CN110538681A - 基于sers微流控联的多点检测循环吸附系统 - Google Patents

基于sers微流控联的多点检测循环吸附系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，属于提铀技术领域，基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，包括与控制系统相连接的可切换式吸附系统和废液处理系统，可切换式吸附系统和废液处理系统之间连接有循环系统，循环系统包括狭长检测管道、污水排放阀、回流循环管道和污水循环阀，狭长检测管道内部连接有多点检测机构，可实现每次铀酰离子在可切换式吸附系统中接受吸附后对污水进行实时多点检测，且多点检测设置于狭窄的管道中，大大缩小了检测面积，实现全方位无死角检测，大大提高了检测精确度，并且根据实时检测数据通过控制系统控制未达指标的污水回流至吸附系统中，实现多次循环吸附，实现最终的高效排放。

Description

基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统
技术领域
本发明涉及提铀技术领域，更具体地说，涉及基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统。
背景技术
随着全球资源日益减少，人口不断增加，为了防止社会、政治及环境因素影响能源供应安全，造成全球经济问题，人们开始对工业金属和矿物的非常规储备形式进行探索和利用。铀的主要来源是沥青铀矿UO，铀矿分布较为集中，只有15个国家的经济可采铀矿储量能达到发展核能发电的要求，其中澳大利亚和哈萨克斯坦两个国家共占33%。以目前的铀资源消耗速率，全球铀矿资源储量可维持核电发展80-120年；但到2050年，全球人口总数将超130亿，新兴经济不断发展，能源需求也随之翻倍。过去20年，尽管美国及发达国家人均能源消耗逐渐降低，但全球层面的能源消耗依然提高了30%；预计到2040年，核能发电量比现在多一倍，保证铀资源储量成为解决能源安全问题的关键。
铀在海水中以Ca[UO(CO）]的稳定态存在，浓度为3.3μg L，尽管浓度很低，但由于全球海水体积庞大，铀资源总数经估算可达45亿吨，是传统陆地铀矿资源的1000倍，足以满足人类核能发电可持续发展数千年。为了保证铀资源稀缺国家的铀资源供应，防止铀资源供应链发生急剧波动，因此发展成熟、低碳的海水提铀研究工作以满足人类对于能源的需求势在必行。
在海水提铀的研究中，对于铀吸附材料的性能考核是关键。目前研究铀吸附材料的性能主要采用柱吸附的形式，而对于铀吸附材料在真实海水中的吸附形式研究有缺失，而且研究设备的自动化程度较低，对铀吸附材料在吸附过程中的条件不可控。研制一套吸附条件可控，并且具备模拟真实海水中铀吸附材料的吸附形式的装置对于考察铀吸附材料的性能非常重要。
表面增强拉曼散射（SERS）是一种基于拉曼散射的新型痕量表征技术。SERS技术不需要复杂的前处理过程，检测耗时短、响应快、操作简便，且随着小型化拉曼光谱仪的普及，结合SERS基底，可以在复杂现场环境开展检测工作，是一种适合应用于核应急情况下的痕量铀酰离子现场检测的新兴技术。然而，现有SERS研究主要集中在铀酰离子的吸附规律和种态分析，对真实环境样品进行快速、准确、高通量现场检测的报道还很匮乏。
中国工程物理研究院汪小琳研究员团队首先设计了对UO22+离子有特异性识别的双链DNA，并在底物链的5位端标记了信报分子罗丹明B（RhB）。将双链DNA和待测UO22+离子溶液分别通入微流控芯片的管道中，DNA酶裂解反应在微流控狭长的U型微通道中进行。反应后，双链DNA的底物链在rA位点发生断裂，标记有RhB的裂解产物被分流成三份并行样品，供三片SERS生物芯片进行高通量并行测试。SERS生物芯片是已经用单链DNA（ssDNA）修饰的三维ZnO-Ag介孔纳米片有序阵列，其中ssDNA是与反应产物中5′-RhB标记的裂解DNA（csDNA）互补的序列。两者退火成双链后，信报分子RhB被贴近到三维ZnO-Ag复合基底表面，产生拉曼信号。通过拉曼信号的强弱，间接反应UO22+的浓度变化。通过建立标准曲线，并根据计算公式得到该传感器对UO22+的检测极限（LOD）为3.71×10-15 M。这一结果明显满足美国环境保护署（EPA）的要求（130 nM）。与最近两年报道的其他分析方法相比，这是目前对UO22+离子检测的最灵敏的方法。此外,当UO22+离子浓度只有其他15种有毒金属离子浓度的0.005%时，这种生物传感器仍然可以显示优良的选择性识别UO22+离子的能力。接着，作者利用生物传感器对五种不同浓度（n=6）模拟受到UO22+离子污染的自来水和河水进行检测。通过缓冲溶液冲洗，将芯片重复使用2次，每个浓度级就可获得6个并行数据，表明其高效的检测能力。同时，五种不同浓度（n=6）的样品回收率为95.2%-106.3%，RSD值为2.6%-5.8%。此外，整个DNA酶裂解反应和高通量并行检测可以在可重复使用的SERS-微流控生物传感器上进行3次以上。
