利用顆粒性材料從液體中分離物質的方法
2023-10-10 14:16:34 2
專利名稱：利用顆粒性材料從液體中分離物質的方法
技術領域：
本發明涉及一種將物質束縛於顆粒性材料上從液體中分離該物質的方法，在這種束縛中，所謂的顆粒性材料是指任何細小的分散形式的合適材料，不但包括固體而且包括或多或少有液態的粒子，例如凝膠顆粒。這些顆粒是多孔的或不透水的。它們在化學上最好是穩定的，在本發明的某些應用中，它們對於要接觸的液體和/或要從該種液體中分離的那些物質應該是惰性的。雖然這些顆粒可以具有任何適當的形式，但最好是球形的並具有大體相同的粒度。
採用傳統上所謂液體層析法分離液體中的物質時，要使該種液體通過一個在兩個多孔端壁之間的處理腔室，該腔內緊密地裝填有許多小顆粒，這樣，液體只得在這些被固定顆粒的間隙中流過，藉助這些顆粒的表面吸附或一些其它方法可以把要分離的物質分離出來。
與這種分離技術相關聯的問題是在顆粒間隙內對液體的液動阻力是很大的。粒子越小，流動阻力越大。這樣，必須對液體施加高壓才能使其通過顆粒間隙。由於對一定體積的堆積顆粒，粒度越小，流動液體通過的顆粒總表面越大，所以人們往往把顆粒做得儘可能地小，這樣就更加重了上述的問題。
基於上述理由，很難為分離能力大的分離工廠提供可接受的價格，因此上述分離技術主要用於小規模生產，例如用於分析的目的或用來分離少量昂貴的物質。
作為上述分離技術的替代方法，已有人提議，把要從中分離出物質的液體通入一個處理腔的下部，該處理腔包含有一個粒子床，床內粒子相互間可以自由運動，然後使液體從下面以豎直向上的方式流過這個粒子床，以便讓粒子在處理腔內保持流化或懸浮的狀態。
這種類型的流化技術同上述分離技術相比，其饋入液體所需的超壓較小。然而在這種情況下，代之而起的是分離工廠的生產能力將由於通過顆粒床的液體的流速不能太大而受到限制。該流速不得大於把粒子保持在顆粒床內的重力並應使粒子不被豎直向上流動的液體衝出處理腔。
已經提出的另一個項技術建議把液體中的某種物質束縛液體中的顆粒上，通過攪拌使顆粒在一段時間內懸浮在液體中，然後-在這些顆粒已吸引所述的液體中的物質以後-通過重力分離或離心分離把粒子從液體中分離出來。這項技術的缺點是為了給顆粒和液體所有部分間創造必要的接觸以便分離液體中的這些物質將要花費相對來說長得多的時間。
本發明的目的是要提供一種通過將物質束縛到小顆粒上從液體中分離物質的新方法，這種方法可以獲得比以上方法大得多的分離能力，因此能用於比它們規模更大的場合。本發明的另一個目的是要使採用比以前小得多的顆粒成為可能。
這些目的可以按照本發明的下述步驟實現。使具有預定密度的液體基體部分和密度比其小的小顆粒一起保持旋轉，並使要分離出所述物質的液體同這些顆粒在某種程度上接觸，以使這些顆粒仍保持懸浮於旋轉液體中。
接著，使這些比液體更輕的顆粒在旋轉液體的基體中保持懸浮狀態，並使要分離出物質的液體流過這些懸浮顆粒區。
如果願意，可以使顆粒在整個旋轉液體的基體中保持懸浮。然而，最好還是僅使顆粒懸浮在該液體基體的一個層區，使要分離出所述物質的液體流過這一懸浮層區。該液體的主要部分將從懸浮顆粒之間穿過，並由旋轉液體的基體旋轉軸方向朝該液體基體的徑向外沿流動。
