CN108872278B - 一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，所述装置包括反应器，反应器上开设有能将外部环境与反应器内部连通的入射窗口，将所述入射窗口所在面作为反应器的正面，反应器的背面对应入射窗口的位置上设有出射窗口，入射窗口和所述出射窗口上设有密封薄膜；反应器底部设有多维调节平台，多维调节平台可沿X、Y、Z三个方向平移，且可在水平方向上旋转；反应器顶部设有进料口，反应器内部对应进料口位置设有可翻转的电磁平板；所述装置还包括毛细管聚焦透镜，毛细管聚焦透镜位于反应器正面一侧。利用该装置能够实现原位同步辐射QXAFS方法研究材料对溶液中重金属动态吸附过程，提高了产率、质量、精度和效率。

Description

一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置。

背景技术

饮用水安全是当前人类面临的最富挑战性的问题之一，当前许多地区面临饮用水重金属超标的问题，去除水中重金属的方法和材料是目前国内外普遍关注的研究课题。当前，去除水中重金属的方法较多，如混凝法、吸附法、离子交换法、膜方法等。其中吸附法是近年来水处理工艺中采用较为普遍的方法，具有装置简单、使用简便、运行效果稳定等特点，同时利用吸附-解吸可以达到吸附材料再生的效果，实现资源再利用。吸附材料的吸附效率及使用成本是利用吸附法来处理水中重金属的关键所在，并且吸附材料对重金属的吸附机理对发展新的重金属高效吸附材料具有着重要的指导作用。

由于在吸附材料对重金属的吸附去除过程中，吸附材料-水界面上重金属吸附反应持续十几分钟至数小时不等，但早期吸附过程(分钟量级甚至以下)对揭示吸附机制至关重要，而目前常规实验技术(如XRD、XPS)很难在分钟量级时间内的吸附重金属早期过程中，对材料-水界面性质进行实时研究，难以揭示吸附材料对重金属的吸附机制。快速扫描X射线吸收精细结构谱(Quick-scanning XAFS,QXAFS)是一种时间分辨的实验方法。具有分钟量级时间分辨的原位QXAFS技术，能提供材料-水界面上重金属吸附反应早期事件的原子、分子结构信息，是目前能够研究材料对重金属吸附动态过程的有效方法。

然而一般原位QXAFS技术大多用来进行固体物质特性的测量，特殊的工作环境使得其无法用于对溶液体系的测量中，但是吸附材料对水中重金属吸附的动态过程是在溶液体系中完成的，并且这个动态吸附过程对于探索吸附材料对水中重金属的吸附机理、推进高效吸附材料的研发有着重要的指导作用，因此我们发明了一种利用同步辐射QXAFS技术原位研究在溶液体系中吸附材料对重金属的动态吸附过程的原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，利用该装置能够实现原位QXAFS对吸附材料吸附重金属的动态过程进行实时的研究，这将有助于对材料吸附重金属机理的探索，进一步促进新的高效的重金属吸附材料的研发。

发明内容

为解决背景技术中目前没有能够将原位QXAFS技术用于在溶液体系中对材料吸附重金属的动态过程实时分析研究的装置的问题，无法实现对材料吸附重金属的动态过程进行实时的研究分析，进而很难有效探索出材料在吸附初始过程中对重金属的吸附机制，最终会影响高效去除水中重金属吸附材料的研发，提供一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，能够利用原位同步辐射QXAFS方法研究材料对溶液中重金属动态吸附过程。

本发明采用如下技术方案：

一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，所述装置包括反应器，反应器上开设有能将外部环境与反应器内部连通的入射窗口，将所述入射窗口所在面作为反应器的正面，反应器的背面对应入射窗口的位置上设有出射窗口，入射窗口和所述出射窗口上设有密封薄膜；反应器底部设有多维调节平台，多维调节平台可沿X、Y、Z三个方向平移，且可在水平方向上旋转；反应器顶部设有进料口，反应器内部对应进料口位置设有可翻转的电磁平板；所述装置还包括毛细管聚焦透镜，毛细管聚焦透镜位于反应器正面一侧。

