CN212915187U

CN212915187U - 淋洗液发生器

Info

Publication number: CN212915187U
Application number: CN202021493895.4U
Authority: CN
Inventors: 范雪亭; 赵斌
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2030-07-24

Abstract

本实用新型公开了一种淋洗液发生器，包括离子发生腔室和穿过离子发生腔室的淋洗液流路，离子发生腔室内设置有第一电极和第二电极，用于对电解液进行电解，以产生离子；第一电极和第二电极以面与面相对的形式，隔着淋洗液流路设置；屏障部，设置在第一电极和/或第二电极与淋洗液流路之间，用于从电解产生的离子中选择规定种类的离子向淋洗液流路中释放。第一电极和/或第二电极在与另一方相对的表面处，覆盖有粗糙化层，粗糙化层具有微米尺度或者纳米尺度的粗糙度。本实用新型的淋洗液发生器，由于在电极表面制作有微米尺度或者纳米尺度的粗糙度，可以在降低离子交换器内阻的同时防止极化效应的产生。

Description

淋洗液发生器

技术领域

本实用新型涉及离子色谱系统技术领域，特别涉及一种淋洗液发生器。

背景技术

现有的一些离子色谱系统是利用离子色谱柱在被一定浓度的KOH或甲烷磺酸根(MSA)淋洗液淋洗的情况下对各种离子的保留时间不同的原理进行离子分离分析的液相系统。系统中KOH或MSA的浓度对分析结果有很大影响。现在比较理想的是使用淋洗液发生器来产生浓度稳定的淋洗液。淋洗液发生器通过电解方式产生高纯度KOH或MSA，配合脱气装置大幅度降低了本底电导。选用淋洗液发生器可省去配置淋洗液时间，随时切换淋洗液浓度节省实验时间，提升实验效率。

一些淋洗液发生器采用离子交换的方式将特定种类的离子释放入淋洗液中，此类淋洗液发生器中的离子交换器使用铂金电极加上离子交换膜的三明治结构。如专利公开号为CN111167313A、名称为一种淋洗液发生器的中国专利，离子交换膜位于第一电极网和第二电极网之间，第一电极与第一电极网电连接，第二电极与第二电极网电连接。但是，由于离子交换器内阻高，需要施加高电压才能得到高的离子交换量，高电压高电流容易导致电极发热而影响系统稳定性，同时也会降低离子交换器寿命。

为了降低内阻也可以增加铂金电极的面积，但是，由于铂金电极的价格较高，增加了淋洗液发生器的成本；此外，随之离子交换膜的面积也相应增加，不利于离子交换器的耐压密封。

实用新型内容

本实用新型针对上述技术问题而提出，目的在于提供一种淋洗液发生器，该淋洗液发生器在电极表面制作有微米尺度或者纳米尺度的粗糙度，在增大电极表面积、降低离子交换器内阻的同时防止极化效应的产生。

具体来说，本实用新型提供了一种淋洗液发生器，包括离子发生腔室和穿过离子发生腔室的淋洗液流路，

离子发生腔室内设置有浸没在电解液中的第一电极和第二电极，用于对电解液进行电解，以产生离子；

第一电极和第二电极均为平面电极，并且以面与面相对的形式，隔着淋洗液流路设置；

屏障部，设置在第一电极和第二电极中至少一方与淋洗液流路之间，用于从电解产生的离子中选择规定种类的离子向淋洗液流路中释放。

第一电极和第二电极中至少一方，在与另一方相对的表面处，覆盖有粗糙化层，粗糙化层具有微米尺度或者纳米尺度的粗糙度。

相较于现有技术而言，微观的粗糙化层能够增大电极的表面积，并且有效地防止极化效应。粗糙化后的第一电极和/或第二电极与电解液接触的面积增加，电解液的有效反应面积也相应的增加，从而能够降低离子交换器的内阻，提高离子交换效率。

本实用新型提供的淋洗液发生器，相同的材料面积下的有效反应面积得到提高，从而无需增大第一电极和第二电极的面积来降低离子交换器的内阻，有利于减小第一电极和第二电极的大小，节约材料成本。另外，由于未通过增大尺寸的方式提高电极的表面积，屏障部的面积也可以相应地维持在较小的范围内，有利于对离子交换器进行耐压密封。

