专利名称：模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置及应用的制作方法
技术领域：
本发明属于环境科学研究领域，具体涉及在实验室条件下研究某一溶解态物质在多相体系中分配行为的模拟装置及该装置在研究溶解态物质在多相体系中分配行为方面的应用。
背景技术：
在环境化学中很多研究证实，进入水环境的污染物，如所有工业酸碱，铅、镉、铜等重金属，以及酚类和PAH等有机污染物，只有很少以真溶液的形式存在于水中，绝大部分结合在水中存在的各种无机的和有机的、非生命的和生命的固相物质上，特别是这些固相物质的表面上，达到相对稳定的准平衡状态。天然水中起重要作用的这些固相物质主要以表层沉积物、悬浮颗粒物和生物膜的等形式存在，它们与水相一起组成了决定污染物在水体中行为的复杂的多相体系。表层沉积物是指以矿物颗粒，特别是粘土矿物为核心骨架，有机物和金属水合氧化物结合在矿物微粒表面上，成为各微粒间的粘附架桥物质，把若干微粒组合成絮状聚集体，经絮凝成为较粗颗粒就沉积到水体底部。颗粒物是指水样中通过孔径为0.45μm的滤膜，截留在滤膜上并于103-105℃烘干至恒重的固体物质。生物膜是指由一种或少数几种微生物在特定条件下生长而成的微生物集合体，还可能有附着的腐殖质等天然有机质以及共存的各种矿物质。
许多关于天然水体中污染物的研究证明，污染物在各种固相表面上结合的量不同，污染物之间也有相互作用，表面物质对污染物的吸附有时也会影响水中的环境条件(如pH值)，这些表面物质对水中污染物的直接影响要明显大于溶液性质的直接影响，水溶液的性质在很大程度上是通过影响这些固相表面的性质来影响水中污染物的迁移转化。
通过各种途径进入水体中的污染物，绝大部分迅速转入固相物质中。调查研究污染物在天然水环境多相体系中的分布及存在状态可以了解和估计其对水生生态系统的危害或潜在危害。当外界条件改变时，多相体系的原有的平衡状态会被打破，污染物会在多相体系中被释放、迁移以及重新结合。这一变化过程可能对污染物的毒害作用产生重要影响。由此可见，研究污染物在多相体系中的分布及其影响因素，对于深入了解污染物在天然水中的迁移转化、建立相应静态规律和动态过程模型以及完善天然水环境的自净机制等都有重要的理论和实际意义。
大多数研究多选取单一固相体系进行研究，综合考虑实际水环境中多种固相体系(包括表层沉积物、悬浮颗粒物和生物膜等)共存时各相共同与重金属等污染物相互作用以及各相之间的相互作用的研究则比较少见。而在较少的研究中进行了对水相中的不同固相物质的综合研究，但是只是在各个不同的固相物质(生物膜、沉积物、颗粒物)相互独立的情况下进行。只是简单的将不同固相物质中的一种(生物膜或沉积物或颗粒物)与水相混合与一个简单的容器中(如烧杯等)，研究固相物质对水相中的污染物的吸附解吸情况，然后在去比较不同固相物质对污染物吸附和解吸的规律。这样的实验在很大程度上不能达到对天然条件下水环境中的多相体系的模拟，因为在天然水体中，生物膜、颗粒物、沉积物是共存于水相之中的，必然有着相互的联系和作用，污染物在三者及水相间的分配规律也会由于各个固相的混合共存而与单一的固相与水相共存时的规律不同。目前也没有一种装置能够达到对水相中的各个固相物质进行隔离，并能使溶解态物质在装置中的各相间达到分配平衡，进而在固相物质共存于同一环境中时分别研究各种固相物质与溶解态物质的相互作用。
发明内容
本发明的目的是提出一种实验装置，通过实验装置可以达到对水相中的各个固相物质进行隔离，并能使溶解态(污染)物质在装置中的各相间达到分配平衡，进而通过此装置对污染物在水环境中多相体系间的行为进行实验室模拟研究。
本发明能够人工模拟在液相环境中一种溶解态物质，如铅、镉、铜等重金属离子、各种酸碱等，在各种不同固相物质间的分配行为，例如模拟自然水环境条件下颗粒物、生物膜、沉积物等和水共存的多相体系，能使各固相物质始终保持隔离，溶液态物质可以自由移动，考察可能影响溶解态物质在各相间以及各相内的不同组分间分配特征的各因素，并且考虑各种主要影响因素的共同作用效果。
