一種同性不同價離子的分離裝置及其分離方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種同性不同價離子的分離裝置及其分離方法，包括有分離膜，該分離膜上設(shè)置有多道相互取向一致的微米通道，該微米通道的直接為10?100um，所述的分離膜的一側(cè)設(shè)置有與微米通道的入口端相通的原液區(qū)，該分離膜的另一側(cè)設(shè)置有與微米通道的出口端相連的分離區(qū)，所述的微米通道的內(nèi)壁上設(shè)置有一段陰/陽離子交換膜，分離膜的相對于分離區(qū)的一側(cè)設(shè)置有第二電極，該第一電極和第二電極用于產(chǎn)生覆蓋于微米通道場強方向從分離區(qū)向原液區(qū)的場強，所述的陰/陽離子交換膜上設(shè)置有第三電極。本發(fā)明的優(yōu)點是只需要百微米級孔徑要求，減少操作壓力和制造難度，從而降低了分離成本并有助于產(chǎn)業(yè)推廣。
【專利說明】
一種同性不同價離子的分離裝置及其分離方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及屬于工業(yè)廢水處理、電池、生物醫(yī)藥、離子分離等工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在水處理設(shè)備當(dāng)中，分離重金屬離子或某種特定離子，具體是指一種同性不同價離子的分離裝置及其分離方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從上世紀(jì)90年代開始至今，無數(shù)研究人員從未停止過不同價離子的分離技術(shù)進行探索，值得一提的是，膜技術(shù)為當(dāng)今最為廣泛的分離方法，主要包括:納濾法和電滲析法。納濾法的操作壓力高(I?1Mpa)，因為納濾膜其表層孔徑處于納米級范圍內(nèi)。然而，由于納濾膜自身結(jié)構(gòu)上的特殊性，其分離性能與膜材料自身的性質(zhì)及制膜工藝有關(guān)外，還受操作條件、物料性質(zhì)和組件構(gòu)型三個方面的影響。另外，納濾法由于操作壓強高，因此需要對納濾膜的強度要求高，而且就納濾膜本身而言，由于其孔徑為納米級范圍，因此需要納米級制造，制作成本非常高。
[0003]電滲析技術(shù)由于具有能耗低、藥劑耗量少、環(huán)境污染小、操作簡便、使用壽命長、無污染等特點廣泛地應(yīng)用于海水、苦咸水脫鹽。
[0004]傳統(tǒng)的分離方法，比如沉淀分離法。在試液中加入適當(dāng)?shù)某恋韯?，使某一成分以一定組成的固相析出，經(jīng)過濾而與液相相分離的方法。該法需經(jīng)過過濾、洗滌等步驟，操作較為繁瑣費時。
[0005]另外，利用離子色譜分離技術(shù)分離m價和η價陽/陰離子，因其淋洗體系中使用的DAP試劑價格十分昂貴，不適合工業(yè)上大規(guī)模分離，因此也難于推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)納濾法操作壓強高，納濾分離膜制備昂貴等技術(shù)問題，提出一種同性不同價離子的分離裝置，該裝置只需要百微米級孔徑要求，減少操作壓力和制造難度，從而降低了分離成本并有助于產(chǎn)業(yè)推廣。
[0007]本發(fā)明的另一個目的是提供一種基于上述分離裝置的同性不同價離子的分離方法。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括有分離膜，該分離膜上設(shè)置有多道相互取向一致的微米通道，該微米通道的直徑為lO-lOOum，所述的分離膜的一側(cè)設(shè)置有與微米通道的入口端相通的原液區(qū)，該分離膜的另一側(cè)設(shè)置有與微米通道的出口端相連的分離區(qū)，所述的微米通道的內(nèi)壁上設(shè)置有一段離子交換膜，該離子交換膜的分離屬性與待分離離子的帶電屬性相反設(shè)置，陰離子交換膜的外表面與微米通道的內(nèi)腔相連通，該分離膜相對于離子交換膜的內(nèi)表面內(nèi)側(cè)連通設(shè)置有緩沖液通道，所述的分離膜的相對于原液區(qū)的一側(cè)設(shè)置有第一電極(V1),分離膜的相對于分離區(qū)的一側(cè)設(shè)置有第二電極(V2)，該第一電極和第二電極用于產(chǎn)生覆蓋于微米通道方向驅(qū)動所需分離的離子從分離區(qū)向原液區(qū)運動的第一場強，所述的離子交換膜上設(shè)置有第三電極(V3)，該第三電極的電勢根據(jù)具體的待分離離子獨立可調(diào)設(shè)置。
