從溶液中除去金屬的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】從溶液中除去金屬的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2013年3月15日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/792821號(hào)的優(yōu)先權(quán)和申請(qǐng)日的利益，其全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及金屬，包括金屬污染物，例如，重金屬，以及存在于溶液中的潛在的其他有害物種的捕獲。更具體地，本發(fā)明涉及采用磁性顆粒的系統(tǒng)和方法，所述磁性顆粒用能夠可逆結(jié)合金屬離子的化學(xué)基團(tuán)功能化。
【背景技術(shù)】
[0004]水污染是美國(guó)和世界各地的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。在過(guò)去的幾十年中，水污染一直是增加的政府審查和監(jiān)管的主題。為了應(yīng)對(duì)清潔飲用水的需求和在江河、湖泊、海洋和濕地中保持干凈的水的需求，詳細(xì)的法律和監(jiān)管方案已經(jīng)在美國(guó)的州和地方層面發(fā)展。這些法律和監(jiān)管方案涉及到許多類型的可以產(chǎn)生水污染的活動(dòng)。這些活動(dòng)包括從控制和監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)和雨水排水系統(tǒng)的徑流量的質(zhì)量，到監(jiān)管工業(yè)、采礦業(yè)和商業(yè)活動(dòng)，如石油和天然氣勘探的一切事情。產(chǎn)生或具有產(chǎn)生顯著大量受污染的水的能力的幾乎所有的活動(dòng)將可能由州和聯(lián)邦法規(guī)監(jiān)管。一些監(jiān)管機(jī)構(gòu)廣泛地處理水排放的監(jiān)管。這些機(jī)構(gòu)的一些包括美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(EPA)，其具有廣泛的監(jiān)管權(quán)力；美國(guó)海岸警備隊(duì)，其監(jiān)管通航水域的使用；國(guó)家石油和天然氣董事會(huì)，其在井場(chǎng)監(jiān)管采出水；以及處理礦監(jiān)管的州和聯(lián)邦機(jī)構(gòu)。
[0005]各種水污染物，和具有產(chǎn)生水污染的能力的具體活動(dòng)是水質(zhì)監(jiān)管的主題。可監(jiān)管的材料范圍從農(nóng)藥和肥料到石化相關(guān)的烴類和多種化學(xué)品和有害材料。如果放置在全國(guó)的水供應(yīng)中可論證為有害的任何材料都是監(jiān)管和受控排放的主題。
[0006]重金屬是在環(huán)境中廣泛遇到的一類水污染物?；旧纤械倪^(guò)渡金屬在水中可作為溶解的離子存在?？赡艹蔀樗廴疚锏闹亟饘俚膶?shí)例包括鉛、錳、鈷、鎘和其他。當(dāng)這些材料在流或供水中存在時(shí)出現(xiàn)顯著的水污染問(wèn)題。含有重金屬的消耗水可能不利于人類和動(dòng)物的健康。重金屬中毒可能是嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題。因此，對(duì)于從供水中提取重金屬有顯者興趣。
[0007]與此同時(shí)，大量地從水中除去重金屬是一個(gè)困難和昂貴的過(guò)程。雖然重金屬的化學(xué)很好理解，但是應(yīng)用該化學(xué)到在環(huán)境條件下從環(huán)境中的水除去重金屬已經(jīng)證明是困難和昂貴的。這些過(guò)程往往需要大量龐大的處理設(shè)施，并且可產(chǎn)生本身有害的并造成困難的處理問(wèn)題的廢物。
[0008]加劇該問(wèn)題的事實(shí)是在過(guò)去的數(shù)十年并在某些情況下超過(guò)一個(gè)多世紀(jì)，一些老工業(yè)和采礦作業(yè)已經(jīng)產(chǎn)生重金屬排放。許多這些作業(yè)先于現(xiàn)代水污染控制規(guī)范和現(xiàn)代水污染控制技術(shù)的發(fā)展。因此，這些作業(yè)產(chǎn)生重金屬排放的情況是在排放到環(huán)境之前并沒(méi)有花費(fèi)太多的努力去從水中除去金屬或者限制污染物。
[0009]在這些類型的設(shè)施繼續(xù)作業(yè)的情況下，它們已經(jīng)按照上述監(jiān)管方案的要求通過(guò)必要的修改的應(yīng)用達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。然而，在礦山和其他工業(yè)設(shè)施在實(shí)施污染控制系統(tǒng)和技術(shù)以及實(shí)施現(xiàn)代監(jiān)管方案之前停業(yè)的情況下，這些設(shè)施很有可能繼續(xù)產(chǎn)生重金屬污染的水排放。
[0010]其中地下水流經(jīng)礦山并離開(kāi)進(jìn)入當(dāng)?shù)亓骱惋嬘盟那闆r下的采礦作業(yè)尤其是這樣。在采礦已經(jīng)停止很久之后，天然水源的重金屬污染仍然是礦區(qū)的一個(gè)問(wèn)題。由于不希望的水中的重金屬污染，需要許多努力和費(fèi)用來(lái)整治這些問(wèn)題，往往具有不太充分的結(jié)果。
[0011]許多問(wèn)題與傳統(tǒng)的重金屬或者水處理整治方法共存。一種這樣的方法是金屬氫氧化物沉淀以除去重金屬。該方法和許多其他常規(guī)方法添加大量的化學(xué)品到可能含有不到千分之幾水平的量的污染物的廢物流中。這些類型的過(guò)程可導(dǎo)致大量的金屬污染或含金屬的沉淀物。如上所述，所得的負(fù)載金屬的沉淀物的處置本身帶來(lái)處置問(wèn)題，尤其是當(dāng)該沉淀物具有隨后過(guò)濾出的金屬返回環(huán)境的潛力時(shí)。
[0012]用于水整治的大多數(shù)傳統(tǒng)工藝要求復(fù)雜和龐大的設(shè)備。這些工藝是昂貴的，并且有時(shí)會(huì)造成水的不充分清潔。常規(guī)方法常常導(dǎo)致本身有害的廢物材料，而且必須利用可能是進(jìn)一步監(jiān)管的主題的昂貴技術(shù)處置。
