為了從礦石和工業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受到青睞。然而，由于大量連續相與稀疏液滴之間的接觸不夠充分，連續相中的傳質效率較低，因此大相比溶劑萃取受到了限制。

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

我們通過實驗強調了這種微通道在大相比條件下溶劑萃取稀土離子時優于傳統均勻微通道的優勢：在 50-250 的大相比條件下，雙孔喉微通道可在 30 秒內達到萃取平衡；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了大相比下串聯孔喉微通道的萃取優勢。因此，我們得出結論，串聯孔喉結構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應用領域。

在這項工作中，我們通過在新型串聯收斂-擴張微通道中引入大相比（高達 500:1）溶劑萃取，實現了對低濃度（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計，展示了這種新型設計在不同相比條件下的性能。結果表明，與均勻通道相比，該新型設計在大相比的溶劑萃取過程中具有顯著優勢：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，以及在孔喉結構之前通過毛細管形成的 "液滴包"，這使得大流量連續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構數量。可以通過改變幾何參數和優化操作毛細管數來進一步改進所提出的孔喉結構。此外，提高產量（即擴大微通道的規模）也是一項挑戰。

值得注意的是，除了稀土元素萃取之外，這種設計可能在更多應用領域具有巨大潛力。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。結果表明，孔喉單元的數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系數

解讀：在 0.1 米管長處的質量傳遞接近僅在通道中發生的質量傳遞，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系數（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%。

- 平均總體積傳質系數（k_La）：該系數用于量化傳質性能，數值越大表示傳質速率越快。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構在大相比萃取中增強傳質效率的效果。

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，相比的增加會導致萃取效率降低，但雙孔喉微通道設計通過增加分散相與連續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，顯示出多孔喉結構在高相比條件下的優勢。

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

葛雪惠（作者）：福州大學化工學院，副教授，中國化工學會混合與攪拌專業委員會青年委員。研究領域：微流控技術；多相乳液及微膠囊；精細化學品合成；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用于精細化學品領域。

林小城（通信作者）：福州大學化工學院，教授，博士生導師，福建省閩江學者。研究領域為功能膜分離、離子液體催化。

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