[0009]進一步設(shè)置是當(dāng)所需分離的離子為陽離子時，所述的離子交換膜為陰離子交換膜;當(dāng)所需分離的離子為陰離子時，所述的離子交換膜為陽離子交換膜。
[0010]進一步設(shè)置是所述的第三電極外連接有用于調(diào)節(jié)第三電極電勢的可調(diào)電壓源。
[0011]進一步設(shè)置是含有待分離的同性不同價離子的原液置于原液區(qū)，該同性不同價離子包括有相對高價的第一離子和相對低價的第二離子，對原液區(qū)的原液施加一個從原液區(qū)向分離區(qū)方向的壓力，通過調(diào)節(jié)第三電極的電勢，使得第一離子在微米通道中受到的場強力大于水流力并使得第一離子留于原液區(qū)，第二離子在微米通道中受到的場強力小于介質(zhì)壓力并使得第二離子從微米通道進入到分離區(qū)，從而使得第一離子和第二離子相互分離。
[0012]本發(fā)明的工作原理和優(yōu)點是:
分離膜表面通過微米加工，刻蝕出無數(shù)多個微米通道，并在微米通道中央交替有規(guī)律的嵌入陰/陽離子交換膜，并在陰/陽離子交換膜表面嵌入電極并施加電壓，陰/陽離子交換膜連接著一個充滿緩沖池用來中和進入陰/陽離子交換膜的陰/陽離子C—，由于系統(tǒng)的電中性保持，電離出0?+/—離子。分離膜左端出口連接著多價離子收集池，通道右端則連接著低價離子的收集池(以Bm+/—表示)。并在分離膜的倆端應(yīng)用一個直流電場(E)，方向垂直的指向左方(如圖所示)。
[0013]接通電源，使得保證這三個電極的電勢關(guān)系V2> V3 > V1，施加外部壓力，驅(qū)動原液運動，進而帶動不同價態(tài)的離子運動。
[0014]通常，離子在溶液中的受力由電場力和水流的粘性力決定。這里，本發(fā)明施加了一個直流電場(E)，其方向為從右向左，如圖所示，故而相對較低的第二離子(Bm+/—)受到一個向左的電場力。在外部壓力的作用下(壓力從左往右)，當(dāng)壓力足夠大時，相對較低的第二離子受到的電場力小于壓力，此時第二離子(Bm+/—)則隨著水流向右流動。
[0015]第一離子(An+/—)也受到向右的水流力，為了保證第一離子(An+/—)不能通過本發(fā)明的離子分離膜，而相對較低的第二離子(Bm+/—)可以通過分離膜，因此本發(fā)明在離子分離膜設(shè)計中，在微通道中央嵌入陰/陽離子交換膜。在外電場(E)和陰/陽離子交換膜表面的電壓下的作用下，陰/陽離子交換膜表面附近形成極端不均的離子濃度分布，即發(fā)生了離子的濃度極化現(xiàn)象。在膜表面的電場得到了放大(較之，直流電場E，在膜表面的電場強度可以放大到高達10倍，方向仍然和外電場一樣。這是通過改變陰/陽離子交換膜外側(cè)電極的電勢提高離子交換膜表面溶液的濃度極化的程度進而實現(xiàn)了離子交換膜表面電場的放大)，在不施加外部壓強的條件下，第一離子(An+/—)和第二離子(Bm+/—)由于電場力的作用都不能穿越濃度極化區(qū)。在外部壓強作用下，壓力造成的水流會對第一離子(An+/—)和第二離子(Bm+/—)形成粘滯拽力。當(dāng)水流拽力(正比于水流速度)大于第二離子(Bm+/—)所受的電場力同時小于第一離子(An+/—)所受的電場力時，第二離子跨越離子交換膜區(qū)域，隨水流出本發(fā)明離子分離膜，進入第二離子(Bm+/—)收集池。同時因為水流力不足以克服第一離子(An+/—)所受電，所以第一離子(An+/—)被阻擋在陰/陽離子交換膜的上游或者本發(fā)明分離膜的的左端，即第一離子(An+/—)收集池。從而實現(xiàn)不同價態(tài)的陽/陰離子分離。
[0016]下面結(jié)合說明書附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步介紹。
【附圖說明】
[0017]圖1本發(fā)明【具體實施方式】結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面通過實施例對本發(fā)明進行具體的描述，只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限定，該領(lǐng)域的技術(shù)工程師可根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。
[0019]如圖1所示，本圖1用一二價陽離子作為粒子表述，其他情形同理，本發(fā)明的分離m價、η價離子的設(shè)備主要在于分離膜的設(shè)計。在此，顯示分離膜的放大圖。如圖所示，分離膜I表面通過微米加工，亥Ij蝕出無數(shù)多個微米通道11 (通道尺寸可以控制在1um到10um之間，因為通道壓力與孔徑的-4次方成正比，較之傳統(tǒng)的納濾膜分離技術(shù)，孔徑放大13-1O4倍理論上可以降低操作壓力1012-1016量級)。
