本發(fā)明屬于金屬元素檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種痕量多價金屬離子的富集的裝置。

背景技術(shù)：

近年來，金屬污染已成為突出的環(huán)境問題，全國各地連續(xù)報道了集體金屬中毒事件，甚至威脅到人類的生存。尤其在水體中，多價金屬自然本底含量不具備明顯危害，但隨著社會的人口增加及工業(yè)化進(jìn)程加快，大量的工業(yè)廢水以及生活污水排放，尤其是可溶態(tài)多價金屬進(jìn)入水體后通過飲水、生物富集以及食物鏈等方式對水體中的生物產(chǎn)生一系列毒害效應(yīng)，并最終危害人體健康。水體中的多價金屬離子種類很多，一般多是痕量（極小的量）的，現(xiàn)有的分析儀器很難進(jìn)行直接測，只有通過有效的分離富集方可進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，痕量金屬檢測方法取得了很大的進(jìn)展，常用的檢測方法包括分光光度法、電感耦合等離子體法、電化學(xué)方法、光譜法以及一些新興檢測方法。分光光度法基于 Lambert-Beer 定律。四川大學(xué)的侯賢燈、辛娟娟等人利用液芯光纖長光路分光光度法不經(jīng)顯色同時測定水溶液中的 Cr（III）和 Cr（VI），檢出限分別達(dá)到 5 mg/L 和 0.05 mg/L；電化學(xué)分析法的測量信號是電流、電導(dǎo)、電量、電位等電信號， 浙江大學(xué)的李毅、門洪、王平等人基于電化學(xué)分析法制備的 Fe²⁺、Hg²⁺金屬離子選擇傳感器成功應(yīng)用到海水樣品的船載在線檢測中，中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所的秦偉等人將重金屬離子選擇傳感器應(yīng)用到海水重金屬濃度分析中，最大相對誤差分別為 8.5%和 8.9%；原子吸收光譜分析法，簡稱原子吸收分析法，它基于試樣中待測元素的原子蒸汽對該元素原子特征譜線的吸收程度進(jìn)行定量分析，Hiroaki Matsumiya等人便利用原子吸收光譜法測定了海水中的 Cd、Hg、Pb 等重金屬濃度；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP - MS）是 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的分析儀器。中國海洋大學(xué)的高楊等人研制了基于質(zhì)譜技術(shù)的一種新型便攜式海水重金屬元素現(xiàn)場測量儀，能夠現(xiàn)場、實(shí)時、連續(xù)的對所要分析的海水進(jìn)行監(jiān)測；Ozlem Oter, Kadriye Ertekin, Cumhur Kirilmis, Murat Koca通過對光纖進(jìn)行 Cu²⁺有機(jī)熒光薄膜涂覆制備了 Cu²⁺光纖傳感器，線性測量范圍為 1.0×10^?9 ~ 3.0×10^?4M?？梢钥闯?，現(xiàn)有的技術(shù)手段往往趨向于采用更精密的昂貴儀器如多重光譜質(zhì)譜儀手段，觀察其變化量，但由于環(huán)境樣品的多樣性，實(shí)際應(yīng)用樣品的測試出限并不能達(dá)到儀器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的指標(biāo)，使其實(shí)際應(yīng)用能力受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)依賴昂貴檢測設(shè)備的問題，而提供一種能夠高效富集水體中痕量多價金屬離子（如：Mg²⁺、Cu²⁺、Ca²⁺、Fe³⁺等）裝置，便于對水體中多價金屬離子含量進(jìn)行檢測分析，該裝置需要微米級孔徑要求，造價低廉，并有助于產(chǎn)業(yè)推廣。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是該富集裝置包括有微米級主通道，該微米級主通道設(shè)置有用于連接含有多價陽離子的待富集原液的第一入口，該微米級主通道的出口端連接有第一緩沖池，所述的微米級主通道的內(nèi)壁上設(shè)置有第一陰離子交換膜，該第一陰離子交換膜的外端與第二緩沖池相連通，微米級主通道對應(yīng)第一陰離子交換膜的區(qū)域?yàn)榉蛛x區(qū)，微米級主通道相對于第一陰離子交換膜的上游為痕量離子富集區(qū)，所述的痕量離子富集區(qū)上還設(shè)置有第二入口，該第二入口處設(shè)置有用于啟閉第二入口的控制閥，所述的第一入口設(shè)置有第一電極（V₁），第一緩沖池設(shè)置有第二電極（V₂），第二緩沖池設(shè)置有第三電極（V₃）, 該第一電極（V₁）和第二電極（V₂> V₁）之間所產(chǎn)生的電勢差用于產(chǎn)生覆蓋于微米級主通道方向驅(qū)動所需分離的陽離子從分離區(qū)向痕量離子富集區(qū)運(yùn)動的第一場強(qiáng)（E），待富集處理原液的介質(zhì)壓力從第一入口引入且其方向與第一場強(qiáng)（E）方向相反，所述的第二電極（V₂）根據(jù)痕量離子富集的程度進(jìn)行可調(diào)設(shè)置。