在制造过程中，通常需要将电极和屏障部压合成一体结构，在压合过程中，粗糙化层容易在压合过程中产生坍塌，从而容易导致加工过程中粗糙化层的劣化。而在本实用新型的技术方案中，因为采用了微米尺度或者纳米尺度的粗糙化层，该尺度的粗糙化层能够在压合过程中被较为完整地保留，使得电极的表面积的增大效果能够在较长的使用时间内被有效维持。

另外，作为优选，粗糙化层具有若干间隔排列的微米尺度或者纳米尺度的凸出物。

根据该优选方案，具有凸出物的粗糙化层一方面便于制作，另一方面增大表面积的性能较好。利用本粗糙化层能够大大降低离子交换器的内阻，提高离子交换器的离子交换效率。

进一步地，作为优选，第一电极和第二电极为铂电极。

根据该优选方案，使用铂金作为第一电极和第二电极的材料，电极能在电解液的强酸性或者强碱性下保持稳定，从而提高电解反应的反应稳定性。

另外，作为优选，粗糙化层为铂金属的镀层。

如果粗糙化层是采用机械加工的方式例如研磨等方式在表面制作的，此类粗糙化层更加容易在压合过程中产生坍塌，从而容易导致加工过程中粗糙化层的劣化。根据该优选方案，通过在铂电极表面形成铂金属的镀层，由于同种金属之间材料的匹配性，镀层与电极之间的结合强度较好。此外，镀层相较而言更加致密，并且可以方便地通过镀膜过程的参数调整优化膜层性能。

进一步地，作为优选，粗糙化层的厚度为0.01-10μm。

粗糙化层的厚度不宜过小，也不宜过大。过薄的粗糙化层，例如是小于0.01μm的粗糙化层，难以形成较大的粗糙度，而过厚的粗糙化层，例如是大于10μm的粗糙化层，在与屏障部压合为一体时容易产生坍塌，影响结构稳定性。

另外，作为优选，第一电极和第二电极的面积为1-10cm²。

第一电极和第二电极的面积不宜太小也不宜太大。过小的电极面积，例如是小于1cm²的电极面积，会造成能够处理的流体流量较小；过大的电极面积，例如是10cm²以上的电极面积，会造成成本、加工难度的大幅上升，并且不利于离子交换器的耐压密封。

另外，作为优选，在铂电极与铂金属的镀层之间，还设置有烧结层，用于提高铂电极与铂金属的镀层之间的结合力。

根据该优选方案，烧结层进一步地提高了铂电极与粗糙化层之间的结合力，粗糙化层不易从第一电极和/或第二电极的表面脱落。

另外，作为优选，屏障部为网屏或者离子交换膜。

附图说明

图1是本实用新型实施方式中淋洗液发生器的结构流程图；

图2是本实用新型实施方式中表面覆盖有粗糙化层和烧结层的第一电极结构示意图。

附图标记说明：

1、离子发生腔室；2、淋洗液流路；3、电解液；4、第一电极；5、第二电极；6、屏障部；7、离子交换器；8、电源；9、粗糙化层；10、凸出物；11、烧结层。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型进行进一步的详细说明。附图中示意性地简化示出了淋洗液发生器的结构等。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

本实用新型的实施方式提供了一种淋洗液发生器，用于产生KOH淋洗液，参见图1所示，包括离子发生腔室1和穿过离子发生腔室1的淋洗液流路2。在离子发生腔室1内设置有浸没在电解液3中的第一电极4和第二电极5，第一电极4和第二电极5均为平面电极，并且以面与面相对的形式隔着淋洗液流路2设置。在第一电极4和第二电极5中的至少一方(本实施方式中为两方)与淋洗液流路2之间设置有屏障部6，第一电极4、第二电极5以及屏障部6形成为本淋洗液发生器中的离子交换器7。根据屏障部6的个数，淋洗液发生器形成为单膜型结构或双膜型结构。第一电极4和第二电极5用于对电解液3进行电解，以产生离子，屏障部6则用于从电解产生的离子中选择规定种类的离子向淋洗液流路2中释放。

屏障部6通常为网屏或者离子交换膜，在使用过程中，网屏或离子交换膜起到“传质”、“通气”和“支撑”的作用。网屏是通过编织而成，相对柔软，价格较高。离子交换膜采用离子交换树脂，带有官能团且具有网状结构，无机离子的去除能力优良。