当前，亟需发展一套自动化可控的铀吸附系统，但是现有的铀吸附系统中的铀酰离子检测时，往往在检测时只是简单的取样检测或是小区域检测，检测不全面，检测结果的准确度低下，导致污水中铀酰离子含量未降低到指标就进行排放，加重污染环境。
发明内容
1．要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，它可以实现在每次铀酰离子吸附完成后对污水进行实时多点检测，且多点检测设置于狭窄的管道中，大大缩小了检测面积，实现全方位无死角检测，大大提高了检测精确度，并且根据实时检测数据通过控制系统控制未达指标的污水回流至吸附系统中，实现多次循环吸附，实现最终的高效排放。
2．技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，包括与控制系统相连接的可切换式吸附系统和废液处理系统，所述可切换式吸附系统和废液处理系统之间连接有循环系统，所述循环系统包括狭长检测管道、污水排放阀、回流循环管道和污水循环阀，所述狭长检测管道两端分别与可切换式吸附系统和废液处理系统连接，所述回流循环管道一端与可切换式吸附系统连接，且回流循环管道另一端与狭长检测管道靠近废液处理系统的一端相连通，所述污水排放阀连接于狭长检测管道上，所述污水循环阀连接于回流循环管道上，所述狭长检测管道内部连接有多点检测机构，且多点检测机构位于可切换式吸附系统和污水排放阀之间，可实现每次铀酰离子在可切换式吸附系统中接受吸附后对污水进行实时多点检测，且多点检测设置于狭窄的管道中，大大缩小了检测面积，实现全方位无死角检测，大大提高了检测精确度，并且根据实时检测数据通过控制系统控制未达指标的污水回流至吸附系统中，实现多次循环吸附，实现最终的高效排放。
进一步的，所述可切换式吸附系统包括槽式吸附系统和柱吸附系统，所述槽式吸附系统和柱吸附系统中均填装有铀吸附材料，槽式吸附系统中设有用于吸附操作的搅拌槽，具有结构简单、紧凑、体积小、效率高的优点，可对污水中的铀酰离子进行有效吸附，提高污水净化性能，柱吸附系统中的吸附剂对污水各组分的吸附力不同而使各组分分离，并将铀酰离子进行有效吸附，同样可有效降低污水中的铀酰离子含量，技术人员根据污水中的铀酰离子实际含量选择合适的吸附系统，其依据为前期实验所得，如中国专利申请号为CN201811272422.9所提出的水溶液中铀的吸附装置，可参考该专利中对铀的吸附条件作出的方案设计。
进一步的，所述多点检测机构包括多个山式检测峰块，且多个山式检测峰块均匀固定连接于狭长检测管道的内壁上，狭长检测管道可限制污水的通过量，大大缩小了检测面积，使得通过的污水大量与山式检测峰块接触并接受检测，实现全方位无死角检测，大大提高了检测精确度，另外，多个所述山式检测峰块交错环布于狭长检测管道的内壁上，多个所述山式检测峰块对流经的污水具有一定的阻碍作用，这个阻碍可对污水形成一个搅拌的作用，使得流经的污水中铀酰离子分布更加均匀，检测更加准确，相邻两个山式检测峰块之间距离10-15cm，这个间距可保证不浪费山式检测峰块和不加重制作工艺的基础上，实现最佳的检测效果；距离过小，一则浪费山式检测峰块的制作材料，二则加重制作工艺，三则容易造成污水流通量过小，降低排水速率；距离过大不易利用多点检测机构对污水形成搅拌作用，降低检测准确度。
进一步的，所述山式检测峰块包括离子检测块和补强斜坡，所述离子检测块和补强斜坡均与狭长检测管道的内壁固定连接，所述离子检测块靠近可切换式吸附系统的一端连接有微流控芯片，微流控芯片具有高效的检测能力，所述补强斜坡固定连接于离子检测块远离微流控芯片的一端，污水由可切换式吸附系统通入废液处理系统中，补强斜坡位于离子检测块背水的一端，可减轻污水对离子检测块的冲击力，防止污水将离子检测块冲离狭长检测管道的内壁。
进一步的，所述补强斜坡为楔形，且补强斜坡表面设有光滑涂层，楔形的补强斜坡可承受较大的冲击力，保证离子检测块上的微流控芯片稳定检测，补强斜坡表面上的光滑涂层可减小污水对补强斜坡的冲击力，还可有效保护补强斜坡不易受损。
