CN108314229A - 基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，基于纳米孔的分离策略和相关隔离装置的建立将水体中多种重金属离子进行分离，实验设备包括络合剂制备设备和分离设备，通过恒温磁力搅拌器来制备TCAS，通过U型槽和电场的作用进行分离，通过络合剂的选择性络合，最终实验多种重金属离子的分离。络合剂TCAS对重金属离子的选择性络合顺序分别为镉、铜、铅、钡。同时，较高的驱动电压对应一个更快的分离速度；另一方面，pH值会影响重金属离子的水解，杯芳烃对重金属离子的络合以及电渗流速度；通过选择合适的电压和pH值，最大程度上实现多种重金属离子的分离，在水污染治理以及重金属废液的回收利用具有广泛的应用。

Description

基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法

技术领域

本发明属于重金属离子分离技术领域，具体涉及一种基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法。

背景技术

吸附法主要是依靠一些具有较大比表面积和较高表面能的材料（如活性炭、沸石、硅藻土、凹凸棒石等）对水中重金属污染物具有较强的吸附能力而实现将其从水中分离去除的方法。该法的优点是吸附剂与吸附质间的吸附反应通常都很迅速，且无须添加其它药剂，具有高效、快速和适应性强的优点，但也存在吸附材料价格高、使用寿命短、需再生和操作费用高等问题。近年来国内外许多学者正努力寻求新型吸附材料，如利用玉米棒子芯、白杨木材锯屑、改性粘土等自然资源作为天然吸附材料，或利用微生物作为生物吸附材料等等，拓展了吸附法在水处理中的应用。吸附法可用作常规工艺的预处理或深度处理工艺。用于重金属处理的活性炭应选用专用活性炭并进行适当活化；除活性炭外，其它材料除作应急应用外，还缺乏长期大规模的应用经验。此外，废弃的吸附剂应进行妥善的处置。

化学沉淀法是指向水体中投加药剂，依据容度积原理，通过化学反应使呈溶解状态的重金属转变为不溶于水的重金属化合物而沉淀去除的方法。根据投加药剂的不同，可分为中和沉淀法（投加碱性中和剂）、硫化物沉淀法（投加硫化物）和铁氧体共沉淀法（投加产生氢氧化铁或其它重金属氢氧化物沉淀的药剂）。由于受沉淀剂和环境条件的影响，经该方法处理后，出水中残留金属离子浓度往往难于达到饮用水卫生标准的要求，而需作进一步处理。同时，产生的沉淀物还须妥善处置，以防二次污染。

氧化还原法主要用于处理水体中Cr⁶⁺、Cd²⁺和Hg²⁺等重金属离子，如利用还原性的物质将Cr⁶⁺转化为生物毒性较低的Cr³⁺后联用沉淀法予以去除。该法的优点是原料来源广泛，处理效果好，但是污泥量大，出水呈碱性，其用于水源水体去除重金属的研究鲜有报道。

电解法是应用电解的基本原理，使水体中重金属离子在阳极和阴极上分别发生氧化还原反应而分离出来，然后加以利用。该方法工艺成熟，占地面积小，但耗电量大，处理水量小，且电解液还有可能对环境造成二次污染。此外，由于处理时水中的重金属离子浓度不能降得很低，所以该法不适于处理含有较低浓度重金属离子的水源水。

生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法。起絮凝作用的微生物絮凝剂是一类由微生物产生并分泌到细胞外、具有絮凝活性的代谢物，其分子中含有多种官能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚沉淀。与传统的无机絮凝剂和合成有机絮凝剂的絮凝法相比，该法具有安全无毒、不产生二次污染等优点。此外，微生物还可以通过驯化或遗传工程构造出具有特殊功能的菌株，使其具有更为广阔的应用前景。但这一方法尚存在着生产成本较高、活体絮凝剂保存困难等难题。