本发明所述的对溶解态物质在多相体系中分配行为进行模拟的装置，其是由平衡装置和搅拌装置组成。平衡装置由外室和中央室组成，外室与中央室间开有圆孔，各室都固定在同一水平板上，且各室与水平板的连接处密闭安装，每个外室彼此分立，且与中央室之间通过隔膜相通，固相物质不能在外室和中央室之间自由移动；外室和中央室内分别安装有磁力搅拌子，通过磁力搅拌器磁极的带动而转动，从而使得各室内溶解态物质分配均匀。
制作平衡装置的材料可以是玻璃、有机玻璃等，隔膜可以通过所研究的固相物质和溶解态物质的不同而改变材质和孔径，隔膜的孔径0.2-50μm。如可以是混合纤维微孔滤膜、硝酸纤维微孔滤膜或聚碳酸酯微孔滤膜等。
磁力搅拌器由电机、磁极组成，电机转动带动磁极转动，这样平衡装置中的每个室中放置的一个磁力搅拌子，在磁极转动的引力下就可以随之转动，进而达到对每室进行同时搅拌。
平衡装置的外室可为2-10个，中央室只有1个，各外室均匀分布在中央室周围，每个室中均有一个磁力搅拌子，随着安装于水平板下面的磁极转动而转动。
外室和中央室间开有圆孔，通过隔膜隔开，隔膜由开有同样圆孔的两片玻璃或有机玻璃片夹住，通过固定在小室上的固定片紧密安装在外室和中央室之间，进而保持平衡装置的密闭性，使得后续实验中的固相物质不能在各室之间自由移动。
将有机玻璃板或玻璃板或其他材料按照已经确定的设计方案中的规格切割好，分别按设计方案在对应处打出相同孔，按照设计方案制作成平衡装置。
根据已经制作好的平衡装置制作一个相应的有若干转子的可调速的磁力搅拌器，用于分别同时搅拌不同的外室和中央室。
利用本发明所述装置，在实验室条件下模拟污染物在天然水环境多相体系中的行为的应用，例如(1)模拟多相体系中固相物质对污染物质吸附的动力学实验可以通过溶解态物质在各室间的自由迁移扩散和各室中固相物质对其的吸附解吸，使溶解态物质最终在各室中的固相物质及水相间达到平衡，固相物质对溶解态物质达到吸附平衡。模拟多相体系中固相物质对溶解态物质吸附的动力学实验①将中央室和每个外室间用隔膜(隔膜的种类及参数条件应该根据要隔离的固相物质不同进行改变)隔开，向平衡装置的每一个室中加入一定量(300ml-600ml)的溶液，溶液可以根据研究的固相物质和溶解态物质的不同而进行相应变化，例如可以为二次水(二次水是将蒸馏水进行离子交换处理而得的去离子水，电导率＜5μS/cm)或微量矿物盐溶液(其中各个物质含量为(NH4)2SO4为120mg/L、KNO3为15mg/L、NaHCO3为0.84mg/L、KH2PO4为0.70mg/L、MgSO4·7H2O为35mg/L、CaCl2·2H2O为30mg/L)。
②开启磁力搅拌器，分别向四周的外室内加入不同的一定量的固相物质(如外室2、3、4中分别加入5-10ml浓度为10-20mg/L的分别含有颗粒物、沉积物、生物膜等固相物质的悬浊液)，使不同的固相物质分隔在不同的室中，用酸和碱调节各个小室的pH值，使五个室的保持在一定范围内(pH＝2.0-9.0)。
③向中央室1中加入污染物质(如重金属铅或镉、酸碱等)的标准溶液使其达到一定的初始浓度(0.1μmol/L-10mmol/L)，由于污染物质的加入可能会改变原来体系的pH值，用酸和碱调节各室的pH值保持在一定的范围内(pH＝2.0-9.0)。
④连续搅拌24-72h，每隔一定时间(2-10h)分别测不同室中的各种固相物质所吸附的污染物的量，可以得出各种固相物质对污染物质的吸附动力学曲线。
