专利名称：一种单一体系单一电荷选择性分离装置及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单一体系单一电荷选择性分离装置及应用，属液/液界面电化学领域。
背景技术：
近年来，随着离子交换膜作为模板支撑液/液界面的广泛运用，关于离子交换膜装置的研制以及有效利用离子交换膜的研究逐渐引起人们的关注。在《Journalof Membrane Science))杂志 2011 年 I 月份的 “Evaluation of two ion-exchangemembranes for the transport of tin in the presence of hydrochloric acid，，中，M. Garcia-Gabaldon小组首次采用玻璃制成双室电化学池作为实验装置来研究电荷在离子交换膜作为模板支撑液/液界面上的转移反应，但主要的缺陷是该装置易碎，易受酸碱腐蚀，不能在酸碱环境中使用绝缘性差，最关键的是运用此装置不能得到较好的选择性通过 效果，而且进行一次实验需要消耗大量离子交换膜。因此该装置在实际运用有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的之一是为了克服现有技术中的膜修饰液/液界面装置的缺点，提供一种单一体系单一电荷选择性分离装置。本发明的目的之二是提供上述的一种单一体系单一电荷选择性分离装置在膜修饰液/液界面方面的应用。本发明的技术方案
一种单一体系单一电荷选择性分离装置，由底座和位于底座正中心向上延伸的中空圆柱管组成；
整个装置高即底座和底座正中心向上延伸的中空圆柱管总高度为底座高的6倍；
底座高与底座直径之比为1:10 ;
底座正中心向上延伸的中空圆柱管的内径与外径之比为2:3 ；
底座正中心向上延伸的中空圆柱管管顶和底座上沿和下沿均采用高度为比底座高度小10倍，斜度为0. 5度的斜切角处理；
所述的单一体系单一电荷选择性分离装置，其底座和位于底座正中心的向上的中空圆柱管优选为一体加工而成，且均采用石英材质构造。上述的一种单一体系单一电荷选择性分离装置可应用于膜修饰液/液界面方面，即运用本装置配合离子交换膜，在四电极体系下，观察离子从水相到油相的转移过程
上述的转移过程包括(I)简单离子转移反应；(2)加速离子转移反应两个方面。所述的简单离子转移反应是指离子在电位窗内在外加电位的控制下所发生的从一相进入另外一相的反应。离子在水相和有机相间转移时，其价态未发生变化，只是溶剂化状态发生改变。如果具有两亲性的离子的转移吉布斯自由能在实验体系的电位窗范围内，在外加电位情况下就会发生界面转移反应。简单离子在液/液界面上的可逆转移反应遵守Nernst方程式。所述的加速离子转移反应，是指在一相中加入一种能与另一相中某离子形成稳定络合物的离子载体，从而降低该离子在液/液界面的转移吉布斯自由能，使得在电位窗内能够观测到离子的转移反应。该反应与离子色谱、离子选择性电极、生物传感器、药物动力学以及生物体系中的跨膜传输等方面的研究相关。本发明的技术效果
本发明的单一体系单一电荷选择性分离装置，由于在现有制备方法的基础上，采用稳固性好、更耐酸碱、电化学性能极佳的原材料——石英，克服了以前装置易碎、不耐酸碱，玻璃装置带有一定电荷的缺点；采用圆形底座，中央树立空管形式能更好的与离子交换膜紧贴，并能在电化学工作站上得到比以前装置好的实验效果。
另外，通过采用最佳的比例设计本装置，最大限度充分使用离子交换膜，避免了以前装置一次实验需要耗费大量离子交换膜的不足。总体而言，所设计的单一体系单一电荷选择性分离装置相对于以前报道的膜修饰液/液界面装置，本装置的选择性更好、不宜破碎、绝缘性好、耐酸和耐碱性好、与离子交换膜接触面积能达到最佳透过比。另外，该单一体系单一电荷选择性分离装置因其对离子电荷的极高选择性，可用于分子尺寸选择性转移和离子电荷选择性转移等领域。
图I、实施例I的一种单一体系单一电荷选择性分离装置的剖面 图2、北京廷润膜技术有限公司生产JAM- II -05型阴离子交换膜切面的扫描电镜图； 图3、各实施例中组装后的装置 图4、高氯酸根阴离子在与阴离子交换膜的接触面积为50. 27mm2的单一体系单一电荷选择性分离装置上进行转移的图片；
