DE10118616A1 - Extracting substance from liquid comprises contacting it with non-miscible liquid, setting up oscillating reaction producing product with higher solubility in second liquid and separating it - Google Patents
Extracting substance from liquid comprises contacting it with non-miscible liquid, setting up oscillating reaction producing product with higher solubility in second liquid and separating itInfo
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Abstract
Description
Mit Hilfe einer oszillierenden, katalytischen Reaktion in einem Fluid (1) lassen sich in einem zweiten Fluid (2), das mit (1) nicht-mischbar ist, oszillierend Substanzen (5), die an der Re aktion in (1) direkt oder indirekt beteiligt sind, extrahieren und anreichern.With the help of an oscillating, catalytic reaction in one fluid ( 1 ), in a second fluid ( 2 ) that is immiscible with ( 1 ), oscillating substances ( 5 ) that are directly or directly involved in the reaction in ( 1 ) are indirectly involved, extract and enrich.
Die oszillierenden Extraktionen können in Reaktoren mit einem Volumen im Bereich von pico-Litern (10-12 l) (Mikroreaktoren; ca. 10 µm Durchmesser) bis zur Größenordnung von Litern (Labormaßstab) durchgeführt werden.The oscillating extractions can be carried out in reactors with a volume in the range from pico-liters (10 -12 l) (microreactors; approx. 10 µm diameter) up to the order of liters (laboratory scale).
Es ist bekannt, zwei nicht mischbare Fluide zur Extraktion zu verwenden. Die unterschiedli che Löslichkeit des zu extrahierenden Stoffes (E) in den beiden Fluiden (1) und (2) führt da zu, daß sich der zu extrahierende Stoff (E) in einer der beiden Fluide anreichert. Zu diesem Zweck werden die beiden Fluide eng miteinander vermengt und nach erfolgter Extraktion wieder getrennt. Dabei liegt der zu extrahierende Stoff (E) in (1) stets nur in einem Zustand vor, was es häufig erschwert, ihn von anderen in den Fluiden (1) und (2) fast gleich löslichen Stoffen mittels Extraktion zu trennen.It is known to use two immiscible fluids for extraction. The different solubility of the substance to be extracted (E) in the two fluids ( 1 ) and ( 2 ) leads to the fact that the substance (E) to be extracted accumulates in one of the two fluids. For this purpose, the two fluids are closely mixed and separated again after extraction. The substance (E) to be extracted is only present in one state in ( 1 ), which often makes it difficult to separate it from other substances that are almost equally soluble in the fluids ( 1 ) and ( 2 ) by means of extraction.
Es ist bekannt, daß sich bei einer oszillierenden katalytischen Reaktion (z. B. Beloussow- Zhabotinskii Reaktion, Briggs-Rauscher Reaktion) die Konzentrationen der an der Reaktion beteiligten Stoffe (5) einschließlich der Zwischenprodukte (Z) und Katalysatoren (K) (z. B. Cer, Rutheniumkomplexe, Ferroin, Mangan) zeitlich verändern. Insbesondere ist bekannt, daß sich bei einer oszillierende katalytischen Reaktion auch der Zustand des Katalysators zeitlich ändert. Die Konzentration dieser Katalysatorzustände (K1) und (K2) in (1) (z. B. Ce3+ und Ce4+) ändert sich ebenfalls mit der Zeit oszillatorisch.It is known that in an oscillating catalytic reaction (e.g. Beloussow-Zhabotinskii reaction, Briggs-Rauscher reaction) the concentrations of the substances involved in the reaction ( 5 ) including the intermediates (Z) and catalysts (K) (e.g. B. Cerium, ruthenium complexes, ferroin, manganese) change over time. In particular, it is known that the state of the catalyst also changes over time in an oscillating catalytic reaction. The concentration of these catalyst states (K1) and (K2) in ( 1 ) (e.g. Ce 3+ and Ce 4+ ) also changes with time in an oscillatory manner.