進(jìn)一步設(shè)置是所述微米級主通道的內(nèi)壁上設(shè)置有與第一陰離子交換膜相互對稱的第二陰離子交換膜，第二陰離子交換膜的外端與第三緩沖池相連通，第三緩沖池設(shè)置有電勢與第三電極（V₃）相等的第四電極（V₄ =V₃）。

進(jìn)一步設(shè)置是所述的微米級主通道相對其痕量離子富集區(qū)位置還擴(kuò)展連通有痕量離子富集擴(kuò)展區(qū)，所述的第二入口設(shè)置于痕量離子富集擴(kuò)展區(qū)上，且該第二入口的開口方向與第一入口的開口設(shè)置方向相一致。

進(jìn)一步設(shè)置是微米級主通道的長100 ~ 10000um，寬10 ~ 100 um。

進(jìn)一步設(shè)置是所述的第三電極和第四電極均連接可調(diào)節(jié)電極電勢的直流電源。

本發(fā)明的工作原理和優(yōu)點(diǎn)是：

含有待富集的高價的離子（化合價為 m+, m > 1）和一價陽離子的原液置于第一入口，對原液區(qū)的原液施加一個向右的介質(zhì)壓力。通過調(diào)節(jié)第三電極和第四電極的電勢，一價陽離子在微米通道中受到的場強(qiáng)力小于離子所受流體的粘性力，使得一價陽離子穿越離子交換膜區(qū)進(jìn)入了第一緩沖池。而高價的陽離子在微米通道中受到的場強(qiáng)力在第一入口小于介質(zhì)壓力，卻在陰離子交換膜上游的痕量離子富集區(qū)大于介質(zhì)壓力，因此使得高價的陽離子留聚集在矩形槽中（即痕量離子富集區(qū)），從而達(dá)到了痕量多價陽離子的富集的目的。

第一電極、第二電極、第三電極和第四電極均通電的情況下，并保證這個電勢關(guān)系：V₂> V₁ ，V₃=V₄。在外部壓強(qiáng)的作用下，原液進(jìn)入微米級主通道，當(dāng)原液經(jīng)過陰離子交換膜時，陰離子大量的穿過陰離子交換膜到達(dá)第二緩沖池及第三緩沖池，由于系統(tǒng)的電中性， 陽離子會被排斥遠(yuǎn)離陰離子交換膜表面區(qū)域， 在陰離子交換膜附近形成較高的場強(qiáng)。

通常，離子在溶液中受到電場力和水流的粘性力。這里，本發(fā)明基于第一電極（V₁）和第二電極（V₂）之間所產(chǎn)生的電勢差施加了一個直流電場（E），其方向?yàn)閺挠蚁蜃?，故而原液中的一價及多價陽離子都受到一個向左的電場力。