本实施方式提供的淋洗液发生器，在使用过程中对第一电极4和第二电极5进行通电，第一电极4与电源8的正极相连，第二电极5与电源8的负极相连，从而对电解液3进行电解以产生正负离子。以电解液3为K₂CO₃、所要产生的淋洗液为KOH、屏障部6为阳离子交换膜为例，电解液3被电解产生K⁺和CO₃ ^2-，规定种类的离子为金属离子，也即K⁺。与此同时，淋洗液流路2中的水在正极和负极下发生电解，在正极产生H⁺，在阴极产生的OH^-。在电场的作用下，H⁺代替电解质溶液中的K⁺，规定种类的离子K⁺穿透屏障部6后进入淋洗液流路2中，完成离子交换迁移。进入到淋洗液流路2内的K⁺和OH^-混合生成KOH，即用于离子色谱系统的淋洗液。

淋洗液发生器所产生的KOH溶液的浓度由电源8所施加的电流的大小和通过淋洗液流路2的水的流速决定。因此，以给定的流速精确地控制电流大小就能精密而在线地产生所需浓度的KOH淋洗液。施加电流和所产生的KOH浓度之间存在非常好的线性关系。

特别地，参见图2所示，第一电极4和第二电极5中至少一方，在与另一方相对的表面处，覆盖有粗糙化层9，粗糙化层9具有微米尺度或者纳米尺度的粗糙度。微米尺度，指100nm-100μm范围，例如“微米尺度的粗糙度”指粗糙度Ra在100nm-100μm范围内；纳米尺度，指1nm-100nm范围，例如“纳米尺度的凸出物”，指凸出物的直径在1nm-100nm范围内。

第一电极4和/或第二电极5表面的粗糙化层9具有微米尺度或者纳米尺度的粗糙度，相较于光滑的电极表面，具有粗糙化层9的第一电极4和/或第二电极5的表面积得到了极大的提高，微观的粗糙化层9能够很好的防止极化效应。粗糙化后的第一电极4和/或第二电极5的表面凹凸不平，其与电解液3接触的面积增加，相应的电解液3的有效反应面积得到增加，从而能够降低离子交换器7的内阻，提高离子交换效率。离子交换器7的离子交换效率提高，也能够延长淋洗液发生器乃至离子色谱系统整体的基本寿命。

本实施方式提供的淋洗液发生器，在电极的相同的材料面积下，电解液3的有效反应面积得到提高，从而无需增大第一电极4和第二电极5的面积来降低离子交换器7的内阻，有利于减小第一电极4和第二电极5的大小，节约材料成本。另外，由于未通过增大尺寸的方式提高电极的表面积，屏障部6的面积也可以相应地维持在较小的数值范围内，有利于对离子交换器7进行耐压密封。

在制造过程中，通常需要将电极(第一电极4或者第二电极5)和屏障部6压合成一体结构，在压合过程中，粗糙化层9容易在压合过程中产生坍塌，从而容易导致加工过程中粗糙化层9的劣化。而在本实用新型的技术方案中，因为采用了微米尺度或者纳米尺度的粗糙化层9，该粗糙化层9的粗糙度能够在压合过程中被保留，使得电极的表面积增大效果能够在较长的使用时间内被有效维持。

粗糙化层9具有若干间隔排列的微米尺度或者纳米尺度的凸出物10，具有凸出物10的粗糙化层9便于制作，且表面积得到极大的提升，从而有利于电解液3在粗糙化层9的表面发生电解反应，提高电解液3的电解效率以及离子交换器7的离子交换效率。

区别于液相色谱使用的有机相淋洗液，离子色谱通常使用强碱或强酸溶液作为淋洗液。铂金是很好的惰性材料，能在电解液3的强酸性或者强碱性下保持稳定，因此，本实施方式中的第一电极4和第二电极5优选为铂电极。使用铂金作为第一电极4和第二电极5的材料，还能够提高电解反应的反应稳定性，同时提高淋洗液发生器的使用寿命。

第一电极4和第二电极5的面积为1-10cm²，在设置有粗糙化层9的情况下，即可满足电解液3所需的有效反应面积，减少第一电极4和第二电极5的材料用量，降低了淋洗液发生器的生产成本，有助于淋洗液发生器的生产量化。