进一步的，所述离子检测块的高度为狭长检测管道内径的1/2-3/5，这个高度可保证不加重制作工艺的基础上，实现最佳的检测效果，高度过低，不易利用多点检测机构对污水形成高效的搅拌作用，降低检测准确度；高度过高，会加重制作工艺，且容易造成污水流通量过小，降低排水速率。
进一步的，所述污水排放阀处设置有流速控制单元，流速控制单元可对污水排出的速度进行最终的控制，其最佳的流速控制需根据实际污水中铀酰离子含量而定，且最佳的流速控制可对铀酰离子的去除起到重要作用。
进一步的，所述狭长检测管道的管长为3-4m，且狭长检测管道采用硬质塑料管，硬质狭长检测管道可保证管道不易弯折，从而不易对其内部的多点检测机构造成影响，保证多点检测机构正常发挥其检测作用，狭长检测管道过短，则山式检测峰块的数量将减少，降低将测的准确度，狭长检测管道过长则会浪费管材，且一定程度上延长了排水时间，降低排水速率。
3．有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
（1）本方案在狭长检测管道内部连接多点检测机构，可实现每次铀酰离子在可切换式吸附系统中接受吸附后对污水进行实时多点检测，且多点检测设置于狭窄的管道中，大大缩小了检测面积，实现全方位无死角检测，大大提高了检测精确度，并且根据实时检测数据通过控制系统控制未达指标的污水回流至吸附系统中，实现多次循环吸附，实现最终的高效排放。
（2）多点检测机构包括多个山式检测峰块，且多个山式检测峰块均匀固定连接于狭长检测管道的内壁上，狭长检测管道可限制污水的通过量，大大缩小了检测面积，使得通过的污水大量与山式检测峰块接触并接受检测，实现全方位无死角检测，大大提高了检测精确度，另外，多个山式检测峰块交错环布于狭长检测管道的内壁上，多个山式检测峰块对流经的污水具有一定的阻碍作用，这个阻碍可对污水形成一个搅拌的作用，使得流经的污水中铀酰离子分布更加均匀，检测更加准确，相邻两个山式检测峰块之间距离10-15cm，这个间距可保证不浪费山式检测峰块和不加重制作工艺的基础上，实现最佳的检测效果；距离过小，一则浪费山式检测峰块的制作材料，二则加重制作工艺，三则容易造成污水流通量过小，降低排水速率；距离过大不易利用多点检测机构对污水形成搅拌作用，降低检测准确度。
（3）山式检测峰块包括离子检测块和补强斜坡，离子检测块和补强斜坡均与狭长检测管道的内壁固定连接，离子检测块靠近可切换式吸附系统的一端连接有微流控芯片，微流控芯片具有高效的检测能力，补强斜坡固定连接于离子检测块远离微流控芯片的一端，污水由可切换式吸附系统通入废液处理系统中，补强斜坡位于离子检测块背水的一端，可减轻污水对离子检测块的冲击力，防止污水将离子检测块冲离狭长检测管道的内壁。
（4）补强斜坡为楔形，且补强斜坡表面设有光滑涂层，楔形的补强斜坡可承受较大的冲击力，保证离子检测块上的微流控芯片稳定检测，补强斜坡表面上的光滑涂层可减小污水对补强斜坡的冲击力，还可有效保护补强斜坡不易受损。
（5）离子检测块的高度为狭长检测管道内径的1/2-3/5，这个高度可保证不加重制作工艺的基础上，实现最佳的检测效果，高度过低，不易利用多点检测机构对污水形成高效的搅拌作用，降低检测准确度；高度过高，会加重制作工艺，且容易造成污水流通量过小，降低排水速率。
（6）污水排放阀处设置有流速控制单元，流速控制单元可对污水排出的速度进行最终的控制，其最佳的流速控制需根据实际污水中铀酰离子含量而定，且最佳的流速控制可对铀酰离子的去除起到重要作用。
（7）狭长检测管道的管长为3-4m，且狭长检测管道采用硬质塑料管，硬质狭长检测管道可保证管道不易弯折，从而不易对其内部的多点检测机构造成影响，保证多点检测机构正常发挥其检测作用，狭长检测管道过短，则山式检测峰块的数量将减少，降低将测的准确度，狭长检测管道过长则会浪费管材，且一定程度上延长了排水时间，降低排水速率。
附图说明
图1为本发明同时使用槽式吸附系统和柱吸附系统状态下的结构示意图；
图2为本发明单用槽式吸附系统状态下的结构示意图；
图3为本发明单用柱吸附系统状态下的结构示意图；
图4为图1、图2和图3中A处的局部剖面结构示意图；
图5为图4中B处的结构示意图；
图6为本发明的狭长检测管道的截面结构示意图。
图中标号说明：
