微通道Coiled Flow Inverter作为从煤灰中提取稀土元素的新型微流控装置

《ACS Omega》：Microchannel Coiled Flow Inverter as a Novel Microfluidic Device for Extraction of Rare Earth Elements from Coal Ash

　　

稀土元素（REEs）因其在高性能能源设备中的战略性应用而被认定为“关键”金属，这些设备包括用于提高能源产量的风力涡轮发电机、永磁体和电动汽车电池。另一方面，煤炭是一种传统能源，已被用于基于燃烧的能源生产。燃烧过程中会产生灰渣作为废弃物。燃烧和灰渣废弃物均不利于清洁能源目标。本研究论证了从煤灰中提取REEs，并旨在将煤炭展示为一种潜在的清洁能源资源。煤灰可作为一种潜在的可回收材料以获取REEs。在本研究中，采用了一种基于微流控技术的Coiled Flow Inverter（CFI）装置从煤灰中提取REEs。使用CFI微流控技术（CFI-MT）进行了液-液萃取（LLE）过程，萃取剂为稀释于煤油中的有机萃取液（D2EHPA）。本工作结果表明，与分批萃取相比，CFI-MT可显著提高萃取效率。该研究展示了CFI-MT作为通过废弃物回收进行REE提取的一种有前景且强化的方法的未来应用。此外，本研究的新颖之处在于首次将CFI-MT应用于从煤灰中提取REEs。该研究还证明CFI-MT是一种将废弃物作为金属提取替代资源加以利用的有前景工具。

稀土元素（REEs）因在风力发电机组、永磁体、电动汽车电池等高端能源设备中的不可替代性，被列为“关键”金属。煤炭作为传统能源，其燃烧发电过程产生大量煤灰废弃物，对土壤、地下水及大气造成污染，与清洁能源目标相悖。然而，煤灰中富含REEs，可被视为潜在的二次资源。传统的液-液萃取（LLE）工艺虽成熟，但存在步骤多、设备庞大、有毒废水产生量大等缺陷。微流控技术因其通道尺寸微小、传质路径短、比表面积大，能够显著强化萃取过程，减少试剂消耗和废物排放。螺旋流逆变器（CFI）是一种具有螺旋盘管与90°弯头的微流控装置，流体流经弯曲路径时产生Dean涡流，强化径向混合，从而提升传质系数。但此前尚无将CFI应用于煤灰中REEs提取的研究报道。

针对上述空白，研究人员从印度Pranhita-Godavari Valley Coalfield的Ramagundam煤田采集煤样，通过实验室燃烧制备模拟煤灰，首次采用基于CFI的微流控技术（CFI-MT）进行REEs的液-液萃取研究。该研究旨在论证CFI-MT相比传统分批萃取在萃取效率上的优越性，为煤灰资源化利用和REEs可持续供应提供新途径。论文发表于《ACS Omega》。

在技术方法上，研究人员对取自Ramagundam煤田的37个煤样进行岩相分类，合并为19个条带样品（B1–B19）。主要表征手段包括：采用Leco TGA 801进行工业分析（测定水分、灰分、挥发分、固定碳），UNICUBE元素分析仪测定C、H、N、S、O含量；利用X射线荧光光谱（XRF）分析元素氧化物组成；采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定灰样中REEs含量；使用微波消解系统（Anton Paar）以HCl-HNO₃-HF混合酸消解灰样。萃取实验采用双注射泵（KD Scientific）驱动水相料液与有机相（D2EHPA/煤油）经T型接头进入CFI装置（硼硅玻璃制，螺旋管带90°弯头），形成段塞流，实现连续萃取。分批萃取作为对照，在磁力搅拌器上进行。

研究结果如下：

**岩相类型鉴定（Lithotype Identification）**：研究人员按Diesel分类法，基于镜煤、亮煤、暗煤、丝煤的厚度，将煤样分为19个条带样品，编号B1至B19（自下而上）。该分类为后续分析提供了分层依据。

**分析与表征（Analysis and Characterization）**：工业分析与元素分析结果显示，干燥基碳含量最高可达68.53%，部分样品灰分高达78.38%。碳含量直接影响煤的燃烧特性，而灰分则关系到REE富集潜力。

**XRF与ICP-MS分析（XRF and ICP-MS Analysis）**：XRF测定显示，煤层顶部条带的铈（Ce）浓度较高，但分布不均匀。由于XRF灵敏度不足以准确测定全部REEs，利用ICP-MS进一步分析，发现Ce、钪（Sc）、钇（Y）、镧（La）、钕（Nd）丰度约为100 ppm。其中B10样品（碳含量51.78%）具有最高REE总量，Ce浓度达215 ppm，表明REE丰度与碳含量无直接正相关。

**萃取实验（Extraction Experiment）**：研究人员从B10灰样中选择高浓度的Ce、中等浓度的La和Nd以及低浓度的钐（Sm）和镨（Pr）进行萃取。分批萃取实验中，在800 rpm搅拌60 min条件下，Nd、Pr、Sm的萃取效率约为66%，La和Ce约60%。CFI实验中，当两相总流速为2.0 mL/min时，Pr效率升至约78%，La约70%。进一步降低流速至1.0 mL/min，各元素效率均提高至约99%；继续降至0.5 mL/min无显著提升。对于Ce和La，总流速从8.0 mL/min降至4.0 mL/min时效率从约95%增至98%，1.0 mL/min时达最高约99%，而0.5 mL/min时略有降低，归因于逆向传质。在CFI与分批对比中，相同萃取时间下CFI的效率较分批提高约12%。此外，研究人员考察了D2EHPA与煤油体积比对萃取效率的影响，在30:100、20:100、10:100、5:100中，10:100时综合效率最高，继续降至5:100时Pr和Nd效率下降；对于永磁体关键元素Nd，建议保持10:100的相比。

讨论部分指出，CFI的强化作用源于螺旋几何和90°弯头诱导的Dean涡流及二次流动，增强了相间混合与传质；低流速延长了停留时间，有利于离子从水相向有机相转移。在低萃取剂浓度下仍能获得约98.5%的REE转移率，对降低工业放大成本具有重要经济意义。未来可通过串联多个CFI装置实现规模化。

研究结论翻译如下：实验通过分批和流动模式萃取进行。结果表明，以D2EHPA为萃取剂，微通道CFI装置中的连续流动过程相比分批萃取提高了从煤灰中提取REE的效率。通过注射泵将液相流速控制在1.0、0.5和0.25 mL/min，为金属离子的传质提供了足够的停留时间。观察到CFI比普通搅拌方法更有效，使铈和钕的REE分馏增加了约10%。在0.5 mL/min下约98.5%的REE被转移；进一步降低流速至0.25 mL/min无显著影响。低D2EHPA浓度下的高效萃取对降低放大操作成本具有前景。煤灰可从废弃物转化为关键金属资源，CFI技术的发展将提升萃取效率并减少环境废物。多个CFI串联可能为大规模LLE提供微流控替代方案。