图5、硫酸根阴离子在与阴离子交换膜的接触面积为50. 27mm2的单一体系单一电荷选择性分离装置上进行转移的图片；
图6、硝酸根阴离子在与阴离子交换膜的接触面积为50. 27mm2的单一体系单一电荷选择性分离装置上进行转移的图片；
图7、TEA阳离子在与阴离子交换膜的接触面积为50. 27mm2的单一体系单一电荷选择性分离装置上进行转移的图片。
具体实施例方式下面结合实施例并结合附图对本发明进一步进行阐述，但并不限制本发明。实施例I
一种单一体系单一电荷选择性分离装置，如图I所不，由底座I和位于底座正中心向上延伸的中空圆柱管2组成，所述的底座I和位于底座正中心的向上的中空圆柱管2为一体加工而成；
整个装置高即底座I和底座正中心向上延伸的中空圆柱管2总高度为30mm，底座I高
5mm ；底座I直径50mm;
底座正中心向上延伸的中空圆柱管2的内径为8mm，外径为12mm，底座正中心向上延伸的中空圆柱管2的管顶、底座I上沿和底座I下沿均采用O. 5mmX O. 5。的斜切角处理；
所述的单一体系单一电荷选择性分离装置的底座I和位于底座正中心的向上的中空圆柱管2均采用石英材质构造。 应用实施例I
利用实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置观察高氯酸根阴离子在其上进行传输转移
实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置与离子交换膜的接触 面积为50. 27mm2 ；
上述的利用实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置将高氯酸根阴离子在其上进行传输转移的方法，具体包括如下步骤
(1)、离子交换膜的安装
将阴离子交换膜(北京廷润膜技术有限公司生产JAM- II -05型阴离子交换膜，切面的扫描电镜图如图2所示，从图2中可以看出由于阴离子交换膜膜的厚度有限，短时间内穿过膜的电荷也有限，在上述的实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置下，离子交换膜接触面积能达到最佳透过比，在有效的接触面积内充分观察到离子的转移)用打孔器切成直径与实验所用本装置底座中心向上延伸的中空圆柱管底面积一致的圆形，面积约为60mm2，再运用α —氰基丙烯酸乙酯胶即502胶，将阴离子交换膜粘在单一体系单一电荷选择性分离装置底部的孔道口，放置至少IOmin ；
(2)、将有机相DCE(I，2- 二氯乙烷)溶解的支持电解质溶液O. 02mol*r1TBATPB(O. 02mol*L-1四苯硼酸四丁基铵)放入事先准备好的电解槽(图3中下部分装置)中，刚好浸没电解槽中尖嘴部分，并在其左侧与电解槽底端尖嘴相连的细管中加入混合液(所述的混合液为在50ml容量瓶中加入5ml 10 mol·!/1 TBACL和6ml O. I moK KCL混合，然后用蒸馏水定容)，操作过程中不可使得混合液冒出尖嘴进入电解槽内，只能在细管中和部分有机相构成稳定界面，此界面最好适当接近尖嘴；
(3)、接着，利用固定装置将步骤(I)所得的带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置固定于电解槽上端，带有阴离子交换膜一段向下，不要接触到有机相；
将要使用的参比电极以及对电极插入各自的位置，具体如图3所示，图3中上部分为带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置，下部分为带有尖嘴的电解槽，其中I为钼丝对电极II，水相池；2为水相参比电极，Ag/AgCl ；3为钼丝对电极I，油相池；4为油相参比电极，Ag/AgCl ；5为步骤(2)中所述的混合液；6为步骤(2)中所述的支持电解质溶液；7为水相；8为阴离子交换膜；