作为优选，反应器为长方体结构，由聚四氟乙烯制成。

作为优选，密封薄膜为聚酰亚胺薄膜。

作为优选，电磁平板悬挂设于反应器内部，与电源开关相连，通电时电磁平板处于水平方向；断电时电磁平板处于竖直方向。

作为优选，反应器和多维调节平台之间设有磁性搅拌电机。

作为优选，反应器侧面设有两个安装孔，安装孔内均安装设有管道，管道上均设有电磁阀门和控制进出反应器的液体量的蠕动泵。

作为优选，反应器侧面设有两个安装孔，安装孔内均安装设有管道A和管道B,管道A配备有控制进气量的质量流量计13,管道B上配备有能够将反应装置内部气体抽出的气泵7，管道A和管道B上还设有电磁阀门。

作为优选，反应器内部设有加热装置，外部设有温度控制器，加热装置和温度控制器电连接。

作为优选，反应器上还设有从顶部插入内部的pH电极。

一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置在原位研究水中重金属吸附动态过程的应用。

由于在吸附材料对重金属的吸附去除过程中，吸附材料-水界面上重金属吸附反应持续十几分钟至数小时不等，但早期吸附过程(分钟量级甚至以下)对揭示吸附机制至关重要，而目前常规实验技术(如XRD、XPS)很难在分钟量级时间内的吸附重金属早期过程中，对材料-水界面性质进行实时研究，难以揭示吸附材料对重金属的吸附机制。一般原位QXAFS技术大多用来进行固体物质性质的测量，特殊的工作环境使得其无法用于对溶液体系的测量中，但是吸附材料对水中重金属吸附的动态过程是在溶液体系中完成的，并且这个动态吸附过程对于探索吸附材料对水中重金属的吸附机理、推进高效吸附材料的研发有着重要的指导作用，因此本发明技术方案利用同步辐射QXAFS技术原位研究在溶液体系中吸附材料对重金属的动态吸附过程的原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，利用该装置能够实现利用原位QXAFS对吸附材料吸附重金属的动态过程进行实时的研究，有助于对材料吸附重金属机理的探索，进一步促进新的高效的重金属吸附材料的研发。本发明具有以下有益效果：(1)提高了产率、质量、精度和效率；(2)节省了能耗、原材料、工序过程；(3)操作简便，能有效促进治理环境污染。

附图说明

图1为本发明提出的正视图结构示意图；

图2为本发明提出的俯视图结构示意图；

图3为本发明提出的侧视图结构示意图；

图4为纳米氧化铁吸附溶液中砷酸根实验过程中Fe的XAFS数据；

图5为纳米氧化铁吸附溶液中亚砷酸根吸附实验过程中Fe的XAFS数据。

具体实施方式

实施例1：

如图1-图3所示，一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，所述装置包括反应器1，反应器1上开设有能将外部环境与反应器内部连通的入射窗口16，将所述入射窗口16所在面作为反应器1的正面，反应器的背面对应入射窗口的位置上设有出射窗口，入射窗口和所述出射窗口上设有密封薄膜；反应器底部设有多维调节平台15，多维调节平台可沿X、Y、Z三个方向平移，且可在水平方向上旋转；反应器顶部设有进料口2，反应器内部对应进料口位置设有可翻转的电磁平板3；所述装置还包括毛细管聚焦透镜4，毛细管聚焦透镜位于反应器正面一侧。入射窗口和出射窗口分别在X射线入射方向、荧光测量模式的X射线出射方向及透射测量模式的X射线出射方向，其中荧光模式测量的是从入射窗口反射出来的X射线信号，与入射X射线是同一个窗口，反应装置的X射线入射方向配置有毛细管聚焦透镜，用来聚焦入射的X射线，将原来光斑较大的X射线聚焦到更小的微区大小，精确获得微区的动态吸附过程的实验数据；在进行原位QXAFS方法研究材料对重金属动态吸附过程中，为了获得最佳的实验信号，需要确保X射线光源能够精确对准原位反应器的中心位置，并且确保反应器的中心位置在X射线光源最佳的聚焦点上，以此在原位反应器的底部配有一个能够在X、Y、Z三个方向三维调整的可调节平台，并且该平台能在水平面内360度旋转，由步进电机进行驱动其在X、Y、Z三个方向及水平面内360度旋转，以此能够实现原位反应器的X、Y、Z三个方向的精确移动，确保实验能够获得最佳的实验信号。

