CN107044932A - 一种重金属在线富集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种重金属在线富集系统，包括第一选择阀、第二选择阀、动力泵、至少一个富集模块和电路控制系统；富集模块包括第三选择阀、第四选择阀和富集柱。重金属溶液依次经过第一选择阀、动力泵、第二选择阀和第四选择阀流入富集柱，再经第三选择阀流出；洗脱液依次经过第一选择阀、动力泵、第二选择阀和第三选择阀流入富集柱，再经第四选择阀流出。该富集系统，结构简单，各部件连接方式简洁，仅仅使用动力泵、选择阀和富集柱即组成该富集系统；同时，试剂既可以从第三选择阀流入富集柱，又可以从第四选择阀流入富集柱，从而实现富集和洗脱过程反向进行，大大的降低了富集柱堵塞的概率，延长富集柱的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于元素检测技术领域，具体涉及一种重金属在线富集系统。
背景技术
目前，环境污染问题日益引起人们的重视，其中水体的重金属污染影响最甚，重金属可随水体迁移，富集，通过食物链进入人体，严重威胁人类健康。因此，对水体重金属的长期有效在线监测成为必须面对的重要课题。常见重金属污染元素包括：铬、镉、砷、汞、镍、锑、铊、铜、铅、锌等。它们都具有易迁移、易富集、难降解等特性，对环境造成永久性的危害。
常用的重金属分析方法有原子吸收光谱法、紫外可见分光光度法、阳极溶出法、X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法等，但是这些方法所用到的高精度设备对水质要求极高，特别对水体的含盐量要求更加苛刻，只有在实验室条件下才能达到理想的检出限，不适用于在线水质监测。由于地表水成分复杂、波动大、金属浓度低，对仪器的精密度要求较高，部分金属甚至超过仪器的检出限范围，无法直接检测，因此，快速准确的监测水体重金属变成一个亟待解决的难题。
现有技术中，通过对低浓度的重金属溶液富集浓缩后再进行监测是解决仪器检出限低的有效方法，其中一种方法是：将具有金属元素吸附功能的吸附材料(如改性壳聚糖材料)填充到一柱体内做成富集柱，低浓度的重金属溶液流经该富集柱时，重金属元素被吸附材料吸附，再用少量洗脱液(如硫酸溶液)将重金属元素在吸附材料上洗脱下来，即得到浓度较高的重金属溶液。但是，现有的采用这种富集金属的装置组成部件较多，结构复杂，组装和操作的过程比较繁琐，并且重金属元素在富集柱中富集的过程和洗脱的过程中，重金属溶液和洗脱液在富集柱中的流向是相同的，洗脱效果不理想，富集柱容易堵塞。寻求一种简单快速有效的重金属富集方法成为当务之急。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种重金属在线富集系统，实现水体中重金属元素快速有效地富集。
为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现：
本发明所述的一种重金属在线富集系统，包括电路控制系统、第一选择阀、第二选择阀、动力泵、和至少一个富集模块；
所述富集模块包括第三选择阀、第四选择阀、富集柱；
所述第一选择阀和所述第二选择阀分别连接于动力泵两端；
所述第三选择阀和所述第四选择阀分别与所述第二选择阀连接；
所述富集柱的第一端与所述第三选择阀连接，所述富集柱的第二端与所述第四选择阀连接；
重金属溶液依次经过第一选择阀、动力泵、第二选择阀和第四选择阀流入富集柱，再经第三选择阀流出；
洗脱液依次经过第一选择阀、动力泵、第二选择阀和第三选择阀流入富集柱，再经第四选择阀流出；
所述电路控制系统输出控制信号，控制动力泵的开启、关闭及转速，控制第一选择阀、第二选择阀、第三选择阀和第四选择阀的管路选择。
作为一种具体的实施方式，所述第一选择阀包括第一公共阀口和若干管路接头。
作为一种具体的实施方式，所述管路接头包括用于抽取空气的第五管路接头和分别用于抽取不同试剂的第一管路接头、第二管路接头、第三管路接头、第四管路接头。
作为一种具体的实施方式，所述第二选择阀包括第二公共阀口和若干管路接头。
作为一种具体的实施方式，所述第一公共阀口、动力泵和所述第二公共阀口顺次连接。
作为一种具体的实施方式，所述管路接头包括第一管路接头、第二管路接头、第三管路接头。
作为一种具体的实施方式，所述第三选择阀设有第三公共阀口、第一管路接头和第二管路接头；所述第四选择阀设有第四公共阀口、第一管路接头和第二管路接头。