生物吸附法是利用生物体（主要是微生物菌体）本身的化学结构及成分特性来吸附溶于水中的重金属离子，再通过固液两相分离去除水溶液中重金属离子的方法。在吸附过程中，微生物的细胞壁、细胞膜都能通过络合、螯合、离子交换等作用将重金属吸附，其中带负电荷的细胞表面依靠静电作用吸附金属阳离子，而膜蛋白上的磷酸基、羧基和羟基等与金属离子形成配位键而将其固着。生物吸附剂具有来源广、价格低、吸附能力强等优点，但由于形成的絮体密度较小，强度较低，并且生物体有可能释放出一些有毒有害物质等问题，该方法目前在水源水体重金属污染防控方面应用较少。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，将水溶性的TCAS（络合物）用于水污染中重金属离子的选择性络合，通过电泳技术，实现重金属离子络合物与其他重金属离子的分离。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，包括以下步骤：

(1)通过直接磺化法，利用络合剂制备设备制备出具备水溶性的TCAS，然后搭建U型槽分离设备；

(2)探究TCAS对不同重金属离子的络合能力，络合比；

(3)明确TCAS对不同重金属离子络合的先后顺序，依次为镉>铜>铅>钡；

(4)探究多种重金属离子共存情况下，TCAS对某种离子的选择性络合；

(5)根据TCAS对不同重金属离子的络合比，配置含有TCAS和四种重金属离子的混合溶液，超声处理之后得到镉的络合物，将混合溶液加入到U型槽的正极液池，负极液池中加入TCAS溶液；

(6)经过第一步分离实验，铜、铅、钡三种离子到达负极液池，将负极液池中的溶液取出进行超声处理，得到铜的络合物，而后将溶液加入到U型槽的正极液池，负极液池中加入TCAS溶液，进行第二步的分离；

(7)重复以上步骤数次，依次分离出镉，铜，铅，钡。

所述步骤（1）的络合剂制备设备包括了恒温磁力搅拌器、结晶皿、烧杯、铁架台，所述结晶皿设置在恒温磁力搅拌器上，结晶皿内设有热水，烧杯设置在结晶皿内，烧杯内设有磁力搅拌转子，烧杯内加入硫杂杯芳烃和浓硫酸的混合溶液，铁架台通过线材与一根温度计相连，温度计插入到结晶皿的热水中。

所述步骤（1）的络合剂制备设备的使用方法：先称取2g的硫杂杯芳烃放入到100mL的烧杯中，其次放入一个磁力搅拌转子，最后再沿着烧杯内壁缓慢加入80mL浓硫酸，将结晶皿中加入适量的水并加热到80℃，把烧杯放入到结晶皿中，烧杯中部对准恒温磁力搅拌器，控制反应时间为4小时，溶液逐渐变成黄色，冷却后,将反应混合物倒入500ml冰水混合物中，搅拌，过滤除去不溶物，然后在滤液中加入100g氯化钠，剧烈搅拌，生成白色絮状沉淀，溶液呈紫红色，抽滤收集沉淀，待沉淀基本抽干后溶于少量的蒸馏水中，此后加入无水乙醇，生成白色沉淀，抽滤收集沉淀，如此反复三次，最后得到白色粉末固体为络合剂TCAS。

所述步骤（1）的分离设备包括正极液池和负极液池，正极液池和负极液池底部有一个通孔，用于连通两个液池，通孔中间放置一片纳米孔薄膜，通过聚二甲基硅氧烷使三部分粘结在一起，在两个液池中分别插入铂电极，两个铂电极之间接入一个电压源和电流表，之间通过导线连接。

