用于提取溶液中存在的金属离子和潜在的其他有害物种至足够低的水平以使其适合使用和/或定量溶液中的这些污染物的水平的方法。所述方法涉及使用官能化的磁性颗粒结合金属离子。所述方法发生在三室电池中并且利用磁体将与金属离子结合的磁性颗粒聚集到电极，并且通过使用由固态电解器产生的或者来自空气的气体调节电池内的溶液的pH，促进金属离子在电极上的电镀并且推出金属游离溶液离开电池。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】相关串请的交叉引用本申请要求于2013年3月15日提交的美国临时申请第61/792821号的优先权和申请日的利益，其全部公开内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及金属，包括金属污染物，例如，重金属，以及存在于溶液中的潜在的其他有害物种的捕获。更具体地，本专利技术涉及采用磁性颗粒的系统和方法，所述磁性颗粒用能够可逆结合金属离子的化学基团功能化。
技术介绍
水污染是美国和世界各地的一个严重问题。在过去的几十年中，水污染一直是增加的政府审查和监管的主题。为了应对清洁饮用水的需求和在江河、湖泊、海洋和湿地中保持干净的水的需求，详细的法律和监管方案已经在美国的州和地方层面发展。这些法律和监管方案涉及到许多类型的可以产生水污染的活动。这些活动包括从控制和监测农业经营和雨水排水系统的径流量的质量，到监管工业、采矿业和商业活动，如石油和天然气勘探的一切事情。产生或具有产生显著大量受污染的水的能力的几乎所有的活动将可能由州和联邦法规监管。一些监管机构广泛地处理水排放的监管。这些机构的一些包括美国国家环境保护局(EPA)，其具有广泛的监管权力；美国海岸警备队，其监管通航水域的使用；国家石油和天然气董事会，其在井场监管采出水；以及处理矿监管的州和联邦机构。各种水污染物，和具有产生水污染的能力的具体活动是水质监管的主题。可监管的材料范围从农药和肥料到石化相关的烃类和多种化学品和有害材料。如果放置在全国的水供应中可论证为有害的任何材料都是监管和受控排放的主题。重金属是在环境中广泛遇到的一类水污染物。基本上所有的过渡金属在水中可作为溶解的离子存在。可能成为水污染物的重金属的实例包括铅、锰、钴、镉和其他。当这些材料在流或供水中存在时出现显著的水污染问题。含有重金属的消耗水可能不利于人类和动物的健康。重金属中毒可能是严重的公共卫生问题。因此，对于从供水中提取重金属有显者兴趣。与此同时，大量地从水中除去重金属是一个困难和昂贵的过程。虽然重金属的化学很好理解，但是应用该化学到在环境条件下从环境中的水除去重金属已经证明是困难和昂贵的。这些过程往往需要大量庞大的处理设施，并且可产生本身有害的并造成困难的处理问题的废物。加剧该问题的事实是在过去的数十年并在某些情况下超过一个多世纪，一些老工业和采矿作业已经产生重金属排放。许多这些作业先于现代水污染控制规范和现代水污染控制技术的发展。因此，这些作业产生重金属排放的情况是在排放到环境之前并没有花费太多的努力去从水中除去金属或者限制污染物。在这些类型的设施继续作业的情况下，它们已经按照上述监管方案的要求通过必要的修改的应用达到标准。然而，在矿山和其他工业设施在实施污染控制系统和技术以及实施现代监管方案之前停业的情况下，这些设施很有可能继续产生重金属污染的水排放。其中地下水流经矿山并离开进入当地流和饮用水的情况下的采矿作业尤其是这样。在采矿已经停止很久之后，天然水源的重金属污染仍然是矿区的一个问题。由于不希望的水中的重金属污染，需要许多努力和费用来整治这些问题，往往具有不太充分的结果。许多问题与传统的重金属或者水处理整治方法共存。一种这样的方法是金属氢氧化物沉淀以除去重金属。该方法和许多其他常规方法添加大量的化学品到可能含有不到千分之几水平的量的污染物的废物流中。这些类型的过程可导致大量的金属污染或含金属的沉淀物。如上所述，所得的负载金属的沉淀物的处置本身带来处置问题，尤其是当该沉淀物具有随后过滤出的金属返回环境的潜力时。用于水整治的大多数传统工艺要求复杂和庞大的设备。这些工艺是昂贵的，并且有时会造成水的不充分清洁。常规方法常常导致本身有害的废物材料，而且必须利用可能是进一步监管的主题的昂贵技术处置。此外，从水中提取污染物的能力产生感知和监测给定的水样本中这些污染物的水平的潜力。因此，有必要提供用于从水中提取污染物的改进的方法和装置。更具体地说，有必要提供能够从水中定量和/或提取金属污染物，例如，重金属的方法和系统。