1狭长检测管道、2污水排放阀、3回流循环管道、4污水循环阀、5山式检测峰块、51离子检测块、52补强斜坡。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1、图2和图3，基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，包括与控制系统相连接的可切换式吸附系统和废液处理系统，可切换式吸附系统和废液处理系统之间连接有循环系统，循环系统包括狭长检测管道1、污水排放阀2、回流循环管道3和污水循环阀4，狭长检测管道1两端分别与可切换式吸附系统和废液处理系统连接，回流循环管道3一端与可切换式吸附系统连接，且回流循环管道3另一端与狭长检测管道1靠近废液处理系统的一端相连通，污水排放阀2连接于狭长检测管道1上，污水循环阀4连接于回流循环管道3上，狭长检测管道1内部连接有多点检测机构，且多点检测机构位于可切换式吸附系统和污水排放阀2之间；
多点检测机构对流经的污水进行离子含量检测，铀酰离子含量在可排放范围之内的，经过污水排放阀2排入废液处理系统中；检测到铀酰离子含量超出可排放范围，则控制系统控制污水排放阀2关闭，污水循环阀4打开，污水由回流循环管道3再次回流至可切换式吸附系统中接受离子吸附处理，直到检测到铀酰离子含量在可排放范围之内，则经过污水排放阀2排入废液处理系统中，可实现每次铀酰离子在可切换式吸附系统中接受吸附后对污水进行实时多点检测，且多点检测设置于狭窄的管道中，大大缩小了检测面积，实现全方位无死角检测，大大提高了检测精确度，并且根据实时检测数据通过控制系统控制未达指标的污水回流至吸附系统中，实现多次循环吸附，实现最终的高效排放。
可切换式吸附系统包括槽式吸附系统和柱吸附系统，槽式吸附系统和柱吸附系统中均填装有铀吸附材料，槽式吸附系统中设有用于吸附操作的搅拌槽，具有结构简单、紧凑、体积小、效率高的优点，可对污水中的铀酰离子进行有效吸附，提高污水净化性能，柱吸附系统中的吸附剂对污水各组分的吸附力不同而使各组分分离，并将铀酰离子进行有效吸附，同样可有效降低污水中的铀酰离子含量，技术人员根据污水中的铀酰离子实际含量选择合适的吸附系统，其依据为前期实验所得，如中国专利申请号为CN201811272422.9所提出的水溶液中铀的吸附装置，可参考该专利中对铀的吸附条件作出的方案设计。
请参阅图4和图6，多点检测机构包括多个山式检测峰块5，且多个山式检测峰块5均匀固定连接于狭长检测管道1的内壁上，狭长检测管道1可限制污水的通过量，大大缩小了检测面积，使得通过的污水大量与山式检测峰块5接触并接受检测，实现全方位无死角检测，大大提高了检测精确度，另外，多个山式检测峰块5交错环布于狭长检测管道1的内壁上，多个山式检测峰块5对流经的污水具有一定的阻碍作用，这个阻碍可对污水形成一个搅拌的作用，使得流经的污水中铀酰离子分布更加均匀，检测更加准确，相邻两个山式检测峰块5之间距离10-15cm，这个间距可保证不浪费山式检测峰块5和不加重制作工艺的基础上，实现最佳的检测效果；距离过小，一则浪费山式检测峰块5的制作材料，二则加重制作工艺，三则容易造成污水流通量过小，降低排水速率；距离过大不易利用多点检测机构对污水形成搅拌作用，降低检测准确度。
请参阅图5，山式检测峰块5包括离子检测块51和补强斜坡52，离子检测块51和补强斜坡52均与狭长检测管道1的内壁固定连接，离子检测块51靠近可切换式吸附系统的一端连接有微流控芯片，微流控芯片具有高效的检测能力，补强斜坡52固定连接于离子检测块51远离微流控芯片的一端，污水由可切换式吸附系统通入废液处理系统中，补强斜坡52位于离子检测块51背水的一端，可减轻污水对离子检测块51的冲击力，防止污水将离子检测块51冲离狭长检测管道1的内壁。
请参阅图5，补强斜坡52为楔形，且补强斜坡52表面设有光滑涂层，楔形的补强斜坡52可承受较大的冲击力，保证离子检测块51上的微流控芯片稳定检测，补强斜坡52表面上的光滑涂层可减小污水对补强斜坡52的冲击力，还可有效保护补强斜坡52不易受损。
离子检测块51的高度为狭长检测管道1内径的1/2-3/5，这个高度可保证不加重制作工艺的基础上，实现最佳的检测效果，高度过低，不易利用多点检测机构对污水形成高效的搅拌作用，降低检测准确度；高度过高，会加重制作工艺，且容易造成污水流通量过小，降低排水速率。
污水排放阀2处设置有流速控制单元，流速控制单元可对污水排出的速度进行最终的控制，其最佳的流速控制需根据实际污水中铀酰离子含量而定，且最佳的流速控制可对铀酰离子的去除起到重要作用。