(2)模拟多相体系中固相物质对污染物质吸附的热力学实验可以通过溶解态物质在各室间的自由迁移扩散和各室中固相物质对其的吸附解吸，使溶解态物质最终在各室中的固相物质及水相间达到平衡，固相物质对溶解态物质达到吸附平衡。模拟多相体系中固相物质对溶解态物质吸附的热力学实验①将中央室和每个外室间用隔膜(隔膜的种类及参数条件应该根据要隔离的固相物质不同进行改变)隔开，向平衡装置的每一个室中加入一定量(300ml-600ml)的溶液，溶液可以根据研究的固相物质和溶解态物质的不同而进行相应变化，例如可以为二次水(二次水是将蒸馏水进行离子交换处理而得的去离子水，电导率＜5μS/cm)或微量矿物盐溶液(其中各个物质含量为(NH4)2SO4为120mg/L、KNO3为15mg/L、NaHCO3为0.84mg/L、KH2PO4为0.70mg/L、MgSO4·7H2O为35mg/L、CaCl2·2H2O为30mg/L)；②开启磁力搅拌器，分别向四周的外室内加入不同的一定量的天然水中的固相物质(如外室2、3、4中分别加入5-10ml浓度为10-20mg/L的分别含有颗粒物、沉积物、生物膜的悬浊液)，使不同的固相物质分隔在不同的室中，用酸和碱调节各个小室的pH值，使五个室的保持在一定范围内(pH＝2.0-9.0)。
③分别向并排的一系列多个平衡装置的中央室1中分别加入不同体积(1ml-50ml)的污染物质的标准溶液(0.0001mol/L-0.01mol/L)，使各装置中污染物的初始浓度不同，调节各室的pH值保持在一定的范围内(pH＝2.0-9.0)。
④连续搅拌24-72h，测最终各种固相物质所吸附的污染物的量，可以得出各种固相物质对污染物的吸附热力学曲线。
(3)模拟天然水环境环境条件改变时各固相物质对污染物质的吸附释放情况可以通过各种条件的变化模拟溶解态物质在多相体系间的行为的变化。通过吸附平衡后某些条件的改变，可以得到固相物质对溶解态物质的新的吸附量，从而得到条件改变后的固相物质对溶解态物质的解析或在吸附量。模拟条件改变时各固相物质对溶解态物质的吸附释放情况①选取一系列相同的平衡体系，调节各装置中的某一环境条件为一定的梯度系列，使各体系保持各自的值。
②经过一定时间的平衡，测各固相物质中吸附的溶解态物质的量，与原平衡体系的吸附量进行比较，可得出经环境条件变化影响后固相物质对溶解态物质的释放量或在吸附量。
例如调节体系酸碱度的变化①用(2)中的各种平衡体系，调节各装置中的pH值为一定的梯度系列，如pH＝4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，8.5，使各体系保持各自的值不变；②经过24-72h的平衡，测各固相物质中吸附的污染物质的量，与原平衡体系的吸附量进行比较，可得出经环境条件变化影响后固相物质对污染物的释放量或在吸附量。
本发明具有如下优点(1)实用性强。可以对不同的溶解态物质在不同固相物质间的分配行为进行模拟。可以在实验室条件下对自然水环境中的污染物的迁移转化进行模拟，并研究影响污染物在各相间分配的各种环境因素。
(2)适用范围广。本发明可通过对制作装置材料的更换和隔膜的变化对各种不同物质在不同性质的多种固相物质组成的体系中行为进行模拟研究。
图1有五个室的平衡装置示意图；图2有五个室的平衡装置的平面示意图；图3有五个室的平衡装置的立体简图；图4平衡装置中一个外室的平面简图；图5平衡装置中一张夹片的示意图；图6有五个室的平衡装置对应的磁力搅拌装置示意图；图7酸在装置中的平衡曲线示意图。
下面结合附图对本发明作进一步说明，以5室的平衡装置为例。如图1、2、3、7所示，这些装置是本发明中的一种，共含有5个小室。
如图1、2、3、4、5所示，是本发明所述的一种涉及1个中央室和4个外室的5室平衡装置示意图，平衡装置上开口，在实验中可以有盖。其余各部件为中央室1、外室2、外室3、外室4和外室5，所有外室和中央室均固定安装在水平板9上，分立的外室和中央室间有圆孔8，圆孔8的中间安装有隔膜11，进而将各室分离开，各室内均安装有的磁力搅拌子17。