然后，利用小型升降台等装置，将电解槽一点点上升，直至步骤(I)所得的带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置的阴离子交换膜刚巧碰触到有机相，操作过程中不可使带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置浸没。而后在带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置中加入水相溶液(I. O mol*^1高氯酸纳溶液，配制在50ml容量瓶中加入高氯酸纳O. 00702克，用O. I mMol-Γ1 KCL溶液定容)；
最终组成的电池组如下Pt I Ag I AgCl I 0.02M TBATPB (DCE) I I O. IM KCL+1. OmM NaClO4 I AgCl I AgI Pt
(4)、启动电化学工作站(上海辰华仪器公司生产CHI600D型电化学工作站)，操作进行电化学检测，观测高氯酸根离子在阴离子交换膜上的传输转移行为。上述的高氯酸根阴离子在与阴离子交换膜的接触面积为50. 27mm2的单一体系单一电荷选择性分离装置上的转移行为，其结果如图4所示，从图4上可以看出在空白窗口，即没有加入高氯酸根溶液所得到的窗口上，高氯酸根阴离子发生定向转移，在空白窗口的位置发生出峰情况。空白窗口范围在O. 20-1. 80V，高氯酸根出峰位置是在O. 30V和O. 70V。由此可见，本发明的单一体系单一电荷选择性分离装置在阴离子交换膜配合下能观察出高氯酸根阴离子转移。
应用实施例2
利用实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置观察硫酸根阴离子在其上进行传输转移
实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置与离子交换膜的接触面积为50. 27mm2 ；
上述的利用实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置将高氯酸根阴离子在其上进行传输转移的方法，具体包括如下步骤
(1)、离子交换膜的安装
将阴离子交换膜(北京廷润膜技术有限公司生产JAM- II -05型阴离子交换膜，切面的扫描电镜图如图2所示，从图2中可以看出由于阴离子交换膜膜的厚度有限，短时间内穿过膜的电荷也有限，在上述的实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置下，离子交换膜接触面积能达到最佳透过比，在有效的接触面积内充分观察到离子的转移)用打孔器切成直径与实验所用本装置底座中心向上延伸的中空圆柱管底面积一致的圆形，面积约为60mm2，再运用α —氰基丙烯酸乙酯胶即502胶，将阴离子交换膜粘在单一体系单一电荷选择性分离装置底部的孔道口，放置至少lOmin，即得到带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置；
(2)、将有机相DCE(I，2- 二氯乙烷)溶解的支持电解质溶液O. 02mol*r1TBATPB(O. 02mol*L-1四苯硼酸四丁基铵)，放入事先准备好的电解槽(图3中下部分装置)中，刚好浸没电解槽中尖嘴部分，并在其左侧与电解槽底端尖嘴相连的细管中加入混合液(所述混合液在50ml容量瓶中加入5ml 10 mol·!/1 TBACL和6ml O. I moK KCL混合，然后用蒸馏水定容)，操作过程中不可使得混合液冒出尖嘴进入电解槽内，只能在细管中和部分有机相构成稳定界面，此界面最好适当接近尖嘴；
(3)、接着，利用固定装置将步骤(I)所得的带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置固定于电解槽上端，带膜一段向下，不要接触到有机相，开始将要使用的参比电极以及对电极插入各自的位置，具体如图3所示，图3中上部分为本装置，下部分为电解槽，I为钼丝对电极II，水相池；2为水相参比电极，Ag/AgCl ；3为钼丝对电极I，油相池；4为油相参比电极，Ag/AgCl ；5为步骤(2)中所述的混合液；6为步骤(2)中所述的支持电解质溶液；7为水相；8为阴离子交换膜；