Es ist bekannt, daß Stoffe in unterschiedlichen Zuständen (z. B. bei unterschiedlicher Wertig keiten von Ionen) ein unterschiedliches Lösungs- und Komplexbildungsverhalten gegenüber dem selben Fluid (2) haben.It is known that substances in different states (e.g. with different valences of ions) have different solution and complex formation behavior compared to the same fluid ( 2 ).
Aufgabe der Erfindung ist es, oszillierende katalytische Reaktionen im Fluid (1) zu verwen den, um daraus mit Hilfe des Fluids (2) Reaktionsteilnehmer (5) getrennt zu extrahieren.The object of the invention is to use oscillating catalytic reactions in the fluid ( 1 ) in order to extract reaction participants ( 5 ) therefrom with the aid of the fluid ( 2 ).
In einen Reaktor werden zusammen mit dem Fluid (1) die Komponenten der oszillierenden katalytischen Reaktion so eingeführt, daß die Reaktion einen Oszillations- oder Chaoszustand einnimmt. Die zu trennenden und zu extrahierenden Stoffe (E1 bis EN) (z. B. Lanthaniden, Aktiniden) befinden sich gesondert in geringer Konzentration im Gemisch mit anderen Stoffen gelöst ebenfalls im als Lösungsmittel dienenden Fluid (1). Diese Lösung wird ebenfalls kontinuierlich dem Reaktor zugeführt. Dabei muß durch geeignete Maßnahmen dafür gesorgt werden, daß der gewünschte Oszillationszustand oder Chaoszustand erreicht wird bzw. er halten bleibt.The components of the oscillating catalytic reaction are introduced into a reactor together with the fluid ( 1 ) in such a way that the reaction assumes an oscillating or chaotic state. The substances to be separated and extracted (E1 to EN) (e.g. lanthanides, actinides) are separately dissolved in a low concentration in a mixture with other substances, also in the fluid serving as a solvent ( 1 ). This solution is also fed continuously to the reactor. Suitable measures must be taken to ensure that the desired state of oscillation or chaos is reached or that it remains.
Die Lösung bestehend aus dem Fluid (2) und geigentetn Zusatzstoffen wird kontinuierlich so zugegeben, daß der Oszillationszustand oder der Chaoszustand im Fluid (1) erhalten bleibt, aber dennoch eine große Phasengrenzfläche zwischen den beiden Fluiden (1) und (2) entsteht.The solution consisting of the fluid ( 2 ) and suitable additives is continuously added in such a way that the state of oscillation or chaos in the fluid ( 1 ) is retained, but a large phase interface is nevertheless formed between the two fluids ( 1 ) and ( 2 ).
Mittels einer geeigneten Vermengung der beiden nicht mischbaren Fluide (1) und (2) wird eine große Phasengrenzfläche erzeugt, über die die Extraktion vom Fluid (1) in das Fluid (2) erfolgt.By means of a suitable mixing of the two immiscible fluids ( 1 ) and ( 2 ), a large phase interface is generated, via which the extraction from the fluid ( 1 ) into the fluid ( 2 ) takes place.
Die Trennung der beiden Fluide erfolgt dann über einen Abscheider in konventioneller Weise.The two fluids are then separated in a conventional manner using a separator.