在外電場（E）和陰離子交換膜表面的電壓下的作用下，陰離子交換膜表面附近形成極端不均的離子濃度分布，即離子的濃度極化現(xiàn)象。在膜表面的電場強(qiáng)度得到了放大（較之，直流電場E，在膜表面的電場強(qiáng)度可以放大到高達(dá)10倍，方向仍然和外電場一樣。該放大的電場通過改變電極電勢V₃，加劇了離子交換膜表面的離子濃度極化的程度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了離子交換膜表面電場放大的效應(yīng)），在不施加外部壓強(qiáng)的條件下，一價離子和多價離子由于電場力的作用都不能穿越濃度極化區(qū)。在第一入口處所施加的介質(zhì)壓力作用下，壓力造成的水流會對原液中離子形成粘滯拽力。 當(dāng)水流拽力（正比于水流速度）大于一價陽離子所受的電場力，穿越離子溶度極化區(qū)域，隨水流向第一緩沖池。同時水流力同樣帶動多價陽離子流動，當(dāng)流到陰離子交換膜附近，由于電場的放大效應(yīng)。使得水流力與多價陽離子所受的電場力在陰離子交換膜上游平衡，即多價陽離子聚集矩形槽內(nèi)。當(dāng)多價陽離子富集程度最高時，打開第二入口處的控制閥，并在施加第二壓強(qiáng)，富集的多價陽離子則隨著水流流進(jìn)第二緩沖池，即實(shí)現(xiàn)了多價離子的富集。

富集完成后，斷開所有電源， 打開第二入口處的控制閥， 同時在第一入口及第二入口加壓強(qiáng)， 把痕量離子富集區(qū)以及痕量離子富集擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的高濃度離子溶液從微米級主通道排出。

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步介紹。

附圖說明

圖1 本發(fā)明具體實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)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(jìn)和調(diào)整。

如圖1所示，該富集裝置包括有微米級主通道1，該微米級主通道的長100 ~ 10000um，寬10 ~ 100 um，該微米級主通道1設(shè)置有用于連接含有多價陽離子的待富集原液的第一入口11，該微米級主通道1的出口端連接有第一緩沖池12，所述的微米級主通道的內(nèi)壁上設(shè)置有第一陰離子交換膜13，該第一陰離子交換膜13的外端與第二緩沖池14相連通，微米級主通道1對應(yīng)第一陰離子交換膜13的區(qū)域?yàn)榉蛛x區(qū)15，微米級主通道1相對于第一陰離子交換膜的上游為痕量離子富集區(qū)16，所述的痕量離子富集區(qū)16上還設(shè)置有第二入口17，該第二入口17處設(shè)置有用于啟閉第二入口的控制閥171，所述的第一入口11設(shè)置有第一電極V₁，第一緩沖池12設(shè)置有第二電極V₂，第二緩沖池14設(shè)置有第三電極V₃, 該第一電極V₁和第二電極V₂之間所產(chǎn)生的電勢差用于產(chǎn)生覆蓋于微米級主通道方向驅(qū)動所需分離的陽離子從分離區(qū)向痕量離子富集區(qū)運(yùn)動的第一場強(qiáng)E，待富集處理原液的介質(zhì)壓力從第一入口引入且其方向與第一場強(qiáng)E方向相反，所述的第二電極V₃根據(jù)痕量離子富集的程度進(jìn)行可調(diào)設(shè)置，且保證V₂> V₁ ，V₃=V₄。

另外，本實(shí)施例所述微米級主通道的內(nèi)壁上設(shè)置有與第一陰離子交換膜相互對稱的第二陰離子交換膜18，第二陰離子交換膜的外端與第三緩沖池19相連通，第三緩沖池19設(shè)置有電勢與第三電極V3相等的第四電極V4。 此外，所述的微米級主通道1相對其痕量離子富集區(qū)16位置還擴(kuò)展連通有痕量離子富集擴(kuò)展區(qū)161，所述的第二入口17設(shè)置于痕量離子富集擴(kuò)展區(qū)161上，且該第二入口17的開口方向與第一入口的開口設(shè)置方向相一致。

此外，本實(shí)施例所述的第三電極V3和第四電極V4均連接可調(diào)節(jié)電極電勢的直流電源。