一种同性不同价离子的分离装置及其分离方法
【专利摘要】本发明公开了一种同性不同价离子的分离装置及其分离方法，包括有分离膜，该分离膜上设置有多道相互取向一致的微米通道，该微米通道的直接为10?100um，所述的分离膜的一侧设置有与微米通道的入口端相通的原液区，该分离膜的另一侧设置有与微米通道的出口端相连的分离区，所述的微米通道的内壁上设置有一段阴/阳离子交换膜，分离膜的相对于分离区的一侧设置有第二电极，该第一电极和第二电极用于产生覆盖于微米通道场强方向从分离区向原液区的场强，所述的阴/阳离子交换膜上设置有第三电极。本发明的优点是只需要百微米级孔径要求，减少操作压力和制造难度，从而降低了分离成本并有助于产业推广。
【专利说明】
一种同性不同价离子的分离装置及其分离方法
技术领域
[0001]本发明涉及属于工业废水处理、电池、生物医药、离子分离等工业领域，尤其是在水处理设备当中，分离重金属离子或某种特定离子，具体是指一种同性不同价离子的分离装置及其分离方法。
【背景技术】
[0002]从上世纪90年代开始至今，无数研究人员从未停止过不同价离子的分离技术进行探索，值得一提的是，膜技术为当今最为广泛的分离方法，主要包括:纳滤法和电渗析法。纳滤法的操作压力高(I?1Mpa)，因为纳滤膜其表层孔径处于纳米级范围内。然而，由于纳滤膜自身结构上的特殊性，其分离性能与膜材料自身的性质及制膜工艺有关外，还受操作条件、物料性质和组件构型三个方面的影响。另外，纳滤法由于操作压强高，因此需要对纳滤膜的强度要求高，而且就纳滤膜本身而言，由于其孔径为纳米级范围，因此需要纳米级制造，制作成本非常高。
[0003]电渗析技术由于具有能耗低、药剂耗量少、环境污染小、操作简便、使用寿命长、无污染等特点广泛地应用于海水、苦咸水脱盐。
[0004]传统的分离方法，比如沉淀分离法。在试液中加入适当的沉淀剂，使某一成分以一定组成的固相析出，经过滤而与液相相分离的方法。该法需经过过滤、洗涤等步骤，操作较为繁琐费时。
[0005]另外，利用离子色谱分离技术分离m价和η价阳/阴离子，因其淋洗体系中使用的DAP试剂价格十分昂贵，不适合工业上大规模分离，因此也难于推广应用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了克服现有技术纳滤法操作压强高，纳滤分离膜制备昂贵等技术问题，提出一种同性不同价离子的分离装置，该装置只需要百微米级孔径要求，减少操作压力和制造难度，从而降低了分离成本并有助于产业推广。
[0007]本发明的另一个目的是提供一种基于上述分离装置的同性不同价离子的分离方法。
[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案是包括有分离膜，该分离膜上设置有多道相互取向一致的微米通道，该微米通道的直径为lO-lOOum，所述的分离膜的一侧设置有与微米通道的入口端相通的原液区，该分离膜的另一侧设置有与微米通道的出口端相连的分离区，所述的微米通道的内壁上设置有一段离子交换膜，该离子交换膜的分离属性与待分离离子的带电属性相反设置，阴离子交换膜的外表面与微米通道的内腔相连通，该分离膜相对于离子交换膜的内表面内侧连通设置有缓冲液通道，所述的分离膜的相对于原液区的一侧设置有第一电极(V1),分离膜的相对于分离区的一侧设置有第二电极(V2)，该第一电极和第二电极用于产生覆盖于微米通道方向驱动所需分离的离子从分离区向原液区运动的第一场强，所述的离子交换膜上设置有第三电极(V3)，该第三电极的电势根据具体的待分离离子独立可调设置。
[0009]进一步设置是当所需分离的离子为阳离子时，所述的离子交换膜为阴离子交换膜;当所需分离的离子为阴离子时，所述的离子交换膜为阳离子交换膜。