Im Fall der Verwendung von Reaktoren in Labormaßstab (ab einem Volumen von einigen wenigen Millilitern (ca. 8 ml) bis zu wenigen zu Litern handelt es sich bezüglich des Fluids (1) vorzugweise um einen im Durchfluß betriebenen Rührkesselreaktor, der unter CSTR- Bedingungen geführt wird. Das Fluid (2) tritt zur Erzeugung einer großen Phasengrenzfläche feinverteilt in das Fluid (1) ein und wird überstehend zusammen mit dem Extrakt über den Auslaß (A2) abgezogen, gereinigt von den extrahierten Substanzen und wieder in den Prozeß zurückgeführt. Über den anderen Auslaß (A1) wird das Fluid (1) versetzt mit allen an der Re aktion beteiligten Substanzen gemäß dem Zustrom abgezogen, aufgearbeitet und wieder in den Prozeß zurückgeführt. Die andere Möglichkeit besteht in einem diskontinuierlichen Be trieb des Einzelreaktors im Labormaßstab. Zu diesem Zweck wird der Reaktor mit dem oszillationsfähigen Fluid (1) befüllt und mit dem als Extraktionsmittel dienenden Fluid (2) über schichtet. Die oszillierende Reaktion erfolgt dann ebenfalls unter CSTR-ähnlichen Bedingen, jedoch im Batchbetrieb, so daß sich das oszilliationsfähige System stets in einem transienten Zustand befindet. Bestimmte stationäre oszillatorische oder chaotische Zustände können auf diese Weise prinzipiell nicht aufrecht erhalten werden, doch kann die Extraktion auch auf diese Weise - vor allem konstengünstig - durchgeführt werden.In the case of the use of reactors on a laboratory scale (from a volume of a few milliliters (approx. 8 ml) to a few liters, the fluid ( 1 ) is preferably a flow-through stirred tank reactor which is operated under CSTR conditions The fluid ( 2 ) enters the fluid ( 1 ) in finely divided form in order to produce a large phase interface and is drawn off, together with the extract, over the outlet (A2), cleaned of the extracted substances and returned to the process The other outlet (A1) is mixed with the fluid ( 1 ) with all the substances involved in the reaction drawn off according to the inflow, worked up and returned to the process.The other possibility is discontinuous operation of the individual reactor on a laboratory scale the reactor is filled with the oscillating fluid ( 1 ) and with the bottle serving as extractant uid ( 2 ) overlays. The oscillating reaction then also takes place under CSTR-like conditions, but in batch mode, so that the oscillatable system is always in a transient state. In principle, certain stationary oscillatory or chaotic states cannot be maintained in this way, but the extraction can also be carried out in this way, especially at low cost.
Im Fall von Reaktoren im Labormaßstab läßt sich noch eine andere sehr effiziente Ausfüh rungsform der oszillierenden Extraktion angeben. Sie besteht aus zwei miteinander masse gekoppelten Reaktoren.In the case of laboratory-scale reactors, there is another very efficient embodiment Specify the shape of the oscillating extraction. It consists of two masses together coupled reactors.
Zusammen mit den zu extrahierenden Stoffen (E1 bis EN) wird das Fluid (1) so in den ersten kontinuierlich gerührten Reaktor gegeben, dass der Oszillations- bzw. Chaoszustand ständig kontrolliert aufrecht erhalten werden kann. Das Fluid (1) ist mit dem Fluid (2) überschichtet.Together with the substances to be extracted (E1 to EN), the fluid ( 1 ) is placed in the first continuously stirred reactor in such a way that the state of oscillation or chaos can be maintained in a controlled manner. The fluid ( 1 ) is overlaid with the fluid ( 2 ).
Das oszillierende Fluid (1) wird dann vorzugsweise in den zweiten kontinuierlich gerührten Reaktor überführt, wo es sich ebenfalls ständig in einem kontrollierten Oszillations- bzw. Chaoszustand befindet. Auch hier ist es mit dem Fluid (2) überschichtet, das aus dem ersten Reaktor kontinuierlich zugeführt wird.The oscillating fluid ( 1 ) is then preferably transferred to the second continuously stirred reactor, where it is also constantly in a controlled state of oscillation or chaos. Here too, the fluid ( 2 ) is overlaid, which is fed continuously from the first reactor.
Dieses Fluid (2) des zweiten Reaktors wird direkt wieder in den ersten Reaktor zurückge pumpt. Nach einer gewissen Zeit wird ein Teil des Fluids (2) diesem Kreislauf entnommen und aufbereitet.This fluid ( 2 ) of the second reactor is directly pumped back into the first reactor. After a certain time, part of the fluid ( 2 ) is removed from this circuit and processed.
