元素周期表中鑭系的15個元素，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)、儲氫、催化等多個行業(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，稀土總儲量占世界儲量的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）