為了從礦石和工業(yè)廢料中富集和回收低濃度（10¹-10² ppm）稀土元素，大相比溶劑萃取技術(shù)受到青睞。然而，由于大量連續(xù)相與稀疏液滴之間的接觸不夠充分，連續(xù)相中的傳質(zhì)效率較低，因此大相比溶劑萃取受到了限制。

為了實現(xiàn)稀土離子從低濃度（100 ppm）水相高效萃取稀土離子至油相并維持大相比，我們開發(fā)了一種具有串聯(lián)孔喉結(jié)構(gòu)的微通道。這種連續(xù)的孔喉結(jié)構(gòu)可形成毛細管屏障，有效截留分散的液滴，從而降低表觀水油體積比，顯著提高連續(xù)相的傳質(zhì)效率。

我們通過實驗強調(diào)了這種微通道在大相比條件下溶劑萃取稀土離子時優(yōu)于傳統(tǒng)均勻微通道的優(yōu)勢：在 50-250 的大相比條件下，雙孔喉微通道可在 30 秒內(nèi)達到萃取平衡；在 500:1 的相比條件下，四孔喉微通道的萃取效率可達 77%，而均勻微通道的萃取效率低于 40%。

不同類型稀土離子的實驗再現(xiàn)了大相比下串聯(lián)孔喉微通道的萃取優(yōu)勢。因此，我們得出結(jié)論，串聯(lián)孔喉結(jié)構(gòu)能顯著提升微流控溶劑萃取在相比條件下的性能，不僅適用于稀土富集，還可能擴展至其他相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。

在這項工作中，我們通過在新型串聯(lián)收斂-擴張微通道中引入大相比（高達 500:1）溶劑萃取，實現(xiàn)了對低濃度（100 mg/L）稀土離子水溶液向高濃度油相溶液（高達 6 g/L）的高效富集。我們使用三種稀土元素（輕稀土元素-釹、稀土元素-銪和重稀土元素-鉺），采用六種不同孔喉單元的微流控設(shè)計，展示了這種新型設(shè)計在不同相比條件下的性能。結(jié)果表明，與均勻通道相比，該新型設(shè)計在大相比的溶劑萃取過程中具有顯著優(yōu)勢：在相比為 250 時，雙孔喉幾何形狀的萃取效率幾乎是直通道的兩倍；利用四孔喉微通道，在相比為 500:1 的條件下，萃取效率可高達 77%。

這一萃取效率的顯著提升歸功于液滴的滯留和減速，以及在孔喉結(jié)構(gòu)之前通過毛細管形成的 "液滴包"，這使得大流量連續(xù)相和低流量分散相之間能夠更有效地接觸。萃取效率隨著孔喉數(shù)量的增加而提高，但四重孔喉后幾乎沒有變化。通過平衡萃取效率和成本，可以獲得大相比稀土元素萃取的孔喉結(jié)構(gòu)數(shù)量。可以通過改變幾何參數(shù)和優(yōu)化操作毛細管數(shù)來進一步改進所提出的孔喉結(jié)構(gòu)。此外，提高產(chǎn)量（即擴大微通道的規(guī)模）也是一項挑戰(zhàn)。

值得注意的是，除了稀土元素萃取之外，這種設(shè)計可能在更多應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力。許多其他溶劑萃取工藝也需要大相比，如煉油工程、己內(nèi)酰胺萃取工藝、磷酸萃取純化工藝、過氧化氫萃取工藝以及大多數(shù)微萃取過程。因此，這項工作提供了一種可能的策略，以加強這些萃取大相比例的工藝。

圖6：不同微通道中釹離子萃取效率的比較

解讀：圖6展示了在不同微通道（均勻微通道、單孔喉微通道、雙孔喉微通道）中，釹離子的萃取效率如何隨著管道長度（即萃取時間）的變化而變化。圖表顯示，萃取效率隨著管道長度的增加而提高，但隨著相比的增加，萃取效率的提高速度減慢。此外，圖表還比較了在50、150和250的相比下，三種微通道的萃取效率。結(jié)果表明，孔喉單元的數(shù)量增加顯著提高了萃取效率，雙孔喉微通道的萃取效率在50的相比下超過70%，在250的相比下超過57%，明顯優(yōu)于單孔喉和均勻微通道。

圖7：三種微通道在0.1米管道長度處的萃取效率及平均總體積傳質(zhì)系數(shù)

解讀：在 0.1 米管長處的質(zhì)量傳遞接近僅在通道中發(fā)生的質(zhì)量傳遞，所以萃取性能通過比較在管道長度為 0.1 米時的萃取效率來表征。圖7展示了在0.1米管道長度處，三種不同微通道（均勻微通道、單孔喉微通道、雙孔喉微通道）的釹離子萃取效率和平均總體積傳質(zhì)系數(shù)（k_La）。