[0010]进一步设置是所述的第三电极外连接有用于调节第三电极电势的可调电压源。
[0011]进一步设置是含有待分离的同性不同价离子的原液置于原液区，该同性不同价离子包括有相对高价的第一离子和相对低价的第二离子，对原液区的原液施加一个从原液区向分离区方向的压力，通过调节第三电极的电势，使得第一离子在微米通道中受到的场强力大于水流力并使得第一离子留于原液区，第二离子在微米通道中受到的场强力小于介质压力并使得第二离子从微米通道进入到分离区，从而使得第一离子和第二离子相互分离。
[0012]本发明的工作原理和优点是:
分离膜表面通过微米加工，刻蚀出无数多个微米通道，并在微米通道中央交替有规律的嵌入阴/阳离子交换膜，并在阴/阳离子交换膜表面嵌入电极并施加电压，阴/阳离子交换膜连接着一个充满缓冲池用来中和进入阴/阳离子交换膜的阴/阳离子C—，由于系统的电中性保持，电离出0?+/—离子。分离膜左端出口连接着多价离子收集池，通道右端则连接着低价离子的收集池(以Bm+/—表示)。并在分离膜的俩端应用一个直流电场(E)，方向垂直的指向左方(如图所示)。
[0013]接通电源，使得保证这三个电极的电势关系V2> V3 > V1，施加外部压力，驱动原液运动，进而带动不同价态的离子运动。
[0014]通常，离子在溶液中的受力由电场力和水流的粘性力决定。这里，本发明施加了一个直流电场(E)，其方向为从右向左，如图所示，故而相对较低的第二离子(Bm+/—)受到一个向左的电场力。在外部压力的作用下(压力从左往右)，当压力足够大时，相对较低的第二离子受到的电场力小于压力，此时第二离子(Bm+/—)则随着水流向右流动。
[0015]第一离子(An+/—)也受到向右的水流力，为了保证第一离子(An+/—)不能通过本发明的离子分离膜，而相对较低的第二离子(Bm+/—)可以通过分离膜，因此本发明在离子分离膜设计中，在微通道中央嵌入阴/阳离子交换膜。在外电场(E)和阴/阳离子交换膜表面的电压下的作用下，阴/阳离子交换膜表面附近形成极端不均的离子浓度分布，即发生了离子的浓度极化现象。在膜表面的电场得到了放大(较之，直流电场E，在膜表面的电场强度可以放大到高达10倍，方向仍然和外电场一样。这是通过改变阴/阳离子交换膜外侧电极的电势提高离子交换膜表面溶液的浓度极化的程度进而实现了离子交换膜表面电场的放大)，在不施加外部压强的条件下，第一离子(An+/—)和第二离子(Bm+/—)由于电场力的作用都不能穿越浓度极化区。在外部压强作用下，压力造成的水流会对第一离子(An+/—)和第二离子(Bm+/—)形成粘滞拽力。当水流拽力(正比于水流速度)大于第二离子(Bm+/—)所受的电场力同时小于第一离子(An+/—)所受的电场力时，第二离子跨越离子交换膜区域，随水流出本发明离子分离膜，进入第二离子(Bm+/—)收集池。同时因为水流力不足以克服第一离子(An+/—)所受电，所以第一离子(An+/—)被阻挡在阴/阳离子交换膜的上游或者本发明分离膜的的左端，即第一离子(An+/—)收集池。从而实现不同价态的阳/阴离子分离。
[0016]下面结合说明书附图和【具体实施方式】对本发明做进一步介绍。
【附图说明】
[0017]图1本发明【具体实施方式】结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
[0019]如图1所示，本图1用一二价阳离子作为粒子表述，其他情形同理，本发明的分离m价、η价离子的设备主要在于分离膜的设计。在此，显示分离膜的放大图。如图所示，分离膜I表面通过微米加工，亥Ij蚀出无数多个微米通道11 (通道尺寸可以控制在1um到10um之间，因为通道压力与孔径的-4次方成正比，较之传统的纳滤膜分离技术，孔径放大13-1O4倍理论上可以降低操作压力1012-1016量级)。