进一步，反应器为长方体结构，由聚四氟乙烯制成。聚四氟乙烯来作为制作反应容器的材料性能稳定。

进一步，密封薄膜为聚酰亚胺薄膜。聚酰亚胺薄膜对X射线的吸收非常小，几乎可以忽略其对原位QXAFS实验信号强度的影响。

进一步，电磁平板3悬挂设于反应器1内部，与电源开关相连，通电时电磁平板处于水平方向；断电时电磁平板处于竖直方向。进料口外部设有一个用于密封进料口的盖子，由开关控制的可翻转的电磁平板对应进料口的进料位置，当开关打开时，由于电磁铁的磁性，平板被磁力吸引，处于水平状态，在平板上放置一定量的吸附材料，将进料口密封；电磁开关断电，电磁铁磁性消失，平板由于重力作用处于竖直状态，与此同时吸附材料进入溶液中，开始进行吸附反应。

进一步，反应器1和多维调节平台15之间设有磁性搅拌电机18。为了确保反应装置内部溶液的温度均衡及吸附材料均匀分散，在反应器和多维调节平台之间配有能够进行磁性搅拌功能的电机，可以通过控制器控制其转动速度。对需要搅拌的吸附反应，预先在反应器内部放置磁性搅拌子，当底部磁性搅拌功能的电机转动时，内部的磁性搅拌子能够随着底部电机一起转动，从而能够满足确保反应装置内部溶液的温度均衡及吸附材料均匀分散的要求。

进一步，反应器侧面设有两个安装孔，安装孔内均安装设有管道，管道上均设有电磁阀门和控制进出反应器液体量的蠕动泵。为了添加含有重金属的水溶液及改变反应条件的物质，如用于pH值调节的酸碱溶液、其它重金属干扰离子等，在反应器的侧面预留了两个配备电磁阀门的管路，在两个管路上均配有能够精确定量控制进出反应器的液体量的蠕动泵。

进一步，反应器侧面设有两个安装孔，安装孔内均安装设有管道A和管道B,管道A配备有控制进气量的质量流量计,管道B上配备有能够将反应装置内部气体抽出的气泵，管道A和管道B上还设有电磁阀门。为了满足有些特殊反应对气氛及真空度的要求，在反应器的侧面预留了两个配备电磁阀门的管路，在一条管路上配备有能够精确控制进气量的质量流量计，在另一条管路上配备有能够将反应装置内部气体抽出的气泵，这样可以为有些吸附溶液中重金属的反应提供所需的特殊的气体氛围，例如：氮气、氧气等还原或氧化性气体氛围。

进一步，反应器内部设有加热装置24，外部设有温度控制器23，加热装置和温度控制器电连接。因为有部分对重金属的吸附实验可能需要在特定的反应温度下进行，因此在反应器内部配有一个加热及温度测量装置，并将其与外面的温度控制器相连接，通过温度控制器能够实现原位反应装置内部的液态体系的温度的精确可控调节。

一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置在原位研究水中重金属吸附动态过程的应用，应用方法如下：

1.将该反应装置固定到同步辐射QXAFS实验站常用的放置固体样品的位置，在预留聚酰亚胺薄膜入射和出射窗口16放置与窗口大小的一致的X射线荧光板，从X、Y、Z三个方向及水平面内旋转调节底部的多维调节平台15，使得入射和出射X射线正对着出射窗口16的中心位置，记录下调节平台的X、Y、Z三个方向及水平面内角度的参数，保持该位置不变，取下校准用的X射线荧光板；