隔膜11夹在两个夹片6和7中间，夹片6和7的中间开有与前面所述的外室与中央室间圆孔8位置和大小相同的圆孔14。两个夹片和隔膜一并安装于外室内的固定片13内，由两个夹片固定住隔膜11，并保持外室与中央室间的紧密性。根据固相物质的不同可以改变隔膜11的种类及孔径，隔膜11的孔径应使得后续实验中的固相物质不能在各室之间自由移动。
如图6所示，是有五个室的平衡装置对应的磁力搅拌装置示意图，电机18及磁极19被固定安放在长方体形电机盒16中，电机盒16是上下有底的封闭的盒子，其材质可以为酚醛板或其他硬度较强的树脂板等，电机盒16紧密安放在水平板9的下面，电机18转动带动磁极19转动，从而带动位于水平板9上面、平衡装置各室中的磁力搅拌子17转动，进而达到对每一个室的同时搅拌。
模拟其他物质在不同的固相物质间的分配时，可以通过制作平衡装置的材料的改变、隔膜的变化和平衡装置小室的数目及连接方式来实现。制作平衡装置的材料可以是玻璃、有机玻璃等，隔膜可以是混合纤维微孔滤膜、硝酸纤维微孔滤膜等。当室的数目不同时，不同夹片和隔膜的放置方法都与五个室的装置的放置方法相同。
具体实施例方式
实施例1用孔径为0.45μm的混合纤维微孔滤膜将外室和中央室隔开。向平衡装置的外室2、外室3、外室4分别加入500mL二次去离子水后(二次水是将蒸馏水进行离子交换处理而得的去离子水)，同时向外室5和中央室1中分别加入500mL二次水和500mL10-4mol/L的HNO3溶液。立即开始搅拌，并计时为t＝0。在室温下进行连续搅拌，每隔30min分别测五个室中的pH值，待五个室中的pH值相同而达到平衡时，记录酸在平衡装置中达到平衡的时间。如图7所示，为酸在装置中的平衡，酸的浓度用pH计测定。五个室中的pH值随时间的变化曲线，曲线20是外室5的pH随时间的变化，曲线21是中央室1的pH随时间的变化，曲线22是外室2的pH随时间的变化，曲线23是外室3的pH随时间的变化，曲线24是外室4的pH随时间的变化，如图所示到平衡的时间大约为26h。通过本实验说明溶解态的酸在装置中没有固相物质作用的条件下，达到平衡的时间约为26h。
实施例2
用孔径为0.45μm的混合纤维微孔滤膜作为隔膜将各外室与中间室隔住向平衡装置的外室2、外室3、外室4中分别加入500mL二次水，同时向中央室1和外室5中分别加入500mL二次水和500mL 1.0mol/L的含有铁氧化物和有机质水中的颗粒物悬浊液(其中悬浊液中颗粒物的含量为1g/L)。由于颗粒物中含有相对较多的铁氧化物和有机质，可以以铁氧化物和有机质来表征颗粒物的量，所以可以先测溶液中铁或有机质的量，再对溶液进行过滤，测滤液中铁或有机质的量，通过二者之中铁或有机质含量的差值来判断是否有颗粒物被滤出，进而可知在其中的室里是否有颗粒物存在。在室温下进行连续搅拌30h后，分别取外室2、外室3、外室4和中央室1中的溶液15mL为样品系列1待测，再用孔径为0.45μm的混合纤维微孔滤膜过滤外室2、外室3、外室4和中央室1中的剩余溶液，过滤后分别取每种滤液15mL为样品系列2待测。测得到的样品系列1和2的溶液中铁的浓度和溶液中TOC(总有机碳)的浓度。以经30h连续搅拌后的溶液过滤前后所含有的铁和总有机碳的浓度差来反映进入某一室中的颗粒物的量。测量结果见表1和表2。经测量结果可知，由于外室2、3、4和中央室中液体在过滤前后铁和总有机碳的浓度差为0，所以说明外室5中的颗粒物与其他室已经隔离，并且没有进入其他室内。之后进行逐一的各室的验证所得结果都证能达到四周的外室与中央室隔离。可以证明装置可以使在各室中固相物质相互隔离。
实例1和2进而证明，实验装置中固相物质不能在各室之间自由移动能够相互隔离，只能使液相溶解态物质在各室间交换平衡。
表1各室溶液中铁的浓度(mg/L)
表2各室中总有机碳的浓度(mg/L)
权利要求