由於顆粒比液體輕，懸浮在液體中的這些顆粒將在離心力的作用下沿徑向朝裡運動，在這個方向上影響顆粒的力越大，顆粒離旋轉軸的距離越近。因此，要求分離出所述物質的待分離液體的供給輸送量可以很大，而不會有任何顆粒被徑向外溢的流動液體衝出處理腔的危險。而被輸送的液體的流動使顆粒受的力是同顆粒與旋轉軸之間的距離無關的。
如果懸浮層中的顆粒的粒度有些變化，也絲毫沒有關係。因為沿經嚮往外離心力增大的緣故，使容易為被輸送液體衝走的小顆粒仍將留住其它顆粒附近，基於同樣的機制，假如顆粒在偶然外力作用下被移動到離旋轉軸過分遠的地方，它也會被沿徑嚮往裡很快地送回。
旋轉的液體基體可以具有任何預定的形狀。假如它具有這樣的形狀，其通過被輸送液體的通流截面是沿徑嚮往外增大的，那未它對懸浮顆粒的平衡作用將更大很多，因為此時隨著離液體基體旋轉軸距離的增大，液流產生的作用在顆粒上的力將減小，而同時反方向作用的離心力卻增大了。
為了可靠地維持液體中的顆粒，特別是在懸浮層徑向較外部分，需要增加被輸送液體的通流截面。然而，在懸浮層的主要部分，一個沿經嚮往外減小的被輸送液體的通流截面可能是合乎要求的。因此，如果願意的話，可以沿著液體通過的流動路線，在懸浮層中實現大體均勻的顆粒分布，假如顆粒具有某個粒度分布，在設計液體通過懸浮層的流動路線時必須考慮這一因素，以便在液體中形成合乎需要的顆粒分布。
很顯然，通過選擇合適的離心力和穿過懸浮層的液體流動可以任意調節懸浮層中顆粒間的距離。甚至在分離過程進行中通過控制離心力和/或液體流動也可以改變這個距離。
如果需要的話，通過使用不同粒度的顆粒可以在旋轉液體基體內得到不同的(分開的或交錯的)懸浮顆粒層。這一點在為了限制旋轉液體內懸浮中顆粒的徑向運動，而在分離操作中斷續使用顆粒時是十分有用的。
本發明優點在於只需對常規的離心分離器作不大的改動就可以按照本發明的方法進行操作，使所述的液體與顆粒保持在一個大致環形的腔內旋轉。
本發明幾乎可在所有常規液體層析法可能出問題的那些分離過程中使用。此外，本發明有可能藉助這裡討論的分離技術以經濟上可按受的方式去解決許多目前不能解決的分離問題。這樣，本發明使得可能以工業規模從大量極稀溶液中分離很少量有價值的或有害的物質。例如本發明可以用來從溶液中提取出金，銀等有價值的金屬，或從生物處理液中提取蛋白質，多肽，或胺基酸。也能提取碳水化合物或類酯化合物。此外，如啤酒，果酒等飲料的質量，通過去除某些物質而得到改善。另一個例子是在將廢水排放到自然界中去以前，去除其中的重金屬，酚或氰化物之類不希望有的物質。
必須按照從中應分離出物質的液體和所述的物質，來對使用顆粒的材料作出選擇。因為許多待處理的液體具有約1g/cm3的密度，所以常常必須選擇具有低於1g/cm3密度的顆粒。因此，不同種類的塑料材料可以考慮。例如，聚乙烯或聚丙烯在顆粒中可以用作基本材料。然而，比1g/cm3重的材料若藉助已有技術使其膨脹後也可採用，這樣的顆粒將包含一種或另一種類型的氣體。這類具有0.04g/cm3密度的顆粒市場有售。
眾所周知，同常規的液體層析法一樣，本發明的方法中使用的顆粒通常必須被製備成能吸引或束縛要從液體中分離的物質，在幾種已知的方式中，顆粒具有一個活性表面，當液體同它們接觸時該表面能以化學的或物理的方式將所述物質束縛到顆粒上。例如，可以使顆粒表面帶有某種電荷，這樣它們就可以吸引或束縛具有相反電荷的特殊物質(離子交換技術)。甚至眾所周知的所謂親和層析法，水力吸引(hydrofobic)相互作用原理等也可用於本發明中。
本發明中也可以使用具有吸收液體中物質能力的顆粒。這種情況下，這些物質將滲入所述顆粒體內，並保留在其中。