[0013]此外，從水中提取污染物的能力產(chǎn)生感知和監(jiān)測(cè)給定的水樣本中這些污染物的水平的潛力。
[0014]因此，有必要提供用于從水中提取污染物的改進(jìn)的方法和裝置。更具體地說(shuō)，有必要提供能夠從水中定量和/或提取金屬污染物，例如，重金屬的方法和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明提供了一種從溶液中提取金屬，例如金屬污染物的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明提供了用于提取金屬或污染物，而無(wú)需向待處理的溶液引入大量的化學(xué)品的方法。例如，本發(fā)明還可以提供一種系統(tǒng)和方法，其可以不需要常規(guī)的水處理設(shè)施所需的大型設(shè)備或設(shè)施。本發(fā)明采用了可重復(fù)使用并允許在進(jìn)行水處理操作時(shí)降低成本的材料。
[0016]在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于從溶液中提取金屬物種的方法，所述方法包括:(a)對(duì)包括陰極的電化學(xué)電池提供溶液，所述溶液包含待從所述溶液除去的金屬離子；(b)將多個(gè)官能化的磁性顆粒引入溶液，所述官能化的磁性顆粒包含適合用于結(jié)合金屬離子的官能團(tuán)；(C)通過(guò)氧化氫或還原由固態(tài)聚合電解器或從空氣產(chǎn)生的氧氣以促進(jìn)金屬離子結(jié)合到官能化的磁性顆粒上來(lái)調(diào)節(jié)所述溶液的pH ; (d)將顆粒磁性地吸引到陰極；和(e)對(duì)電池施加電流和將金屬離子電鍍到陰極上。
[0017]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法包括重復(fù)操作(b)至(e)直到獲得所述金屬的閾值濃度。
[0018]在一個(gè)實(shí)施方案中，在對(duì)電化學(xué)電池提供溶液之前將磁力施加到陰極，從而使得所述官能化的磁性顆粒與陰極相聯(lián)。
[0019]在一個(gè)實(shí)施方案中，將所述官能化的顆粒引入溶液包括從陰極除去磁力，從而將所述官能化的磁性顆粒分散在溶液中。
[0020]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法包括在溶液中的金屬的濃度達(dá)到閾值水平之后從電化學(xué)電池除去溶液，并且將另一受污染的溶液引入所述電化學(xué)電池中。
[0021]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法包括調(diào)節(jié)溶液的pH至酸性，以促進(jìn)金屬離子從官能化的磁性顆粒的釋放。
[0022]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述官能化的顆粒選自:被帶有-SH端基的物種官能化的氧化鐵顆粒，被帶有-COOH端基的物種官能化的氧化鐵顆粒，被帶有-NH2端基的物種官能化的氧化鐵顆粒，或它們兩種或更多種的組合。
[0023]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述陰極為碳板。
[0024]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述溶液選自水性或非水性溶液。
[0025]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述溶液包括水。
[0026]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述溶液是鹽溶液。
[0027]在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于處理含有金屬物質(zhì)的溶液的溶液處理裝置，所述裝置包括:包括第一室和第二室的電池，所述第一室包括:位于所述第一室的第一端上的第一電極；位于所述第一室的第二端上的第二電極，所述室的第二端與所述第一室的第一端相對(duì)；連接所述第一電極到所述第二電極的穩(wěn)壓器；以及電解質(zhì)溶液，所述電解質(zhì)溶液包含含有金屬污染物的溶液且進(jìn)一步包含含有適用于結(jié)合金屬的官能團(tuán)的官能化的顆粒；第二室在所述第一室的所述第二端上鄰接所述第一室，所述第二室包括位于所述第二室的遠(yuǎn)離所述第一室的一側(cè)上的固態(tài)聚合物電解器；和單一氣體或者氣體混合物；含有水和水蒸汽的第三室；以及與所述第一室的所述第一電極可拆卸地相聯(lián)的磁體。
[0028]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述第二電極是帶有鉑/銥的多孔碳，4.6mg/cm2。
[0029]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述第二室包含選自由以下組成的組的氣體:氮?dú)狻⒀鯕?、氫氣或它們兩種或更多種的組合。
[0030]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述溶液選自水性或非水性溶液。
[0031]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述溶液包括水。
[0032]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述溶液是鹽溶液。
[0033]在一個(gè)實(shí)施方案中，所述電解器是包括聚合物電解質(zhì)膜的固態(tài)類型。
[0034]在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于從溶液中提取金屬的方法，所述方法包括:(a)向系統(tǒng)提供溶液，所述系統(tǒng)包括包含陰極的電化學(xué)電池，和與所述電化學(xué)電池可拆卸地聯(lián)接的磁體，所述電池包括多個(gè)官能化的磁性顆粒，并且所述溶液包括待從所述溶液除去的金屬離子；(b)從所述系統(tǒng)除去除去所述磁體從而使得所述官能化的磁性顆粒分散在所述溶液中；(C)通過(guò)氧化氫或還原由電解器或從空氣產(chǎn)生的氧氣以促進(jìn)金屬離子結(jié)合到官能化的磁性顆粒上來(lái)調(diào)節(jié)所述溶液的pH ; (d)使所述磁體與所述陰極相聯(lián)以驅(qū)趕所述顆