Das Fluid (1) des zweiten Reaktors verlässt diesen mit einer geringen Rate beständig und wird aufgearbeitet.The fluid ( 1 ) from the second reactor leaves it constantly at a low rate and is worked up.
Auf diese Weise erreicht man eine hohe Effizienz in der Trennleistung der zu extrahierenden Stoffe E1 bis EN. In this way, a high efficiency in the separation performance of the extractables can be achieved Fabrics E1 to EN.
Im Fall eines Mini-Reaktors (ca. 0,01-ca. 8 ml) wird der gewünschte oszillatorische oder chaotische Betriebszustand durch Selbstkontrolle mehrerer parallel arbeitender Mini- Reaktoren erzielt, die miteinander über Licht und/oder das elektrische Potential im Fluid (1) gekoppelt sind. Beide Fluide (1) und (2) werden mit ihren jeweiligen Komponenten und die aus dem Fluid (1) und den zu extrahierenden Substanzen (E1) bestehende Lösung dem Reak tor getrennt zugeführt. Das elektrische Potential der Reaktion wird abgegriffen u. U. zeitver setzt (0 ≦ Δt) als Lichtsignal oder elektrisches Signal an die Reaktoren weitergegeben.In the case of a mini reactor (approx. 0.01 - approx. 8 ml), the desired oscillatory or chaotic operating state is achieved by self-control of several mini reactors working in parallel, which interact with each other via light and / or the electrical potential in the fluid ( 1 ) are coupled. Both fluids ( 1 ) and ( 2 ) with their respective components and the solution consisting of the fluid ( 1 ) and the substances to be extracted (E1) are fed separately to the reactor. The electrical potential of the reaction is tapped u. U. zeitver sets (0 ≦ Δt) passed on to the reactors as a light signal or electrical signal.
Die Phasentrennung des mit dem Extrakt beladenen Fluids (2) vom Fluid (1) erfolgt nach dem Verlassen des Reaktors über eine Membran-Separation oder konventionell über Abscheider. Das vom Extrakt "gereinigten" Fluid (2) sowie das gereinigte Fuid (1) und seine Komponen ten werden in den Reaktor wieder eingespeist.The phase separation of the fluid ( 2 ) loaded with the extract from the fluid ( 1 ) takes place after leaving the reactor via a membrane separation or conventionally via a separator. The fluid "cleaned" from the extract ( 2 ) as well as the cleaned fluid ( 1 ) and its components are fed back into the reactor.
Im Fall eines Minni-Reaktors läßt sich auch noch ein zweites Verfahren zur oszillatorischen Extraktion anwenden. Es beruht auf der hydrodynamischen Strukturbildung in der Grenzflä che zwischen aneinander vorbei fließender nicht-mischbarer Fluide (1) und (2).In the case of a Minni reactor, a second method for oscillatory extraction can also be used. It is based on the hydrodynamic structure formation in the interface between immiscible fluids ( 1 ) and ( 2 ) flowing past one another.
Zur Erzielung einer großen Grenzfläche ist es notwendig, daß das Extraktionsmittel (Fluid (2) ) feinverteilt in sehr kleinen Bläschen emulgiert im Fluid (1) vorliegt.To achieve a large interface, it is necessary for the extractant (fluid ( 2 )) to be finely dispersed in very small bubbles, emulsified in the fluid ( 1 ).
Hierbei ist aber auch dafür Sorge zu tragen, daß das Volumen des mit Blasen des Fluids (2) durchsetzten Fluids (1) groß genug bleibt, um einen Oszillationszustand oder Chaoszustand aufrechterhalten zu können. Zur Erzeugung einer entsprechenden Emulsion kann ein statischer "Mikromischer" (IMM-Patent.. Nr. ..) verwendet werden. Der eigentliche Reaktor, in dem die oszillatorische Extraktion stattfindet, schließt sich an den Emulsionserzeuger an.Here also care should be paid to that the volume of permeated with bubbles of the fluid (2) fluid (1) is large enough to be able to maintain an oscillation or chaos state. A static "micromixer" (IMM patent .. No. ..) can be used to produce a corresponding emulsion. The actual reactor, in which the oscillatory extraction takes place, connects to the emulsion generator.