同常規液體層析法一樣，本發明分離方法中使用的顆粒常被要求能重複使用多次。可以使用常規液體層析法中相應的活化技術，去除分離過程中顆粒上吸引或束縛的物質。
顆粒的實際尺寸應儘可能地小，但必須結合考慮選定適當的離心力和所述離心力場中的液流。顆粒尺寸最好在0.1～10μm的範圍內。
現將本發明參照附圖描述如下。附
圖1以示意圖表示了一類可以用於本發明申請的所謂敞開式離心機轉子。圖2表示圖1的離心機轉子稍經改進的部分。圖3表示另一種可以用於本發明的申請的所謂封閉式離心機轉子。
圖1表示離心機轉子的一部分。它包括豎直驅動軸2支撐的轉子本體1。轉子本體1限定了一個分離腔3，腔中同軸的裝有一疊常規的截頭園錐形的分離盤4。該疊分離盤4具有沿軸向排列的所謂分布孔5，並支撐在園錐型底板6上。該底板具有與分布孔5對準的相應孔7。底板6與轉子本體1的下部形成一個腔室8，它通過底板6上的孔7和分離腔3相通。通過驅動軸2沿軸向延伸的通道9通入腔室8。
園錐形隔板10同轉子本體1的上部一起在這疊分離盤4上形成了許多通道11。通道11由分離腔3的徑向較遠部分向轉子中心延伸，並通入由轉子本體徑向內壁和相應的隔板10形成的第一出口腔12。
在第一出口腔12徑向更裡面，由隔板10的徑向內壁部分形成第二出口腔13。分離腔3通過溢流出口14與所述的第二出口腔13相通。
出口腔12和13都有一道沿徑嚮往裡的敞口環形溝，固定的出口部件15和16相應地延伸進這些溝裡，出口部件可以具有常規的所謂切屑盤的形成。這兩個出口部件都是由轉子從外部插入轉子中心入口腔18的固定入口管17支撐的，入口腔18是由截頭園錐形分離盤4的徑向內部形成的。入口管17位於入口腔18的部分是多孔管，以便被饋入的液體可以通過入口管被徑向向外噴射出去並順著入口腔軸向延伸分布。
在分離腔3的徑向最外面部分，轉子本體1具有許多圍繞轉子軸均勻分布的對外開口19。在轉子運行期間，這些對外開口本身可用公知的方式進行開和關。
在運行中，上面描述的離心轉子將既包含液體又包含密度比該液體小的很小的顆粒。液體將形成旋轉基體，並充滿分離腔3的絕大部分空間，包括分離盤4和中心入口腔18部分之間的空間，顆粒將懸浮在由位於最靠近轉子軸的液體層區20形成的園柱形管中。層區20徑嚮往內延伸到溢流出口14的層面上。藉此通過入口管17輸送入轉子的液體將被噴向層區20的裡面。藉助徑向和軸向伸展的輸送翼(圖中未示出)，層區20可以被劃分為多個分離區，輸送翼由底板6和隔板10沿徑向支撐在分離盤4的內部。
圖1中的離心轉子是用來按以下方式運行的。
要分離出某種物質的液體通過入口管17輸入，並朝著由包含顆粒的液體層區20形成的旋轉管內部噴射。藉助這些液體的供給，顆粒將在旋轉液體的基體中保持懸浮狀態。通過入口管17噴入的液體越多，液體基體中顆粒間的距離越大。
在被輸送的液體通過層區20期間，將與顆粒表面產生有效接觸，接已知方式製備的顆粒將吸引要從液體中分離的物質。當液體通過層區20並被除去全部或部分所述的物質時，它將通過分離盤4之間的空間繼續沿徑嚮往外流動，流向分離腔3的徑向外部。液體由此經通道11沿徑嚮往內流向出口腔12，並在此藉助固定的出口部件15被排出。