2.从反应器带有盖子的进料口2向反应器内部放置磁性搅拌子，打开底部磁搅拌电机18的开关，并将其调整到合适的旋转速度；

3.将控制电磁平板3的开关通电,从反应器带有盖子的进料口2加入2g纳米氧化铁吸附材料，然后将盖子密封，打开电磁阀20、21，将200ml浓度为0.5ppm的砷酸钠溶液利用蠕动泵11抽入到反应装置1中，关闭电磁阀20、21和蠕动泵11，准备开始同步辐射QXAFS方法原位研究纳米氧化铁吸附重金属砷的动态反应过程的实验；

4.将控制电磁平板3的开关断电，使得磁性消失，与此同时纳米氧化铁材料进入溶液中，吸附反应开始，同时开始采集同步辐射Fe元素的QXAFS谱数据，进行同步辐射QXAFS方法原位研究材料吸附重金属的动态过程，每隔2分钟重复采集一次，30分钟后结束实验；

5.打开电磁阀21、20，通过蠕动泵11将反应装置中的溶液抽出，待溶液完全抽出后，关闭蠕动泵11和电磁阀21、20，实时测试得到纳米氧化铁吸附溶液中砷酸根实验过程中Fe的XAFS数据，如图4所示。

实施例2：

如图1-图3所示，一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，所述装置包括反应器1，反应器1上开设有能将外部环境与反应器内部连通的入射窗口16，将所述入射窗口16所在面作为反应器1的正面，反应器的背面对应入射窗口的位置上设有出射窗口，入射窗口和所述出射窗口上设有密封薄膜；反应器底部设有多维调节平台15，多维调节平台可沿X、Y、Z三个方向平移，且可在水平方向上旋转；反应器顶部设有进料口2，反应器内部对应进料口位置设有可翻转的电磁平板3；所述装置还包括毛细管聚焦透镜4，毛细管聚焦透镜位于反应器正面一侧。入射窗口和出射窗口分别在X射线入射方向、荧光测量模式的X射线出射方向及透射测量模式的X射线出射方向，其中荧光模式测量的是从入射窗口反射出来的X射线信号，与入射X射线是同一个窗口，反应装置的X射线入射方向配置有毛细管聚焦透镜，用来聚焦入射的X射线，将原来光斑较大的X射线聚焦到更小的微区大小，精确获得微区的动态吸附过程的实验数据；在进行原位QXAFS方法研究材料对重金属动态吸附过程中，为了获得最佳的实验信号，需要确保X射线光源能够精确的对准原位反应器的中心位置，并且确保反应器的中心位置在X射线光源最佳的聚焦点上，以此在原位反应器的底部配有一个能够在X、Y、Z三个方向三维调整的可调节平台，并且该平台能在水平面内360度旋转，由步进电机进行驱动其在X、Y、Z三个方向及水平面内360度旋转，以此能够实现原位反应器的X、Y、Z三个方向的精确移动，确保实验能够获得最佳的实验信号。

进一步，反应器为长方体结构，由聚四氟乙烯制成。聚四氟乙烯来作为制作反应容器的材料性能稳定。

进一步，密封薄膜为聚酰亚胺薄膜。聚酰亚胺薄膜对X射线的吸收非常小，几乎可以忽略其对原位QXAFS实验信号强度的影响。

进一步，电磁平板3悬挂设于反应器1内部，与电源开关相连，通电时电磁平板处于水平方向；断电时电磁平板处于竖直方向。进料口外部设有一个用于密封进料口的盖子，由开关控制的可翻转的电磁平板对应进料口的进料位置，当开关打开时，由于电磁铁的磁性，平板被磁力吸引，处于水平状态，在平板上放置一定量的吸附材料，将进料口密封；电磁开关断电，电磁铁磁性消失，平板由于重力作用处于竖直状态，与此同时吸附材料进入溶液中，开始进行吸附反应。

进一步，反应器1和多维调节平台15之间设有磁性搅拌电机18。为了确保反应装置内部溶液的温度均衡及吸附材料均匀分散，在反应器和多维调节平台之间配有能够进行磁性搅拌功能的电机，可以通过控制器控制其转动速度。对需要搅拌的吸附反应，预先在反应器内部放置磁性搅拌子，当底部磁性搅拌功能的电机转动时，内部的磁性搅拌子能够随着底部电机一起转动，从而能够满足确保反应装置内部溶液的温度均衡及吸附材料均匀分散的要求。