作为一种具体的实施方式，所述第三选择阀的第三公共阀口与所述富集柱的第一端连接，所述第四选择阀的第四公共阀口与所述富集柱的第二端连接；所述第二选择阀的第二管路接头与第三选择阀的第一管路接头连接；所述第二选择阀的第一管路接头与第四选择阀的第二管路接头连接。
作为一种优选的实施方式，还包括废液杯，所述第二选择阀的第三管路接头和所述第三选择阀的第二管路接头接入所述废液杯内。
作为一种优选的实施方式，还包括溢流杯，所述第四选择阀的第一管路接头接入所述溢流杯内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的一种重金属在线富集系统，结构简单，各部件连接方式简洁，仅仅使用动力泵、选择阀和富集柱即组成该富集系统；同时，试剂既可以从第三选择阀流入富集柱，又可以从第四选择阀流入富集柱，从而实现富集和洗脱过程反向进行，大大的降低了富集柱堵塞的概率，延长富集柱的使用寿命。
第一选择阀还包括用于抽取空气的第五管路接头，可以实现空气吹扫，实现工作全程没有死体积，保证了富集结果的准确性和稳定性，从而保证水体中重金属元素可以快速有效地富集。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明所述的一种重金属在线富集系统的结构示意图；
图2是本发明所述的第一选择阀的结构示意图；
图3是本发明所述的第二选择阀的结构示意图；
图4是本发明所述的第三选择阀的结构示意图；
图5是本发明所述的第四选择阀的结构示意图；
图6是本发明所述的第五选择阀的结构示意图；
图7是本发明所述的第六选择阀的结构示意图。
图中：1、第一选择阀；2、第二选择阀；3、第三选择阀；4、第四选择阀；5、动力泵；6、第一富集柱；71、一号废液杯；72、二号废液杯；8、溢流杯；9、第五选择阀；10、第六选择阀；11、第二富集柱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种重金属在线富集系统包括第一选择阀1、第二选择阀2、动力泵5、富集模块和电路控制系统，富集模块包括第三选择阀3、第四选择阀4、第一富集柱6。第一选择阀1和第二选择阀2分别与动力泵5连接，第三选择阀3和第四选择阀4分别与第二选择阀2连接，第一富集柱6的第一端61与第三选择阀3连接，第一富集柱6的第二端62与第四选择阀4连接。重金属溶液依次经过第一选择阀1、动力泵5、第二选择阀2和第四选择阀4流入第一富集柱6，再经第三选择阀3流出，洗脱液依次经过第一选择阀1、动力泵5、第二选择阀2和第三选择阀3流入第一富集柱6，再经第四选择阀4流出。可以发现，在本富集系统中，试剂在富集柱中的流向是可以改变的，各个试剂在富集系统中的流动方式后续做进一步说明。
如图2所示，第一选择阀1包括第一公共阀口10和若干管路接头，作为优选，第一选择阀1的包括5个管路接头，分别为第一管路接头11、第二管路接头12、第三管路接头13、第四管路接头14、第五管路接头15。作为优选，本发明的第一选择阀1选用多位六通阀，该多位六通阀的各个管路接口与公共阀口连通，而各个管路接头之间不直接连通。其中，第五管路接头15与空气用于抽取空气，抽取的空气用于吹扫管路内残留的液体，保证系统中不存在死体积，提高富集的效率和准确性。其余管路接头分别用于抽取不同的试剂，试剂包括酸洗液、清洗液、样品、一号洗脱液。作为优选，第一管路接头11接入酸洗液、第二管路接头12接入清洗液、第三管路接头13接入样品、第四管路接头14接入一号洗脱液。上述管路接头的连接方式仅仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，各个管路接头和试剂或空气的对应方式可以互换。
如图3所示，第二选择阀2包括第二公共阀口20和若干管路接头，第一选择阀1的第一公共阀口10和第二选择阀2的第二公共阀口20分别与动力泵5连接。第二选择阀2的管路接头包括第一管路接头21、第二管路接头22、第三管路接头23。作为优选，本发明的第二选择阀2选用和第一选择阀1相同的多位六通阀，在本实施例中，只用到六通阀的公共阀口和其中3个管路接头。如图4和5所示，第三选择阀3设有第三公共阀口30和第一管路接头31和第二管路接头32，第四选择阀4设有第四公共阀口43和第一管路接头41和第二管路接头42。作为优选，第三选择阀3和第四选择阀4均选用三通阀，该三通阀的两个管路接头分别与公共阀口连通，两个管路接头之间不直接连通。其中，第二选择阀2的第二管路接头22与第三选择阀3的第一管路接头31连接，第二选择阀2的第一管路接头21与第四选择阀4的第二管路接头42连接，第二选择阀2的第三管路接头23接入一号废液瓶71。第三选择阀3的第三公共阀口30与第一富集柱6的第一端61连接，第四选择阀4的第四公共阀口43与第一富集柱6的第二端62连接。