在如上所述的分離操作期間，可以向轉子輸入新的顆粒，而用過的顆粒可以從轉子中取出，這項工作可以連續進行也可以繼續進行。新的顆粒可以通過驅動軸2內的通道9輸入，並穿過腔室8和分布孔5被泵入分離盤4之間的空間。輸送入的新顆粒將相對在轉子內沿徑嚮往外流動的液體作逆向運動。由此，相應量的已從輸送液體中分離過上面提到的物質的顆粒被替換出入口腔18，並通過溢流出口14到達出口腔13。藉助固定出口部件16可將這些顆粒從出口腔13中排出。
按照另一種斷續將顆粒替換出分離腔3的方式，通過固定出口部件15流出的液體可以暫時中斷，而同時新的液體通過輸入管17被連續輸送出去。然後，出口腔12和分離腔13(或入口腔18)中的液面部分將沿徑嚮往裡運動。
將新的顆粒輸入離心機轉子最好使其懸浮在適當類型的液體上，例如懸浮在一部分被除去上面所述的物質後留在離心機轉子裡的液體上。在已知的方式中，在描述的分離操作中用過的顆粒，即已經從離心機轉子中通過出口腔13被排出的顆粒可以回收和更新。必要時，通過通道9供給轉子的顆粒懸浮物可以比藉助出口部件16從轉子中排出的顆粒懸浮物更稀薄些，即每單位體積的懸浮物包含的顆粒較少。排出的顆粒懸浮物的組成由在液體中流化的顆粒層區20的顆粒密度決定。
利用所描述的那類園錐形分離盤4，可以有效地防止以吸引被輸送液體中所述物質為目標的顆粒在轉子中被液體從其路徑上沿徑嚮往外衝得太遠。然而，為了避免顆粒懸浮物變得太稠，需選定適當的分離盤的尺寸以使大部分顆粒懸浮物在分離盤徑向內部形成。
上面已經假定離心機轉子具有一個新顆粒的單獨入口。另一個可選擇的方案，新顆粒可以通過所述液體的普通入口輸送入離心機轉子;即在輸入離心機轉子前，可將它們與液體混合。圖2表示以這種方式向離心轉子輸送新顆粒的一種實施方案。
圖2顯示一根多孔入口管17a支承有一個出口部件16a。出口部件沿徑嚮往外延伸入出口腔13a中，它通過在隔板22上的許多小孔21與轉子的分離腔相通。小孔21位於通過液體基體旋轉在入口腔18a內形成的自由液面的徑向外端。
在液體基體的徑向最內層，該層區在圖2中用20a表示，通過多孔入口管17a輸送液體顆粒被保持在懸浮狀態。正如圖中所示，隔板22沿徑嚮往裡延伸到層區20a的裡端，以使顆粒懸浮液除了通過孔21外不可能從任何其它通道流入出口腔13a。這些小孔位於層區20a的徑向較外部分的水平上。
在圖2所示的實施方案中，離心機轉子具有截頭錐形的分離盤4a，在其徑向最裡邊的邊緣大體水平地伸展出一個支承環形部件23，部件23其厚度沿徑嚮往外增加。由此在它們相互之間的空間沿徑嚮往外逐漸縮小。部件23的這種設計可以為液體穿過顆粒懸浮層20a沿徑嚮往外流動提供一個大體不變的甚至逐漸減小的通流截面。
部件23具有相互間對準的並同孔21軸向對準的孔24，藉此從通過的液體中分離過某種物質的顆粒可以在當時的徑向位置離開層區20a並流入出口腔13a。如果需要的話，藉助入口腔18a自由液體表面徑向外端的出口部件16a可維持自由液體表面。可以設想，孔21對懸浮液的流出而進入出口腔13a形成一節流。
在圖2所示的離心機轉子實施方案中，新的顆粒最好通過入口管17a同被輸送液體一起輸送到層區20a。這樣可使新顆粒一開始就在層區20a的徑向最內層部分保持懸浮，沿徑向向外運動，並最終通過孔24和21離開層區13a，由於它們從液體中逐漸分離所述物質，從而在本發明的某些應用中逐漸變得更為重要。
圖3表示可以實施本發明方法的另一種離心機轉子的實施方案。圖3中與圖1中的離心機轉子部分相應的部分與後者有相同的參考數字編號，只是具有附加安母b。