[0020]本實施例所述的分離膜I的一側(cè)設(shè)置有與微米通道11的入口端相通的原液區(qū)12，該分離膜的另一側(cè)設(shè)置有與微米通道的出口端相連的分離區(qū)13，所述的微米通道11的內(nèi)壁上設(shè)置有一段陰/陽離子交換膜2，該陰/陽離子交換膜2的外表面與微米通道11的內(nèi)腔相連通，該分離膜I相對于陰/陽離子交換膜2的內(nèi)表面內(nèi)側(cè)連通設(shè)置有緩沖液通道14，所述的分離膜I的相對于原液區(qū)12的一側(cè)設(shè)置有第一電極15，分離膜的相對于分離區(qū)的一側(cè)設(shè)置有第二電極16，該第一電極15和第二電極16用于產(chǎn)生覆蓋于微米通道場強方向從分離區(qū)向原液區(qū)的第一場強Ε，所述的陰/陽離子交換膜2上設(shè)置有第三電極21，該第三電極21的電勢介于第一電極15和第二電極16之間。為了便于施加電勢，本實施例在具體實施時，第二電極16的電勢為0，第一電極15的電勢為負(fù)值，同樣，第三電極21上的電勢為介于第一電極15和第二電極16之間的負(fù)值。
[0021 ]本實施例通過調(diào)節(jié)第三電極21的電勢，改變了整個通道內(nèi)電勢的分布，利用電勢的分布的不均勻性的特點，從而改變了不同價離子在微通道內(nèi)的受力情況，實現(xiàn)了對低價離子通過分離膜，而高價離子不通過分離膜。此外，在這個三個電極的電勢均固定的情況下，可以調(diào)節(jié)外壓力，使得水流力介于多價離子和低價離子受到的電場力之間，那么低價離子通過分離膜，而多價離子不通過分離膜，進而實現(xiàn)了不同價態(tài)的陽/陰離子分離。
【主權(quán)項】
1.一種同性不同價離子的分離裝置，其特征在于:包括有分離膜，該分離膜上設(shè)置有多道相互取向一致的微米通道，該微米通道的直徑為lO-lOOum，所述的分離膜的一側(cè)設(shè)置有與微米通道的入口端相通的原液區(qū)，該分離膜的另一側(cè)設(shè)置有與微米通道的出口端相連的分離區(qū)，所述的微米通道的內(nèi)壁上設(shè)置有一段離子交換膜，該離子交換膜的分離屬性與待分離離子的帶電屬性相反設(shè)置，陰離子交換膜的外表面與微米通道的內(nèi)腔相連通，該分離膜相對于離子交換膜的內(nèi)表面內(nèi)側(cè)連通設(shè)置有緩沖液通道，所述的分離膜的相對于原液區(qū)的一側(cè)設(shè)置有第一電極(Vl)，分離膜的相對于分離區(qū)的一側(cè)設(shè)置有第二電極(V2)，該第一電極和第二電極用于產(chǎn)生覆蓋于微米通道方向驅(qū)動所需分離的離子從分離區(qū)向原液區(qū)運動的第一場強，所述的離子交換膜上設(shè)置有第三電極(V3)，該第三電極的電勢根據(jù)具體的待分離離子獨立可調(diào)設(shè)置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同性不同價離子的分離裝置，其特征在于:當(dāng)所需分離的離子為陽離子時，所述的離子交換膜為陰離子交換膜;當(dāng)所需分離的離子為陰離子時，所述的離子交換膜為陽離子交換膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同性不同價離子的分離裝置，其特征在于:所述的第三電極外連接有用于調(diào)節(jié)第三電極電勢的可調(diào)電壓源。4.一種基于如權(quán)利要求1所述分離裝置的同性不同價離子的分離方法，其特征在于:含有待分離的同性不同價離子的原液置于原液區(qū)，該同性不同價離子包括有相對高價的第一離子An+/—和相對低價的第二離子^+/—，其中n>m>0，并在原液區(qū)施加一個從原液區(qū)向分離區(qū)方向的壓力，通過調(diào)節(jié)第三電極的電勢，使得第一離子在微米通道中受到的場強力大于水流力使得第一離子留于原液區(qū)，第二離子在微米通道中受到的場強力小于水流力使得第二離子從微米通道進入到分離區(qū)，實現(xiàn)第一離子和第二離子相互分離。
【文檔編號】C02F1/469GK106006871SQ201610525027
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月3日
【發(fā)明人】李子瑞, 劉偉
【申請人】溫州大學(xué)