[0020]本实施例所述的分离膜I的一侧设置有与微米通道11的入口端相通的原液区12，该分离膜的另一侧设置有与微米通道的出口端相连的分离区13，所述的微米通道11的内壁上设置有一段阴/阳离子交换膜2，该阴/阳离子交换膜2的外表面与微米通道11的内腔相连通，该分离膜I相对于阴/阳离子交换膜2的内表面内侧连通设置有缓冲液通道14，所述的分离膜I的相对于原液区12的一侧设置有第一电极15，分离膜的相对于分离区的一侧设置有第二电极16，该第一电极15和第二电极16用于产生覆盖于微米通道场强方向从分离区向原液区的第一场强Ε，所述的阴/阳离子交换膜2上设置有第三电极21，该第三电极21的电势介于第一电极15和第二电极16之间。为了便于施加电势，本实施例在具体实施时，第二电极16的电势为0，第一电极15的电势为负值，同样，第三电极21上的电势为介于第一电极15和第二电极16之间的负值。
[0021 ]本实施例通过调节第三电极21的电势，改变了整个通道内电势的分布，利用电势的分布的不均匀性的特点，从而改变了不同价离子在微通道内的受力情况，实现了对低价离子通过分离膜，而高价离子不通过分离膜。此外，在这个三个电极的电势均固定的情况下，可以调节外压力，使得水流力介于多价离子和低价离子受到的电场力之间，那么低价离子通过分离膜，而多价离子不通过分离膜，进而实现了不同价态的阳/阴离子分离。
【主权项】
1.一种同性不同价离子的分离装置，其特征在于:包括有分离膜，该分离膜上设置有多道相互取向一致的微米通道，该微米通道的直径为lO-lOOum，所述的分离膜的一侧设置有与微米通道的入口端相通的原液区，该分离膜的另一侧设置有与微米通道的出口端相连的分离区，所述的微米通道的内壁上设置有一段离子交换膜，该离子交换膜的分离属性与待分离离子的带电属性相反设置，阴离子交换膜的外表面与微米通道的内腔相连通，该分离膜相对于离子交换膜的内表面内侧连通设置有缓冲液通道，所述的分离膜的相对于原液区的一侧设置有第一电极(Vl)，分离膜的相对于分离区的一侧设置有第二电极(V2)，该第一电极和第二电极用于产生覆盖于微米通道方向驱动所需分离的离子从分离区向原液区运动的第一场强，所述的离子交换膜上设置有第三电极(V3)，该第三电极的电势根据具体的待分离离子独立可调设置。2.根据权利要求1所述的一种同性不同价离子的分离装置，其特征在于:当所需分离的离子为阳离子时，所述的离子交换膜为阴离子交换膜;当所需分离的离子为阴离子时，所述的离子交换膜为阳离子交换膜。3.根据权利要求1所述的一种同性不同价离子的分离装置，其特征在于:所述的第三电极外连接有用于调节第三电极电势的可调电压源。4.一种基于如权利要求1所述分离装置的同性不同价离子的分离方法，其特征在于:含有待分离的同性不同价离子的原液置于原液区，该同性不同价离子包括有相对高价的第一离子An+/—和相对低价的第二离子^+/—，其中n>m>0，并在原液区施加一个从原液区向分离区方向的压力，通过调节第三电极的电势，使得第一离子在微米通道中受到的场强力大于水流力使得第一离子留于原液区，第二离子在微米通道中受到的场强力小于水流力使得第二离子从微米通道进入到分离区，实现第一离子和第二离子相互分离。
【文档编号】C02F1/469GK106006871SQ201610525027
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月3日
【发明人】李子瑞, 刘伟
【申请人】温州大学