圖3中的離心機轉子具有一個供要分離出物質的液體用的入口管25，通過在驅動軸2b內的通道9b延伸到轉子中。入口管25是同轉子一起可以旋轉的，它延伸到入口腔18b的部分是多孔的。
轉子本體16的上部裝有管26和同該管連接的抽吸輪27。管26和抽吸輪27被具有一出口管29的固定抽吸室28密封包圍。管26的內部同轉子內的通道11b和抽吸輪27的內部相通，藉此，後者被安排經通道11b從分離腔3b中將液體抽吸入抽吸室28並進一步通過出口管29。
同樣，園錐形隔板10b上部接有管30，該管穿過管26同軸向上延伸並裝有抽吸輪31。管30的上部和抽吸輪31被具有出口管道33的固定抽吸室32密封包圍。管子30的內部和入口腔18b及抽吸輪31的內部相通，藉此後者被安排從入口腔18b中將顆粒抽吸到抽吸室32中並進一步經出口管33排出。
圖3所示的離心機轉子以同圖1中的離心機轉子大體相同的方式運行。差別僅在於在運行中整個入口腔18b是充滿顆粒懸浮液的並且在轉子中的分離操作可以在正表壓下運行而其中的液體和顆粒不會與轉子周圍的大會相接觸。
權利要求
1.將一種物質束縛到一些顆粒上從液體中分離該物質的方法，其特徵是，使具有預定密度的液體主體同具有小於該液體密度的小顆粒一起保持旋轉，使要分離出所述物質的液體同所述顆粒進行接觸，以使這些顆粒保持懸浮在旋轉液體主體中。
2.按權利要求1所述的方法，其特徵是，使要分離出所述物質的液體的主要部分在懸浮顆粒之間由旋轉液體主體旋轉軸向該液體主體的徑向外沿部分流動。
3.按權利要求1或2所述的方法，其特徵是，使要分離出所述物質的液體流過旋轉液體主體的層區(20)，在該層區顆粒保持懸浮狀態。
4.按權利要求3所述的方法，其特徵是，液體從所述層區(20)的徑向外沿部分連續地被排走。
5.按上述任一權利要求所述的方法，其特徵是，在保持旋轉的同時，輸送新顆粒和從所述液體主體中排出用過的顆粒。
6.按照以上任一權利要求所述的方法，其特徵是液體主體和所述顆粒以大體上象一個環形體一樣保持旋轉。
7.按以上任一權利要求所述的方法，其特徵是，液體在懸浮顆粒徑向外側的旋轉液體主體部分向空隙(12)輸導，並在此旋轉的同時可以形成維持在預定半徑層次上的最好是環形的自由液面。
8.按以上任一權利要求所述的方法，其特徵是液體和顆粒旋轉體的自由液面藉助腔室(3)以溢流出口(14)被保持在由轉子本體(1)定界的所述腔室(3)的預定面上。
9.按權利要求3～7任一權利要求的方法，其特徵是新的顆粒被輸送到旋轉液體主體的所述層區20(a)的第一層面上，用過的顆粒從層區20(a)的第二層面(21)上移開，第二層面在所述第一層面的徑向外側。
10.按以上任一權利要求所述的方法，其特徵是，使要分離出所述物質的液體沿一流動路徑流過懸浮顆粒，從液體流動方向看該流動路徑通流截面是逐步減小的，而其中的離心力則是逐步增大的。
全文摘要
本發明是通過使一種物質束縛到固體等小顆粒上，從液體中分離出所述物質的方法。為此使液體基體與密度比其小的顆粒一起旋轉，使要從中分離出所述物質的液體同所述顆粒以一定方式接觸，以使這些顆粒在旋轉液體基體中仍保持懸浮。
文檔編號B04B5/06GK1043883SQ89109268
公開日1990年7月18日 申請日期1989年11月16日 優先權日1988年11月16日
發明者拉斯·恩斯特龍 申請人:艾爾費拉瓦爾公司