然后，利用小型升降台等装置，将电解槽一点点上升，直至步骤(I)所得的带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置的阴离子交换膜膜刚巧碰触到有机相，操作过程中不可使带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置浸没。而后在带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置中加入水相溶液(I. O mMoI·L-1硫酸锂溶液，配制在50ml容量瓶中加入硫酸锂O. 00640克，用O. I mol.L—1 KCL溶液定容)；
最终组成的电池组如下
Pt I Ag I AgCl I O. 02M TBATPB (DCE) I I O. IM KCL+1. OmM Li2SO4 I AgCl I Ag I
Pt
(4)、启动电化学工作站(上海辰华仪器公司生产CHI600D型电化学工作站)，操作进行电化学检测，观测高氯酸根离子在阴离子交换膜上的传输转移行为。上述的硫酸根阴离子在与阴离子交换膜的接触面积为50. 27mm2的单一体系单一 电荷选择性分离装置上的转移行为，其结果如图5所示，从图5上可以看出在空白窗口，SP没有加入硫酸根溶液所得到的窗口上，硫酸根阴离子发生定向转移，在空白窗口的位置发生出峰情况。空白窗口范围在O. 20-1. 80V，硫酸根出峰位置是在O. 32V和O. 75V。由此可见，本发明的单一体系单一电荷选择性分离装置在阴离子交换膜配合下能观察出硫酸根阴离子转移。应用实施例3
利用实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置观察硝酸根阴离子在其上进行传输转移
实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置与离子交换膜的接触面积为50. 27mm2 ；
上述的利用实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置将硝酸根阴离子在其上进行传输转移的方法，具体包括如下步骤
(1)、离子交换膜的安装
将阴离子交换膜(北京廷润膜技术有限公司生产JAM- II -05型阴离子交换膜，切面的扫描电镜图如图2所示，从图2中可以看出由于阴离子交换膜膜的厚度有限，短时间内穿过膜的电荷也有限，在上述的实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置下，离子交换膜接触面积能达到最佳透过比，在有效的接触面积内充分观察到离子的转移)用打孔器切成直径与实验所用本装置底座中心向上延伸的中空圆柱管底面积一致的圆形，面积约为60mm2，再运用α —氰基丙烯酸乙酯胶即502胶，将阴离子交换膜粘在单一体系单一电荷选择性分离装置底部的孔道口，放置至少IOmin ；
(2)、将有机相DCE(I，2- 二氯乙烷)溶解的支持电解质溶液O. 02mol*r1TBATPB(O. 02mol*L-1四苯硼酸四丁基铵)，放入事先准备好的电解槽(图3中下部分装置)中，刚好浸没电解槽中尖嘴部分，并在其左侧与电解槽底端尖嘴相连的细管中加入混合液(所述混合液在50ml容量瓶中加入5ml 10 mol·!/1 TBACL和6ml O. I moK KCL混合，然后用蒸馏水定容)，操作过程中不可使得混合液冒出尖嘴进入电解槽内，只能在细管中和部分有机相构成稳定界面，此界面最好适当接近尖嘴；
(3)、接着，利用固定装置将步骤(I)所得的带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置固定于电解槽上端，带膜一段向下，不要接触到有机相，开始将要使用的参比电极以及对电极插入各自的位置，具体如图3所示，图3中上部分为本装置，下部分为电解槽，I为钼丝对电极II，水相池；2为水相参比电极，Ag/AgCl ；3为钼丝对电极I，油相池；4为油相参比电极，Ag/AgCl ；5为步骤(2)中所述的混合液；6为步骤(2)中所述的支持电解质溶液；7为水相；8为阴离子交换膜；