进一步，反应器侧面设有两个安装孔，安装孔内均安装设有管道，管道上均设有电磁阀门和控制进出反应器的液体量的蠕动泵。为了添加含有重金属的水溶液及改变反应条件的物质，如用于pH值调节的酸碱溶液、其它重金属干扰离子等，在反应器的侧面预留了两个配备电磁阀门的管路，在两个管路上均配有能够精确定量控制进出反应器的液体量的蠕动泵。

进一步，反应器侧面设有两个安装孔，安装孔内均安装设有管道A和管道B,管道A配备有控制进气量的质量流量计,管道B上配备有能够将反应装置内部气体抽出的气泵，管道A和管道B上还设有电磁阀门。为了满足有些特殊反应对气氛及真空度的要求，在反应器的侧面预留了两个配备电磁阀门的管路，在一条管路上配备有能够精确控制进气量的质量流量计，在另一条管路上配备有能够将反应装置内部气体抽出的气泵，这样可以为有些吸附溶液中重金属的反应提供所需的特殊的气体氛围，例如：氮气、氧气等还原或氧化性气体氛围。

进一步，反应器内部设有加热装置24，外部设有温度控制器23，加热装置和温度控制器电连接。因为有部分对重金属的吸附实验可能需要在特定的反应温度下进行，因此在反应器内部配有一个加热及温度测量装置，并将其与外面的温度控制器相连接，通过温度控制器能够实现原位反应装置内部的液态体系的温度的精确可控调节。

一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置在原位研究水中重金属吸附动态过程的应用，应用方法如下：

1.将该反应装置固定到同步辐射QXAFS实验站常用的放置固体样品的位置，在预留聚酰亚胺薄膜入射和出射窗口16放置与窗口大小的一致的X射线荧光板，从X、Y、Z三个方向及水平面内旋转调节底部的调节平台15，使得入射和出射X射线正对着出射窗口16的中心位置，记录下调节平台的X、Y、Z三个方向及水平面内角度的参数，保持该位置不变，取下校准用的X射线荧光板；

2.从反应器带有盖子的进料口2向反应器内部放置磁性搅拌子，打开底部磁搅拌电机18的开关，并将其调整到合适的旋转速度；

3.将控制电磁平板3的开关通电,从反应装置的上部带有盖子的进料口2加入1.5g纳米氧化铁吸附材料，然后将盖子密封，开电磁阀20、21，将200ml浓度为0.4ppm的亚砷酸钠溶液利用蠕动泵11抽入到反应装置1中，关闭电磁阀20、21和蠕动泵11，准备开始同步辐射QXAFS方法原位研究纳米氧化铁吸附亚砷酸的动态反应过程的实验；

4.再打开电磁阀21，利用气泵7对反应装置进行抽气，一段时间后打开电磁阀19，再通过质量流量计13向反应装置内充入氮气，关闭质量流量计13、电磁阀19、21及气泵7，准备开始同步辐射QXAFS方法原位研究缺氧条件下材料吸附重金属动态反应过程的实验；

5.将控制电磁平板3的开关断电，使得磁性消失，与此同时纳米氧化铁材料进入溶液中，吸附反应开始，同时开始采集同步辐射Fe元素的QXAFS谱数据，进行同步辐射QXAFS方法原位研究缺氧条件下材料吸附重金属的动态过程，每隔2分钟重复采集一次，30分钟后结束实验；

6.打开电磁阀21、20，通过蠕动泵11将反应装置中的溶液抽出，待溶液完全抽出后，关闭蠕动泵11和电磁阀21、20，实时测试得到纳米氧化铁吸附溶液中亚砷酸根吸附实验过程中Fe的XAFS数据，如图5所示。

实施例3：

一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置在原位研究水中重金属吸附动态过程的应用，应用方法如下：