Die Kontrolle zur Aufrechterhaltung des Oszillations- bzw. Chaoszustandes erfolgt wiederum über die Potential/Licht Kopplung zwischen den hinsichtlich des Stofftransportes getrennt voneinander betriebenen mehreren Mikro-Emulsions-Reaktoren wie bei den Mini-Reaktoren beschrieben oder aber durch direkte Kontrolle der einzelnen Reaktoren.The control to maintain the state of oscillation or chaos takes place again via the potential / light coupling between those separated in terms of mass transport several micro-emulsion reactors operated from one another, as in the case of the mini-reactors described or by direct control of the individual reactors.
Die Phasentrennung des mit dem Extrakt beladenen Fluids (2) vom Fluid (1) erfolgt nach dem Verlassen des Mikro-Emulsions-Reaktors konventionell über Abscheider. Das vom Ex trakt "gereinigten" Fluid (2) sowie das gereinigte Fuid (1) und seine Komponenten werden in den Reaktor wieder eingespeist.The phase separation of the fluid ( 2 ) loaded with the extract from the fluid ( 1 ) takes place conventionally via separators after leaving the micro-emulsion reactor. The fluid ( 2 ) "cleaned" from the extract as well as the cleaned fluid ( 1 ) and its components are fed back into the reactor.
Bei Verwendung von Mikroreaktoren (Volumen kleiner als ca. 0,01 ml) wird eine Rohrman telströmung verwendet - das Fluid (1) mit den oszillationsfähigen Substanzen und den zu extrahierenden Stoff (E1) bzw. dem entstehenden Zwischenprodukt (Z) wird umhüllt vom Extraktionsfluid (2). Dadurch ist gesichert, daß das für die Aufrechterhaltung des Oszillati onszustandes bzw. des Chaoszustandes notwendige Reaktorvolumen zur Verfügung gestellt werden kann mittels der Wahl einer geeigneten Länge bzw. eines geeigneten Durchmessers für den Innenraum des Mantelreaktors. Damit ist auch die notwendige Größe der Kontaktflä che zwischen den beiden nicht mischbaren Flüssigkeiten sichergestellt.When using microreactors (volume less than about 0.01 ml) a Rohrman telströmung is used - the fluid ( 1 ) with the oscillating substances and the substance to be extracted (E1) or the intermediate product (Z) is enveloped by the extraction fluid ( 2 ). This ensures that the reactor volume necessary for maintaining the oscillation state or the state of chaos can be made available by choosing a suitable length or a suitable diameter for the interior of the jacket reactor. This also ensures the necessary size of the contact surface between the two immiscible liquids.
Die Kontrolle zur Aufrechterhaltung des Oszillations- bzw. Chaoszustandes erfolgt wiederum über die Potential/Licht Kopplung zwischen den hinsichtlich des Stofftransportes getrennt voneinander betriebenen mehreren Mantelreaktoren wie bei den Mini-Reaktoren beschrieben oder aber durch direkte Kontrolle der einzelnen Reaktoren.The control to maintain the state of oscillation or chaos takes place again via the potential / light coupling between those separated in terms of mass transport several jacket reactors operated from one another as described for the mini-reactors or by direct control of the individual reactors.
Die Phasentrennung des mit dem Extrakt beladenen Fluids (2) vom Fluid (1) erfolgt nach dem Verlassen des Reaktors über eine Membran-Separation oder konventionell über Abscheider. The phase separation of the fluid ( 2 ) loaded with the extract from the fluid ( 1 ) takes place after leaving the reactor via a membrane separation or conventionally via a separator.