狭长检测管道1的管长为3-4m，且狭长检测管道1采用硬质塑料管，硬质狭长检测管道1可保证管道不易弯折，从而不易对其内部的多点检测机构造成影响，保证多点检测机构正常发挥其检测作用，狭长检测管道1过短，则山式检测峰块5的数量将减少，降低将测的准确度，狭长检测管道1过长则会浪费管材，且一定程度上延长了排水时间，降低排水速率。
相较于传统铀吸附系统在检测时只是简单的取样检测或是小区域检测，检测不全面，检测结果的准确度低下，导致污水中铀酰离子含量未降低到指标就进行排放，加重污染环境的问题，本发明提出一种基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，它在可切换式吸附系统和废液处理系统之间连接的狭长检测管道1中增设多点检测机构，多个山式检测峰块5可以实现在每次铀酰离子吸附完成后对污水进行实时多点检测，多点检测机构设置于狭窄的管道中，大大缩小了检测面积，实现全方位无死角检测，大大提高了检测精确度，并且根据实时检测数据通过控制系统控制未达指标的污水回流至吸附系统中，实现多次循环吸附，实现最终的高效排放。
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改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：包括与控制系统相连接的可切换式吸附系统和废液处理系统，所述可切换式吸附系统和废液处理系统之间连接有循环系统，所述循环系统包括狭长检测管道（1）、污水排放阀（2）、回流循环管道（3）和污水循环阀（4），所述狭长检测管道（1）两端分别与可切换式吸附系统和废液处理系统连接，所述回流循环管道（3）一端与可切换式吸附系统连接，且回流循环管道（3）另一端与狭长检测管道（1）靠近废液处理系统的一端相连通，所述污水排放阀（2）连接于狭长检测管道（1）上，所述污水循环阀（4）连接于回流循环管道（3）上，所述狭长检测管道（1）内部连接有多点检测机构，且多点检测机构位于可切换式吸附系统和污水排放阀（2）之间。
2.根据权利要求1所述的基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：所述可切换式吸附系统包括槽式吸附系统和柱吸附系统。
3.根据权利要求1所述的基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：所述多点检测机构包括多个山式检测峰块（5），且多个山式检测峰块（5）均匀固定连接于狭长检测管道（1）的内壁上。
4.根据权利要求3所述的基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：多个所述山式检测峰块（5）交错环布于狭长检测管道（1）的内壁上，且相邻两个山式检测峰块（5）之间距离10-15cm。
5.根据权利要求4所述的基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：所述山式检测峰块（5）包括离子检测块（51）和补强斜坡（52），所述离子检测块（51）和补强斜坡（52）均与狭长检测管道（1）的内壁固定连接，所述离子检测块（51）靠近可切换式吸附系统的一端连接有微流控芯片，所述补强斜坡（52）固定连接于离子检测块（51）远离微流控芯片的一端。
6.根据权利要求5所述的基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：所述补强斜坡（52）为楔形，且补强斜坡（52）表面设有光滑涂层。
7.根据权利要求5所述的基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：所述离子检测块（51）的高度为狭长检测管道（1）内径的1/2-3/5。
8.根据权利要求1所述的基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：所述污水排放阀（2）处设置有流速控制单元。
9.根据权利要求2所述的基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：所述槽式吸附系统和柱吸附系统中均填装有铀吸附材料。
10.根据权利要求1所述的基于SERS微流控联的多点检测循环吸附系统，其特征在于：所述狭长检测管道（1）的管长为3-4m，且狭长检测管道（1）采用硬质塑料管。
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