作为一种优选的实施方式，本发明所述的一种重金属在线富集系统还包括一号废液杯71、二号废液杯72和溢流杯8，二号废液杯72设置在溢流杯8的下方，用于收集溢流杯8内流出的废液。第二选择阀2的第三管路接头23和第三选择阀3的第二管路接头32接入一号废液杯71内，第四选择阀4的第一管路接头41接入溢流杯8内，溢流杯8内收集包含重金属元素的洗脱液，供联机微波等离子体发射光谱仪检测。
作为一种优选的实施方式，动力泵5采用蠕动泵，蠕动泵的耐受压力更强，运行安全稳定，可解决死体积的问题。
作为一种优选的实施方式，酸洗液为体积分数1％硝酸溶液，清洗液为高纯水，一号洗脱液为体积分数3％硝酸溶液，样品为0.05mg/L的铅镉混合液，富集柱内填充200目活性炭1g。
为了方便更加简洁地叙述该系统的工作过程，现规定各部分名称如下：
第一选择阀1：MV1；
第一选择阀1的第一管路接头11至第五管路接头15依次为：MV11、MV12、MV13、MV14、MV15；第一选择阀1的第一公共阀口10:MV10；
第二选择阀2：MV2；
第二选择阀2的第一管路接头21至第三管路接头23依次为：MV21、MV22、MV23；
第二选择阀2的第二公共阀口：MV 20；
第三选择阀3：TV3；
第三选择阀3的第一管路接头31：TV31，第二管路接头32：TV32；第三选择阀3的第三公共阀口30：TV30；
第四选择阀4：TV4；
第四选择阀4的第一管路接头41：TV41，第二管路接头42：TV42；第四选择阀3的第四公共阀口40：TV40。
本发明所述的一种重金属在线富集系统的工作过程如下：
1.填充：使MV1至试剂之间的管路内充满对应的试剂；
打开MV11和MV23，启动动力泵5，抽取10ML酸洗液，关闭MV11，多余的酸洗液由MV23排入一号废液杯71内，此时MV11至酸洗液之间的管路内充满了酸洗液；按照上述操作，依次填充MV11至MV14所对应的管路；填充完成后，关闭MV1的所有管路接口，打开MV15，抽取空气吹扫MV1至MV23的管路内残留的液体；吹扫完成，关闭所有管路接口。
2.酸洗：将第一富集柱6中残留的金属元素清洗干净；
打开MV11、MV22、TV31和TV41，抽取30ML酸洗液，酸洗液经MV1、动力泵5和MV2流至TV31，再经TV30由第一富集柱6的第一端61流至第二端62，最后经TV40、TV41流入溢流杯8，打开溢流杯8的阀门81，酸洗液流入二号废液杯72内；酸洗完成后，打开MV15，抽取空气吹扫管路内残留的液体；关闭所有管路接口。
3.清洗：将第一富集柱6残留的酸洗液洗净，使其恢复到中性；
打开MV32、MV22、TV31和TV41，抽取50ML清洗液，清洗液经MV1、动力泵5和MV2流至TV31，再经TV30由第一富集柱6的第一端61流至第二端62，最后经TV40、TV41流入溢流杯8，打开溢流杯8的阀门81，清洗液流入二号废液杯72内；清洗完成后，打开MV15，抽取空气吹扫管路内残留的液体；关闭所有管路接口。
4富集：将样品中的金属元素吸附到富集柱中；
打开MV13、MV21、TV32和TV42，抽取300ML样品，样品经MV1、动力泵5和MV2流至TV42，再经TV40由第一富集柱6的第二端62流至第一端61，最后经TV30、TV32流入一号废液杯71；清洗完成后，打开MV15，抽取空气吹扫管路内残留的液体；关闭所有管路接口。
5.洗脱：将吸附在富集柱中的金属元素用少量洗脱液洗脱下来；
关闭溢流杯8的阀门81；打开MV14、MV22、TV31和TV41，抽取30ML一号洗脱液，一号洗脱液经MV1、动力泵5和MV2流至TV31，再经TV30由第一富集柱6的第一端61流至第二端62，最后经TV40和TV41流入溢流杯8；洗脱完成后，打开MV15，抽取空气吹扫管路内残留的液体；关闭所有管路接口。
富集和洗脱过程中，液体在富集柱中的流向相反，可以减少富集柱堵塞的概率。
6.联机微波等离子体发射光谱仪，检测溢流杯8内收集的液体，计算回收率。回收率计算公式：洗脱液浓度/10*样品浓度。
本实施例的检测结果表明，该富集系统对铅的富集回收率可稳定在80％～85％之间，检出限为0.34～0.55ug/L；对镉的回收率可稳定在70％～75％之间，检出限为0.22～0.35ug/L。
实施例2
实施例2包括两个富集模块，实施例2与实施例1的不同之处在于：
(1)第一选择阀1还包括第六管路接头16，第六管路接头16接入二号洗脱液；