1.将该反应装置固定到同步辐射QXAFS实验站常用的放置固体样品的位置，在预留聚酰亚胺薄膜入射和出射窗口16放置与窗口大小的一致的X射线荧光板，从X、Y、Z三个方向及水平面内旋转调节底部的调节平台15，使得入射和出射X射线正对着出射窗口16的中心位置，记录下调节平台的X、Y、Z三个方向及水平面内角度的参数，保持该位置不变，取下校准用的X射线荧光板；

2.从反应器带有盖子的进料口2向反应器内部放置磁性搅拌子，打开底部磁搅拌电机18的开关，并将其调整到合适的旋转速度；

3.将控制电磁平板3的开关通电,从反应装置的上部带有盖子的进料口2加入2.5g纳米氧化铁吸附材料，然后将盖子密封，打开电磁阀20、21，将200ml浓度为0.7ppm的砷酸钠溶液利用蠕动泵11抽入到反应装置1中，关闭电磁阀20、21和蠕动泵11；

4.再打开电磁阀21、22，将一定量的调节溶液pH值的酸或碱溶液利用蠕动泵9抽入到反应装置1中，通过pH电极17测量所需的pH值，到达所需pH值(8.5)后关闭电磁阀21、22和蠕动泵9，准备开始同步辐射QXAFS方法原位研究pH值对材料吸附重金属影响的动态反应过程的实验；

5.将控制电磁平板3的开关断电，使得磁性消失，与此同时纳米氧化铁材料进入溶液中，吸附反应开始，同时开始采集同步辐射Fe元素的QXAFS谱数据，进行同步辐射QXAFS方法原位研究材料吸附重金属的动态过程，每隔2分钟重复采集一次，30分钟后结束原位研究pH值对材料吸附重金属影响的动态反应过程的实验；

6.实验结束，打开电磁阀21、20，通过蠕动泵11将反应装置中的溶液抽出，待溶液完全抽出后，关闭蠕动泵11和电磁阀21、20。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，其特征在于，所述装置包括反应器(1)，反应器(1)上开设有能将外部环境与反应器内部连通的入射窗口(16)，将所述入射窗口(16)所在面作为反应器(1)的正面，反应器(1)的背面对应入射窗口(16)的位置上设有出射窗口，入射窗口(16)和所述出射窗口上设有密封薄膜；反应器(1)底部设有多维调节平台(15)，多维调节平台(15)可沿X、Y、Z三个方向平移，且可在水平方向上旋转；反应器(1)顶部设有进料口(2)，反应器(1)内部对应进料口(2)位置设有可翻转的电磁平板(3)；所述装置还包括毛细管聚焦透镜(4)，毛细管聚焦透镜(4)位于反应器(1)正面一侧；

反应器(1)和多维调节平台(15)之间设有磁性搅拌电机(18)；

反应器(1)侧面设有两个安装孔，安装孔内均安装设有管道A和管道B,管道A配备有控制进气量的质量流量计(13),管道B上配备有能够将反应装置内部气体抽出的气泵(7)，管道A和管道B上还设有电磁阀门；

反应器(1)内部设有加热装置(24)，外部设有温度控制器(23)，加热装置(24)和温度控制器(23)电连接；

反应器(1)侧面设有两个安装孔，安装孔内均安装设有管道，管道上均设有电磁阀门和控制进出反应器液体量的蠕动泵；

反应器(1)上还设有从顶部插入内部的pH电极。

2.根据权利要求1所述的原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，其特征在于，反应器(1)为长方体结构，由聚四氟乙烯制成。

3.根据权利要求1所述的原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，其特征在于，密封薄膜为聚酰亚胺薄膜。

4.根据权利要求1所述的原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，其特征在于，电磁平板(3)悬挂设于反应器(1)内部，与电源开关相连，通电时电磁平板(3)处于水平方向；断电时电磁平板(3)处于竖直方向。

5.一种根据权利要求1所述的原位研究水中重金属动态吸附反应的测试装置，其特征在于，所述反应装置在原位研究水中重金属吸附动态过程的应用。

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