Das vom Extrakt "gereinigten" Fluid (2) sowie das gereinigte Fuid (1) und seine Komponen ten werden in den Reaktor wieder eingespeist.The fluid "cleaned" from the extract ( 2 ) as well as the cleaned fluid ( 1 ) and its components are fed back into the reactor.
Hinsichtlich ihres Lösungsverhaltens sind sehr ähnliche Substanzen konventionell nur schwer durch Extraktion zu trennen. Hierzu gehören u. a. die Elemente der Lanthaniden und der Akti niden. Aber auch verschiedene Isotope eines Elementes lassen sich auf diese Weise mit hoher Effizienz trennenWith regard to their dissolving behavior, very similar substances are conventionally difficult to separate by extraction. These include a. the elements of the lanthanides and the acti halides. But different isotopes of an element can also be created in this way with high Separate efficiency
Die oszillierende Extraktion nutzt den Zustandswechsel der Redoxkatalysatoren (K) und ihres damit veränderten Lösungsverhalten im Fluid (2), um den Katalysator K und mit ihm che misch verwandte Stoffe (E1 bis EN) zu extrahieren und voneinander zu trennen.The oscillating extraction uses the change of state of the redox catalysts (K) and their thus changing solution behavior in the fluid ( 2 ) in order to extract and separate the catalyst K and chemically related substances (E1 to EN).
Die oszillierende Extraktion bietet den Vorteil, schwer zugängliche Zwischenprodukte (Z) aus dem Reaktionssystem in das Fluid (2) zu extrahieren.The oscillating extraction has the advantage of extracting intermediate products (Z) which are difficult to access from the reaction system into the fluid ( 2 ).
Insbesondere können durch oszillierende Extraktion radioaktive Materialien und Isotope ef fektiv voneinander getrennt und Abwässer wiederaufbereitet werden.In particular, radioactive materials and isotopes can be extracted by oscillating extraction fectively separated from one another and wastewater is recycled
Bei Verwendung von Mini- bzw. Mikro-Reaktoren können über große Kontaktflächen sehr schnelle Extraktionsprozesse realisiert werden.When using mini or micro reactors, large contact areas can be very fast extraction processes can be realized.
Bei Verwendung von Mini- bzw. Mikroreaktoren kann durch die Selbstkontrolle des Systems eine aufwendige externe Kontrolle (z. B. Chaoskontrolle) der einzelnen Mini- bzw. Mikrosy steme entfallen, wodurch die Investitionskosten pro Reaktor beträchtlich minimiert werden können, was bei höheren Durchsatzmengen und somit mehreren Reaktoren sonst notwendig wäre.When using mini or microreactors, the system can control itself a complex external control (e.g. chaos control) of the individual mini or microsys There are no systems, which considerably minimizes the investment costs per reactor can do what is necessary with higher throughputs and thus several reactors would.
Im Fall des Laborreaktors kann durch externe nicht-lineare Kontrolle des nicht linearen Pro zesses (Oszillationszustand) bzw. externe Chaoskontrolle (im Fall des Chaoszustandes) der gewünschte Oszillationszustand bzw. Chaoszustand für die hohe effektive Extraktion genutzt werden.In the case of the laboratory reactor, external non-linear control of the non-linear Pro zesses (oscillation state) or external chaos control (in the case of the chaos state) of the desired oscillation state or chaos state used for the high effective extraction become.
Claims (1)
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| PCT/DE2002/001377 WO2002083261A2 (en) | 2001-04-12 | 2002-04-12 | Method and device for extracting and separating substances |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005077484A1 (en) * | 2004-02-16 | 2005-08-25 | Dynamit Nobel Gmbh Explosivstoff- Und Systemtechnik | Method for preparing liquid substances |
-
2001
- 2001-04-12 DE DE2001118616 patent/DE10118616A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
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| WO2005077484A1 (en) * | 2004-02-16 | 2005-08-25 | Dynamit Nobel Gmbh Explosivstoff- Und Systemtechnik | Method for preparing liquid substances |
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