本发明所述的分离设备，使用纳米孔薄膜作为两个液池的连接介质，一方面是纳米孔提供了重金属离子转移的通道，另一方面是纳米孔薄膜能有效的抑制重金属离子络合物的自由扩散，提高分离的效率。分离的基本原理是基于TCAS对重金属离子选择性络合的电泳原理，重金属离子与TCAS形成的络合物整体带负电荷，未形成络合物的重金属离子带正电荷。在电场的作用下，带负电荷的络合物会向阳极移动，带正电荷的重金属离子向负极移动。利用正负电荷在电场中不同的运动方向从而实现分离。具体分离方法是，首先通过调节TCAS和重金属离子不同的体积比，溶液的pH值，以及分析多种重金属离子共存下对TCAS选择性络合的影响，实现多种重金属离子共存下，利用TCAS达到了对某一特定重金属离子的络合；然后将待处理的混合溶液加入到U型槽装置的正极液池中，将TCAS溶液加入到负极液池中。在U型槽的两端施加电场。通过电场的作用，重金属离子络合物和其他重金属离子在电场的作用下向相反的方向移动，达到了不同重金属离子分离的效果。通过调节不同的电压，溶液的pH等参数实现络合物和中重金属离子的快速分离。第一步分离完成后，将负极液池中溶液取出进行超声处理，形成下一步分离的目标溶液。如此循环几次分离实验，最终实现了溶液中四种不同重金属离子（镉、铜、铅、钡）的分离。

本发明的有益效果是：

本发明所述的基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，将水溶性的TCAS用于水污染中重金属离子的选择性络合，通过电泳技术，能够实现对不同种类的重金属离子达到分离的目的，用于水污染的治理，并将回收的重金属离子进行循环利用，最终达到保护环境，节约资源的目的。

附图说明

图1是本发明所述的络合剂制备设备的实验示意图。

图2为本发明所述的分离设备的实验示意图。

图3是本发明的工艺方案图。

附图标记列表：

1.恒温磁力搅拌器，2.结晶皿，3. 水溶液，4.磁力搅拌转子，5.烧杯，6.硫杂杯芳烃和浓硫酸的混合溶液，7.线材，8.温度计，9.支架台，10.负极液池，11.纳米孔薄膜，12.通孔，13.正极液池，14.电流表，15.电压源，16.导线，17.电极，18.重金属离子络合物，19.重金属离子，20.纳米孔薄膜示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明介绍了一个基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，通过恒温磁力搅拌器以制备TCAS，通过U型槽分离设备和电场的作用进行分离，通过络合剂的选择性络合，最终实验多种重金属离子的分离。本发明应用了TCAS对不同重金属离子的选择性络合以及纳米孔技术应用，通过U型槽装置将这两种技术结合起来，通过选择合适的电压和pH值，最大程度上实现多种重金属离子的分离。

第一步：

分离装置是一套U型槽，中间通过纳米孔薄膜11连在一起，由于表面的污垢经常会使有机硅胶无法完全的固化，导致连通池泄露。在粘接连通池之前，应用纯净去离子水（18.25MΩ）和无水乙醇将两连通池10、11连接表面洗净，待连接口完全去湿干燥后，用镊片蘸取微量的硅胶均匀涂抹于连接口表面处，注意连接孔径区域不能涂抹过多硅胶，防止夹紧固化时造成硅胶挤压堵塞孔口。硅胶的厚度应控制在10μm左右，当厚度不均匀时可采用空气枪将硅胶吹散。剪取约4mm×4mm的聚碳酸酯膜，用镊子平贴于硅胶上，达到完全贴封孔径，迅速对齐两连通池并置于螺旋夹具下固化。

第二步：

先称取2g的硫杂杯芳烃放入到100mL的烧杯5中，其次放入一个磁力搅拌转子4，最后再沿着烧杯内壁缓慢加入80mL浓硫酸。将结晶皿2中加入适量的水溶液3并加热到80℃。把烧杯5放入到结晶皿2中，烧杯2中部对准磁力搅拌器1，控制反应时间为4小时，溶液逐渐变成黄色。冷却后，将反应混合物小心倒入500ml冰水混合物中，搅拌，过滤除去不溶物。然后在滤液中加入100g氯化钠，剧烈搅拌，生成白色絮状沉淀,溶液呈紫红色，抽滤收集沉淀。待沉淀基本抽干后溶于最少量的蒸馏水中，此后加入无水乙醇，生成白色沉淀，抽滤收集沉淀。如此反复三次，最后得到白色粉末固体TCAS。