技术实现思路
本专利技术提供了一种从溶液中提取金属，例如金属污染物的系统和方法。本专利技术提供了用于提取金属或污染物，而无需向待处理的溶液引入大量的化学品的方法。例如，本专利技术还可以提供一种系统和方法，其可以不需要常规的水处理设施所需的大型设备或设施。本专利技术采用了可重复使用并允许在进行水处理操作时降低成本的材料。在一个方面，本专利技术提供了一种用于从溶液中提取金属物种的方法，所述方法包括:(a)对包括阴极的电化学电池提供溶液，所述溶液包含待从所述溶液除去的金属离子；(b)将多个官能化的磁性颗粒引入溶液，所述官能化的磁性颗粒包含适合用于结合金属离子的官能团；(C)通过氧化氢或还原由固态聚合电解器或从空气产生的氧气以促进金属离子结合到官能化的磁性颗粒上来调节所述溶液的pH ; (d)将颗粒磁性地吸引到阴极；和(e)对电池施加电流和将金属离子电镀到阴极上。在一个实施方案中，所述方法包括重复操作(b)至(e)直到获得所述金属的阈值浓度。在一个实施方案中，在对电化学电池提供溶液之前将磁力施加到阴极，从而使得所述官能化的磁性颗粒与阴极相联。在一个实施方案中，将所述官能化的颗粒引入溶液包括从阴极除去磁力，从而将所述官能化的磁性颗粒分散在溶液中。在一个实施方案中，所述方法包括在溶液中的金属的浓度达到阈值水平之后从电化学电池除去溶液，并且将另一受污染的溶液引入所述电化学电池中。在一个实施方案中，所述方法包括调节溶液的pH至酸性，以促进金属离子从官能化的磁性颗粒的释放。在一个实施方案中，所述官能化的颗粒选自:被带有-SH端基的物种官能化的氧化铁颗粒，被带有-COOH端基的物种官能化的氧化铁颗粒，被带有-NH2端基的物种官能化的氧化铁颗粒，或它们两种或更多种的组合。在一个实施方案中，所述阴极为碳板。在一个实施方案中，所述溶液选自水性或非水性溶液。在一个实施方案中，所述溶液包括水。在一个实施方案中，所述溶液是盐溶液。在另一个方面，本专利技术提供了一种用于处理含有金属物质的溶液的溶液处理装置，所述装置包括:包括第一室和第二室的电池，所述第一室包括:位于所述第一室的第一端上的第一电极；位于所述第一室的第二端上的第二电极，所述室的第二端与所述第一室的第一端相对；连接所述第一电极到所述第二电极的稳压器；以及电解质溶液，所述电解质溶液包含含有金属污染物的溶液且进一步包含含有适用于结合金属的官能团的官能化的颗粒；第二室在所述第一室的所述第二端上邻接所述第一室，所述第二室包括位于所述第二室的远离所述第一室的一侧上的固态聚合物电解器；和单一气体或者气体混合物；含有水和水蒸汽的第三室；以及与所述第一室的所述第一电极可拆卸地相联的磁体。在一个实施方案中，所述第二电极是带有铂/铱的多孔碳，4.6mg/cm2。在一个实施方案中，所述第二室包含选自由以下组成的组的气体:氮气、氧气、氢气或它们两种或更多种的组合。在一个实施方案中，所述溶液选自水性或非水性溶液。在一个实施方案中，所述溶液包括水。在一个实施方案中，所述溶液是盐溶液。在一个实施方案中，所述电解器是包括聚合物电解质膜的固态类型。在另一个方面，本专利技术提供了用于从溶液中提取金属的方法，所述方法包括:(a)向系统提供溶液，所述系统包括包含阴极的电化学电池，和与所述电化学电池可拆卸地本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于从溶液中提取金属物种的方法，所述方法包括：(a)向包括阴极的电化学电池提供溶液，所述溶液包含待从所述溶液除去的金属离子；(b)将多个官能化的磁性颗粒引入溶液，所述官能化的磁性颗粒包含适合用于结合金属离子的官能团；(c)通过氧化氢或还原由固态聚合电解器或从空气产生的氧气以促进金属离子结合到官能化的磁性颗粒上来调节所述溶液的pH；(d)将颗粒磁性地吸引到阴极；和(e)对电池施加电流和将金属离子电镀到阴极上。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·谢尔森，安娜·克里斯蒂娜·萨米亚，冯占革，
申请(专利权)人：凯斯西储大学，
类型：发明
国别省市：美国;US
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。