(2)第二选择阀2还包括第四管路接头24和第五管路接头25；
(3)如图6和7所示，本实施例所述的一种重金属在线富集系统还包括第五选择阀9、第六选择阀10和第二富集柱11。第五选择阀9设有第五公共阀口90、第一管路接头91和第二管路接头92；第六选择阀10设有第六公共阀口100、第一管路接头101和第二管路接头102。第二选择阀2的第四管路接头24与第五选择阀9的第二管路接头92连接；第二选择阀2的第五管路接头25与第六选择阀10的第一管路接头101连接。第五选择阀9的第一管路接头91接入一号废液杯71内，第六选择阀10的第二管路接头102接入溢流杯8内。第五选择阀9的第五公共阀口90与第二富集柱11的第一端111连接，第六选择阀10的第六公共阀口100与第二富集柱11的第二端112连接。
本实施例利用第二富集柱11富集样品中的重金属元素，第二富集柱11内填充改性壳聚糖材料1g，选用的样品为0.01mg/L的铅镉混合液，二号洗脱液为3％硫酸溶液。本实施例的工作过程参考实施例1，不再赘述。
实施例2的检测结果表明，该富集系统对铅的富集回收率可稳定在85％～90％之间，检出限为0.42～0.58ug/L，对镉的回收率可稳定在73％～76％之间，检出限为0.28～0.39ug/L。
对比实施例1和实施例2的检测结果可知，不同的富集材料对同一种金属的富集效果不同，使用者可以根据样品的特性选择不同的富集柱，本发明所述第一富集柱6和第二富集柱11内填充的吸附材料不限于活性炭和改性壳聚糖材料，其它具有吸附功能的材料也可作为填充在富集柱内的材料，如离子交换树脂等。本发明的一个优点在于：同时提供两个富集模块，每个富集模块中的富集柱采用的吸附材料不同，使用者根据需要选择最优的富集模块使用。依据本发明的思路，还可以继续增加富集模块的数量，以满足使用者的选择需求。
本发明所述一种重金属在线富集系统的其它结构参见现有技术。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种重金属在线富集系统，其特征在于：
包括电路控制系统、第一选择阀、第二选择阀、动力泵、和至少一个富集模块；
所述富集模块包括第三选择阀、第四选择阀、富集柱；
所述第一选择阀和所述第二选择阀分别连接于动力泵两端；
所述第三选择阀和所述第四选择阀分别与所述第二选择阀连接；
所述富集柱的第一端与所述第三选择阀连接，所述富集柱的第二端与所述第四选择阀连接；
重金属溶液依次经过第一选择阀、动力泵、第二选择阀和第四选择阀流入富集柱，再经第三选择阀流出；
洗脱液依次经过第一选择阀、动力泵、第二选择阀和第三选择阀流入富集柱，再经第四选择阀流出；
所述电路控制系统输出控制信号，控制动力泵的开启、关闭及转速，控制第一选择阀、第二选择阀、第三选择阀和第四选择阀的管路选择。
2.根据权利要求1所述的一种重金属在线富集系统，其特征在于：所述第一选择阀包括第一公共阀口和若干管路接头。
3.根据权利要求2所述的一种重金属在线富集系统，其特征在于：
所述管路接头包括用于抽取空气的第五管路接头和分别用于抽取不同试剂的第一管路接头、第二管路接头、第三管路接头、第四管路接头。
4.根据权利要求2所述的一种重金属在线富集系统，其特征在于：所述第二选择阀包括第二公共阀口和若干管路接头。
5.根据权利要求4所述的一种重金属在线富集系统，其特征在于：所述第一公共阀口、动力泵和所述第二公共阀口顺次连接。
6.根据权利要求4所述的一种重金属在线富集系统，其特征在于：所述管路接头包括第一管路接头、第二管路接头、第三管路接头。
7.根据权利要求6所述的一种重金属在线富集系统，其特征在于：
所述第三选择阀设有第三公共阀口、第一管路接头和第二管路接头；
所述第四选择阀设有第四公共阀口、第一管路接头和第二管路接头。
8.根据权利要求7所述的一种重金属在线富集系统，其特征在于：
所述第三选择阀的第三公共阀口与所述富集柱的第一端连接，所述第四选择阀的第四公共阀口与所述富集柱的第二端连接；
所述第二选择阀的第二管路接头与第三选择阀的第一管路接头连接；
所述第二选择阀的第一管路接头与第四选择阀的第二管路接头连接。
9.根据权利要求7所述的一种重金属在线富集系统，其特征在于：还包括废液杯，所述第二选择阀的第三管路接头和所述第三选择阀的第二管路接头接入所述废液杯内。
10.根据权利要求7所述的一种重金属在线富集系统，其特征在于：还包括溢流杯，所述第四选择阀的第一管路接头接入所述溢流杯内。
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