第三步：

配制TCAS和四种重金属离子（氯化镉，氯化铜，氯化铅，氯化钡）溶液，每种溶液的浓度为1mol/L。量取1mL的TCAS，氯化镉，氯化铅和氯化钡溶液，量取2mL的氯化铜溶液，进行混合，调节溶液的pH为5并稀释到8mL。而后进行1.5小时的超声处理使镉离子与TCAS络合，分离出镉的络合物。将超声之后的溶液使用滴管加入到正极液池中。在负极液池中加入浓度为0.125mol/L的TCAS溶液。而后将两个铂电极插入到两个液池中，铂正电极插入到含有络合物和重金属离子的溶液中，铂负电极插入到含有TCAS的溶液中。最后将电压源打开，调节电压源输出的电压为1.5V。其次打开电流表，检测通过纳米孔的电流，电路接通则进行分离实验。施加电场的时间为4小时。

第四步：

在4小时分离之后。将正极液池中的溶液取出，将负极液池中溶液取出加入到比色管中进行超声处理，时间为1.5小时，形成下一步分离的目标溶液。使用去离子水和乙醇对液池内部进行清洗并烘干。待超声完成后，将超声之后的溶液通过滴管加入到正极液池中；在负极液池中通过滴管加入浓度为0.125mol/L的TCAS溶液。将对应铂电极插入液池中。施加电场作用四个小时，这一步分离出铜的络合物。如此循环三次分离实验，最终实现溶液中四种不同重金属离子（镉、铜、铅、钡）的分离。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)通过直接磺化法，利用络合剂制备设备制备出具备水溶性的TCAS，然后搭建U型槽分离设备；

(2)探究TCAS对不同重金属离子的络合能力，络合比；

(3)明确TCAS对不同重金属离子络合的先后顺序，依次为镉>铜>铅>钡；

(4)探究多种重金属离子共存情况下，TCAS对某种离子的选择性络合；

(5)根据TCAS对不同重金属离子的络合比，配置含有TCAS和四种重金属离子的混合溶液，超声处理之后得到镉的络合物，将混合溶液加入到U型槽的正极液池，负极液池中加入TCAS溶液；

(6)经过第一步分离实验，铜、铅、钡三种离子到达负极液池，将负极液池中的溶液取出进行超声处理，得到铜的络合物，而后将溶液加入到U型槽的正极液池，负极液池中加入TCAS溶液，进行第二步的分离；

(7)重复以上步骤数次，依次分离出镉，铜，铅，钡。

2.根据权利要求1所述的基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，其特征在于：所述步骤（1）的络合剂制备设备包括了恒温磁力搅拌器、结晶皿、烧杯、铁架台，所述结晶皿设置在恒温磁力搅拌器上，结晶皿内设有热水，烧杯设置在结晶皿内，烧杯内设有磁力搅拌转子，烧杯内加入硫杂杯芳烃和浓硫酸的混合溶液，铁架台通过线材与一根温度计相连，温度计插入到结晶皿的热水中。

3.根据权利要求2所述的基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，其特征在于：所述络合剂制备设备的使用方法：先称取2g的硫杂杯芳烃放入到100mL的烧杯中，其次放入一个磁力搅拌转子，最后再沿着烧杯内壁缓慢加入80mL浓硫酸，将结晶皿中加入适量的水并加热到80℃，把烧杯放入到结晶皿中，烧杯中部对准恒温磁力搅拌器，控制反应时间为4小时，溶液逐渐变成黄色，冷却后,将反应混合物倒入500ml冰水混合物中，搅拌，过滤除去不溶物，然后在滤液中加入100g氯化钠，剧烈搅拌，生成白色絮状沉淀，溶液呈紫红色，抽滤收集沉淀，待沉淀基本抽干后溶于少量的蒸馏水中，此后加入无水乙醇，生成白色沉淀，抽滤收集沉淀，如此反复三次，最后得到白色粉末固体为络合剂TCAS。

4.根据权利要求1所述的基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法，其特征在于：所述步骤（1）的分离设备包括正极液池和负极液池，正极液池和负极液池底部有一个通孔，用于连通两个液池，通孔中间放置一片纳米孔薄膜，通过聚二甲基硅氧烷使三部分粘结在一起，在两个液池中分别插入铂电极，两个铂电极之间接入一个电压源和电流表，之间通过导线连接。