然后，利用小型升降台等装置，将电解槽一点点上升，直至步骤(I)所得的带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置的阴离子交换膜刚巧碰触到有机相，操作过程中不可使带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置浸没。而后在带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置中加入水相溶液(I. O mol·!/1硝酸钾溶液，配制在50ml容量瓶中加入硝酸钾O. 00500克，用O. I mMol-Γ1 KCL溶液定容)；
最终组成的电池组如下
Pt I Ag I AgCl I O. 02M TBATPB (DCE) I I O. I MKCL+1OmM KNO3 I AgCl I Ag I Pt
(4)、启动电化学工作站(上海辰华仪器公司生产CHI600D型电化学工作站)，操作进行电化学检测，观测硝酸根离子在阴离子交换膜上的传输转移行为。·上述的硝酸根阴离子在与阴离子交换膜的接触面积为50. 27mm2的单一体系单一电荷选择性分离装置上的转移行为，其结果如图6所示，从图6上可以看出在空白窗口，SP没有加入硝酸根溶液所得到的窗口上，硝酸根阴离子发生定向转移，在空白窗口的位置发生出峰情况。空白窗口范围在O. 20-1. 80V，硝酸根出峰位置是在O. 26V和O. 74V。由此可见，本发明的单一体系单一电荷选择性分离装置在阴离子交换膜配合下能观察出硝酸根阴离子转移。应用实施例4
利用实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置观察TEA (四乙基铵)阳离子在其上进行传输转移
实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置与离子交换膜的接触面积为50. 27mm2 ；
上述的利用实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置将TEA阳离子在其上进行传输转移的方法，具体包括如下步骤
(1)、离子交换膜的安装
将阴离子交换膜(北京廷润膜技术有限公司生产JAM- II -05型阴离子交换膜，切面的扫描电镜图如图2所示，从图2中可以看出由于阴离子交换膜膜的厚度有限，短时间内穿过膜的电荷也有限，在上述的实施例I所得的单一体系单一电荷选择性分离装置下，离子交换膜接触面积能达到最佳透过比，在有效的接触面积内充分观察到离子的转移)用打孔器切成直径与实验所用本装置底座中心向上延伸的中空圆柱管底面积一致的圆形，面积约为60mm2，再运用α —氰基丙烯酸乙酯胶即502胶，将阴离子交换膜粘在单一体系单一电荷选择性分离装置底部的孔道口，放置至少IOmin ；
(2)、将有机相DCE(I，2- 二氯乙烷)溶解的支持电解质溶液O. 02mol*r1TBATPB(O. 02mol*L-1四苯硼酸四丁基铵)放入事先准备好的电解槽(图3中下部分装置)中，刚好浸没电解槽中尖嘴部分，并在其左侧与电解槽底端尖嘴相连的细管中加入混合液(所述混合液在50ml容量瓶中加入5ml 10 mol·!/1 TBACL和6ml O. I moK KCL混合，然后用蒸馏水定容)，操作过程中不可使得混合液冒出尖嘴进入电解槽内，只能在细管中和部分有机相构成稳定界面，此界面最好适当接近尖嘴；(3)、接着，利用固定装置将步骤(I)所得的带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置固定于电解槽上端，带膜一段向下，不要接触到有机相，开始将要使用的参比电极以及对电极插入各自的位置，具体如图3所示，图3中上部分为本装置，下部分为电解槽，I为钼丝对电极II，水相池；2为水相参比电极，Ag/AgCl ；3为钼丝对电极I，油相池；4为油相参比电极，Ag/AgCl ；5为步骤(2)中所述的混合液；6为步骤(2)中所述的支持电解质溶液；7为水相；8为阴离子交换膜；