1.模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置，其是由平衡装置和搅拌装置组成，特征在于平衡装置由外室和中央室组成，外室与中央室间开有圆孔(8)，各室都固定在同一水平板上(9)，且各室与水平板的连接处密闭安装，每个外室彼此分立，且与中央室之间通过隔膜(11)相通，固相物质不能在外室和中央室之间自由移动；外室和中央室内分别安装有磁力搅拌子(17)，通过磁力搅拌器磁极(19)的带动而转动，从而使得各室内溶解态物质分配均匀。
2.如权利要求1所述的模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置，其特征在于隔膜是混合纤维微孔滤膜或硝酸纤维微孔滤膜，隔膜的孔径0.2-50μm。
3.如权利要求1所述的模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置，其特征在于电机(18)、磁极(19)安装于密闭的电机盒(16)内，电机盒(16)紧密安放在水平板(9)的下方，电机(18)转动带动磁极(19)转动，从而带动位于水平板(9)上面、平衡装置各室中的磁力搅拌子(17)转动，进而达到对每一个室的同时搅拌。
4.如权利要求1所述的模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置，其特征在于隔膜(11)夹在两个夹片(6)和(7)中间，夹片(6)和(7)的中间开有与外室与中央室间圆孔(8)位置和大小相同的圆孔(14)，两个夹片和隔膜一并安装于外室内的固定片(13)内，由两个夹片固定住隔膜(11)，并保持外室与中央室间的紧密性，使得固相物质不能在各室之间自由移动。
5.如权利要求1-4任何一项所述的模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置，其特征在于有1个中央室(1)和4个外室(2)、(3)、(4)和(5)。
6.权利要求1-4任何一项所述的模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置在模拟天然水环境多项体系中固相物质对污染物质吸附的动力学实验方面的应用。
7.权利要求1-4任何一项所述的模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置模拟天然水环境多项体系中固相物质对污染物质吸附的热力学实验方面的应用。
8.权利要求1-4任何一项所述的模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置在模拟天然水环境多项体系中固相物质对污染物质吸附的热力学实验方面的应用。
9.权利要求1-4任何一项所述的模拟溶解态物质在多相体系中分配行为的装置在模拟天然水环境条件改变时各固相物质对污染物质的吸附释放情况方面的应用。
全文摘要
本发明涉及一种研究溶解态物质在多相体系中分配行为的模拟装置及该装置在研究溶解态物质多相体系中分配行为方面的应用。其是由平衡装置和搅拌装置组成，平衡装置由外室和中央室组成，外室与中央室间开有圆孔(8)，各室都固定在同一水平板上(9)，且各室与水平板的连接处密闭安装，每个外室彼此分立，且与中央室之间通过隔膜(11)相通；外室和中央室内分别安装有磁力搅拌子(17)，通过磁力搅拌器磁极(19)的带动而转动，从而使得各室内溶解态物质分配均匀。通过实验装置可以达到对水相中的各个固相物质进行隔离，并能使污染物质在装置中的各相间达到分配平衡，进而通过此装置对污染物在水环境中多相体系间的行为进行实验室模拟研究。
文档编号B01L3/00GK1879967SQ20061001685
公开日2006年12月20日 申请日期2006年5月18日 优先权日2006年5月18日
发明者董德明, 花修艺, 张广鑫, 孙文田 申请人:吉林大学