粗糙化层9为铂金属的镀层，在铂电极的表面处覆盖有粗糙化层9，使得具有粗糙化层9的第一电极4和/或第二电极5形成为铂黑电极。铂黑电极的使用，具有增加电极的表面积，降低电流密度，减少极化效应并降低电容干扰等优点。另外，如果粗糙化层9是采用机械加工的方式例如研磨等方式在表面制作的，此类粗糙化层9更加容易在压合过程中产生坍塌，从而容易导致加工过程中粗糙化层9的劣化。通过在铂电极表面形成铂金属的镀层，由于同种金属之间材料的匹配性，镀层与电极之间的结合强度较好。此外，镀层相较而言更加致密，并且可以方便地通过镀膜过程的参数调整优化膜层性能，例如可以调节电镀中的铂盐种类、浓度、辅助添加剂、电镀电流、温度等。

铂金材料属于贵金属，价格比较高，所以面积通常不会做大。通过设置粗糙化的铂金属的镀层，则能够在有限的电极面积的情况下保证电极的表面与电解液3的接触面积，降低离子交换器7的内阻，提高离子交换效率。

粗糙化层9的厚度为0.01-10μm，粗糙化层9的厚度不宜过小，也不宜过大。过薄的粗糙化层9，例如是小于0.01μm的粗糙化层9，难以形成较大的粗糙度，而过厚的粗糙化层9，例如是大于10μm的粗糙化层9，在与屏障部6压合为一体时容易产生坍塌，影响结构稳定性。

参见图2所示，在铂电极与铂金属的镀层之间，还设置有烧结层11，用于提高铂电极与铂金属的镀层之间的结合力。粗糙化层9是在第一电极4和/或第二电极5的表面烧结而成，利用烧结层11大大提高了铂电极与粗糙化层9之间的结合力，粗糙化层9不易从第一电极4和/或第二电极5的表面脱落。

需要说明的是，粗糙化层9也可以是通过电镀的方式形成在第一电极4和/或第二电极5的表面。例如可以使用制作铂黑电极的工艺方法制作该粗糙化层9。

在一些实施方式中，可以采用如下方式制备该粗糙化层9。

将约1g H₂PtCl₆溶解于30mL水中形成电解液3；

往电解液3中添加5mg-8mg的醋酸铅Pb(CH₃COO)₂；

放入待处理的第一电极4，在10mA-39mA/cm2的电流密度下阳极极化，通电时间为10min-20min；

放入待处理的第二电极5，改变电流方向，在10mA-39mA/cm²的电流密度下阴极极化；

电流方向每两分钟换向一次，重复10-20次；

完成第一电极4表面粗糙化层9的制备。

镀好铂电极后，将第一电极4洗净后放入氢电极溶液中，不用的时候放在蒸馏水或稀硫酸中。

在一些实施方式中，还可以在粗糙化层9制备完成后，对第一电极4进行烧结处理，以形成第一电极4与粗糙化层9之间的烧结层11，从而提高第一电极4与粗糙化层9之间的结合力，例如是提高铂黑电极的本体与铂绒之间的结合力。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims

1.一种淋洗液发生器，包括离子发生腔室和穿过所述离子发生腔室的淋洗液流路，

所述离子发生腔室内设置有浸没在电解液中的第一电极和第二电极，用于对所述电解液进行电解，以产生离子；

所述第一电极和所述第二电极均为平面电极，并且以面与面相对的形式，隔着所述淋洗液流路设置；

屏障部，设置在所述第一电极和第二电极中至少一方与所述淋洗液流路之间，用于从电解产生的离子中选择规定种类的离子向所述淋洗液流路中释放，

其特征在于，

所述第一电极和所述第二电极中至少一方，在与另一方相对的表面处，覆盖有粗糙化层，所述粗糙化层具有微米尺度或者纳米尺度的粗糙度。

2.如权利要求1所述的淋洗液发生器，其特征在于，所述粗糙化层具有若干间隔排列的微米尺度或者纳米尺度的凸出物。

3.如权利要求1或2所述的淋洗液发生器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为铂电极。

4.如权利要求3所述的淋洗液发生器，其特征在于，所述粗糙化层为铂金属的镀层。

5.如权利要求4所述的淋洗液发生器，其特征在于，所述粗糙化层的厚度为0.01-10μm。

6.如权利要求4所述的淋洗液发生器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的面积为1-10cm²。

7.如权利要求4所述的淋洗液发生器，其特征在于，在所述铂电极与所述铂金属的镀层之间，还设置有烧结层，用于提高所述铂电极与所述铂金属的镀层之间的结合力。

8.如权利要求1所述的淋洗液发生器，其特征在于，所述屏障部为网屏或者离子交换膜。