然后，利用小型升降台等装置，将电解槽一点点上升，直至步骤(I)所得的带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置的阴离子交换膜膜刚巧碰触到有机相，操作过程中不可使带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置浸没；而后在带有阴离子交换膜的单一体系单一电荷选择性分离装置中加入水相溶液(I. O IiioPL-1TEA+溶液，配制在50ml容量瓶中加入氯化四乙基铵O. 00846克，用O. I mMol-Γ1 KCL溶液定容)；
最终组成的电池组如下
Pt I Ag I AgCl I O. 02M TBATPB (DCE) I I O. IM KCL+1. OmM TEACl I AgCl I Ag I·
Pt
(4)、启动电化学工作站(上海辰华仪器公司生产CHI600D型电化学工作站)，操作进行电化学检测，观测TEA阳离子在阴离子交换膜上的传输转移行为。上述的TEA阳离子在与阴离子交换膜的接触面积为50. 27mm2的单一体系单一电荷选择性分离装置上的转移行为，其结果如图7所示，从图7上可以看出在空白窗口，即没有加入TEA+溶液所得到的窗口上，TEA阳离子么有发生定向转移。空白窗口范围在
O.20-1. 80V,再加入TEA+溶液后，窗口没发生变化出。由此可见，本发明的单一体系单一电荷选择性分离装置在阴离子交换膜配合下不能观察出TEA阳离子转移。综上所述，运用本发明的单一体系单一电荷选择性分离装置所进行的实施例中，由应用实施例I观察到高氯酸根转移，由应用实施例2观察到硫酸根转移，由应用实施例3观察到硝酸根转移，由应用实施例4观察不到TEA阳离子转移。由此可见本发明的一种单一体系单一电荷选择性分离装置在实际运用中不带入材料中的离子，对离子电荷的极高选择性，而且由于与离子交换膜接触面积能达到最佳透过比，观察出了转移离子的出峰情况，所以具有很大的实用价值。以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种单一体系单一电荷选择性分离装置，其特征在于所述的单一体系单一电荷选择性分离装置包括底座和底座正中心向上延伸的中空圆柱管组成。
2.如权利要求I所述的一种单一体系单一电荷选择性分离装置，其特征在于所述的底座和底座正中心向上延伸的中空圆柱管的材质为石英。
3.如权利要求2所述的单一体系单一电荷选择性分离装置，其特征在于整个装置高即底座和底座正中心向上延伸的中空圆柱管总高度为底座高的6倍。
4.如权利要求3所述的单一体系单一电荷选择性分离装置，其特征在于所述的底座高与底座直径之比为1:10。
5.如权利要求4所述的单一体系单一电荷选择性分离装置，其特征在于所述的底座正中心向上延伸的中空圆柱管的内径与外径之比为2:3。
6.如权利要求5所述的单一体系单一电荷选择性分离装置，其特征在于所述的底座正中心向上延伸的中空圆柱管的管顶、底座上沿和底座下沿均采用高度为比底座高度小10倍，斜度为O. 5度斜切角处理。
7.如权利要求I 6任一权利要求所述的单一体系单一电荷选择性分离装置,其特征在于所述的底座和底座正中心向上延伸的中空圆柱管一体成型。
8.如权利要求I 6任一权利要求所述的单一体系单一电荷选择性分离装置应用于膜修饰液/液界面方面。
全文摘要
本发明公开一种单一体系单一电荷选择性分离装置及应用，属液/液界面电化学领域膜装置应用领域。所述的一种单一体系单一电荷选择性分离装置，由底座和位于底座正中心向上延伸的中空圆柱管组成，其底座和位于底座正中心的向上的中空圆柱管优选为一体加工而成，且均采用石英材质构造。所述的一种单一体系单一电荷选择性分离装置可应用于膜修饰液/液界面方面。本发明的单一体系单一电荷选择性分离装置选择性更好、不宜破碎、绝缘性好、耐酸和耐碱性好、与离子交换膜接触面积能达到最佳透过比。另外，该单一体系单一电荷选择性分离装置因其对离子电荷的极高选择性，可用于分子尺寸选择性转移和离子电荷选择性转移等领域。
文档编号B01D57/00GK102895876SQ20121035216
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者龙亚峰, 陈勇, 张素霞, 卞书娟 申请人:上海应用技术学院