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本发明涉及一种膜分散萃取装置,包括气泡分散相装置以及与其串联设置的油包气分散相装置,通过所述气泡分散相装置形成包含有大小均一气泡的气泡分散相,待所述气泡分散相进入油包气分散相装置与流动中的水相相混合完成萃取分离过程。在萃取分离过程中,油包气的微米尺度结构和水相在油包气附近产生的扰流与漩涡,有效的增加了传质面积和传质速率,提高了萃取效果。该装置结构简单,更容易工业化。同时,本发明还公开了使用该装置萃取分离稀土元素的方法,该方法对于稀土元素的萃取率高,分离系数大,更加容易实现工业化。