢水若排放進(jìn)入地下水體或河流，會(huì)對生態(tài)環(huán)境和人民的身體健康造成嚴(yán)重的影響。且稀土屬于不可再生資源，因此對浸出、酸沉等流程產(chǎn)生的廢水中的稀土離子進(jìn)行富集回收既有利于環(huán)境保護(hù)又能實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)使用。

沉淀法是回收廢水中稀土離子的重要手段，目前應(yīng)用最為普遍和廣泛。但該方法處理水體量較大的低濃度稀土浸出液時(shí)需要消耗大量沉淀劑，因此回收成本高，且該法處理周期長、選擇性差。相比于沉淀法，溶劑萃取法由于處理通量大、效率高、操作簡單等特點(diǎn)具備萃取回收低濃度稀土離子的潛在優(yōu)勢。近年來萃取設(shè)備無論是在模型化還是在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域均發(fā)展迅速，混合澄清槽、萃取塔、離心萃取器等是工業(yè)上廣泛關(guān)注和使用的萃取設(shè)備。浸出、酸沉等工序產(chǎn)生的廢水特點(diǎn)是稀土離子濃度低、待處理量大，因而大相比下的操作方可實(shí)現(xiàn)稀土離子萃取回收的目標(biāo)。而傳統(tǒng)的萃取技術(shù)和設(shè)備在大相比操作時(shí)存在溶劑夾帶損失嚴(yán)重、萃取效率低、易乳化等弊端，無法實(shí)現(xiàn)萃取率高于90%以及富集倍數(shù)高于100的目標(biāo)。因此，新型高效萃取設(shè)備和技術(shù)的開發(fā)是解決這一問題的關(guān)鍵所在。

氣液液微分散技術(shù)成為近年來微流控、微化工、微分析等領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。已有的關(guān)于氣液液微分散技術(shù)的研究結(jié)果表明該技術(shù)在材料制備、反應(yīng)和分離等方面體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢，有望為傳統(tǒng)萃取過程中反應(yīng)慢、分相時(shí)間長等問題的有效解決提供一條新思路。氣液液微分散萃取的基本原理是在氣泡外層包覆有機(jī)萃取劑并進(jìn)一步應(yīng)用于低濃度稀土離子的萃取過程。在該過程中氣體的引入有兩個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢：一是中空微液滴的形成增大了傳質(zhì)比表面積，加快反應(yīng)速率；二是與油滴相比中空微液滴的密度大大減小，因此可加速分相。本文將介紹氣液液微分散體系的微流控制備方法和調(diào)控規(guī)律、多相微分散體系的流型、氣液液微分散萃取技術(shù)在稀土離子萃取回收領(lǐng)域的應(yīng)用及其過程放大研究方面的最新進(jìn)展。

1、氣液液微分散乳液體系的微流控制備

氣液液微分散體系的可控制備是后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，氣液液三相流通常可采用單一微分散結(jié)構(gòu)或組合微分散結(jié)構(gòu)的微通道來制備。圖1和圖2分別是單一和組合微分散結(jié)構(gòu)的代表，前者通常包括十字形、雙重同軸環(huán)管型微通道等；后者通常包括雙T形、雙十字形微通道等。以十字形微通道為例，氣液液三相流的制備如下：水、油、氣三相在泵的輸送下經(jīng)3個(gè)進(jìn)料口匯集于十字形通道的交叉處，在出口管中浸潤通道壁面的一相作為連續(xù)相，另外兩相在各自慣性力和黏性力的作用下克服界面張力的束縛發(fā)生破碎并以液滴或者氣泡的形式分散在連續(xù)相之中。單一和組合微分散結(jié)構(gòu)的通道各具特色，前者的優(yōu)勢是通道制作簡單，易加工；后者的優(yōu)勢是利于調(diào)控且流體可多股加入，具體通道結(jié)構(gòu)的選擇需綜合考慮操作條件、物性參數(shù)及反應(yīng)體系等多方面因素。

圖1單一微分散結(jié)構(gòu)的微通道制備氣液液微分散體系

圖2組合微分散結(jié)構(gòu)的微通道制備氣液液微分散體系

2、氣液液三相流流型調(diào)控

上述不同類型的微通道中所形成的流型也是學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。在材料制備領(lǐng)域，流型是決定合成材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素且直接影響著材料的相關(guān)性能；在過程強(qiáng)化領(lǐng)域，不同流型的強(qiáng)化效果差別較大，選擇并調(diào)控合適的流型是重中之重；在三相反應(yīng)中，流型可決定反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性，是需要優(yōu)化的重要參數(shù)之一。相比于兩相體系，三相體系由于流體間更為復(fù)雜的相互作用及更高的自由度而呈現(xiàn)出了更多的流動(dòng)形態(tài)（圖3）。如Su等在十字形微通道中成功調(diào)控出液滴氣泡間隔排列的氣液液三相流。Xu等基于同軸環(huán)管微設(shè)備實(shí)現(xiàn)了氣液液雙乳液的可控制備，并揭示了流量和界面張力等因素對雙乳液結(jié)構(gòu)的影響。Wang等在雙T形通道內(nèi)通過調(diào)節(jié)操作條件可控制備了“水包油包氣”和“含有氣泡的液液平行流”兩種結(jié)構(gòu)。Rajesh等通過觀察液滴氣泡的形狀及位置關(guān)系定義了“氣柱-液柱”“彈狀-液滴”“液柱-雙氣彈”等流型。除了實(shí)驗(yàn)手段Rajesh等借助VOF數(shù)值模擬方式從機(jī)理上揭示了氣液液三相流的流動(dòng)規(guī)律，歸納了不同Ca和We范圍內(nèi)的流型特征和規(guī)律。此外，Yang等通過傳質(zhì)引發(fā)相分離的方法成功調(diào)控出氣液液雙乳液，該方法能實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)氣泡直徑尺寸和液膜厚度的調(diào)節(jié)。

圖3微通道中氣液液三相流型

氣液液微分散體系的微流控制備方法及在稀土離子萃取領(lǐng)域的應(yīng)用（上）

氣液液微分散體系的微流控制備方法及在稀土離子萃取領(lǐng)域的應(yīng)用（下）