- 萃取效率：在50的相比下，均勻微通道的萃取效率僅為38%，而在250的相比下，萃取效率進一步降低至29%。相比之下，單孔喉微通道在50的相比下萃取效率可達69%，在250的相比下為50%。雙孔喉微通道的萃取效率更高，在50的相比下超過70%，在250的相比下超過57%。

- 平均總體積傳質(zhì)系數(shù)（k_La）：該系數(shù)用于量化傳質(zhì)性能，數(shù)值越大表示傳質(zhì)速率越快。在0.1米管道長度處，雙孔喉微通道的 k_La 顯著高于單孔喉微通道，而單孔喉微通道的 k_La 又高于均勻微通道。特別是在250的相比下，雙孔喉微通道的 k_La 幾乎是均勻微通道的兩倍，這進一步證實了孔喉結(jié)構(gòu)在大相比萃取中增強傳質(zhì)效率的效果。

圖 8. 不同通道中銪的萃取效率：(a) 均勻通道，(c) 單孔喉微通道，(e) 雙孔喉微通道；不同通道中鉺的萃取效率：(b) 均勻通道，(d) 單孔喉微通道，(f) 雙孔喉微通道。

解讀：圖8展示了在均勻微通道和雙孔喉微通道中，中稀土元素銪和重稀土元素鉺的萃取效率隨管道長度的變化。

- 銪的萃取效率：在均勻微通道中，銪的萃取效率隨著管道長度的增加而提高，但整體效率較低。相比之下，在雙孔喉微通道中，銪的萃取效率顯著提高，且在較短的管道長度（如1米）即可接近萃取平衡。

- 鉺的萃取效率：與銪類似，鉺在均勻微通道中的萃取效率較低，而在雙孔喉微通道中，萃取效率顯著提高，且在較短的管道長度（如3米）即可接近萃取平衡。

圖表還顯示，相比的增加會導(dǎo)致萃取效率降低，但雙孔喉微通道設(shè)計通過增加分散相與連續(xù)相的接觸面積和接觸時間，有效提高了萃取效率，從而在大相比條件下仍能實現(xiàn)較高的稀土元素萃取率。

圖11：不同多孔喉微通道在 0.1 米管道長度處的萃取效率比較

解讀：圖11展示了在0.1米管道長度處，不同多孔喉微通道（雙孔喉、三孔喉、四孔喉和五孔喉）在不同與萃取效率隨相比的增加而降低，這表明在更高的相比下，分散相與連續(xù)相的接觸效率降低。

- 雙孔喉微通道在150的相比下萃取效率為60%，而隨著孔喉數(shù)量的增加，萃取效率顯著提高。例如，三孔喉微通道在相同相比下的萃取效率為79%，四孔喉微通道為89%，五孔喉微通道為88%。

- 在的相比500下，四孔喉微通道的萃取效率為77%，這一效率甚至高于雙孔喉微通道在較低相比50下的效率，顯示出多孔喉結(jié)構(gòu)在高相比條件下的優(yōu)勢。

- 圖表還表明，雖然增加孔喉數(shù)量可以提高萃取效率，但增加到四孔喉后，效率的提升趨于穩(wěn)定，表明四孔喉微通道在所測試的條件下可能是設(shè)計。

葛雪惠（作者）：福州大學(xué)化工學(xué)院，副教授，中國化工學(xué)會混合與攪拌專業(yè)委員會青年委員。研究領(lǐng)域：微流控技術(shù)；多相乳液及微膠囊；精細化學(xué)品合成；微尺度過程強化。致力于化工過程的微型化與高效化，通過化工過程強化，解決化工生產(chǎn)的高污染、高能耗、高排放問題，并利用微尺度通道進行多相乳液及微膠囊制備并將其應(yīng)用于精細化學(xué)品領(lǐng)域。

林小城（通信作者）：福州大學(xué)化工學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師，福建省閩江學(xué)者。研究領(lǐng)域為功能膜分離、離子液體催化。

徐克（通信作者）：北京大學(xué)工學(xué)院，能源與資源工程系，特聘研究員。基于自主開發(fā)的孔隙尺度流動實驗平臺和孔隙尺度理論方法，對微納尺度孔隙結(jié)構(gòu)中的流動進行研究，揭示滲流的微觀物理機理，為二氧化碳地質(zhì)封存、地外水資源原位開發(fā)利用、油氣田開采等過程中的滲流問題提供理論基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)模型。