基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

Gradual separation of heavy metal ions in water based on nanopore device

The invention discloses a gradual separation method of heavy metal ions in water body based on nanoscale device. Based on the separation strategy of nanoscale and the establishment of the related isolation device, various heavy metal ions in the water body are separated. The experimental equipment includes the preparation equipment and separation equipment of the complexing agent, and through the constant temperature magnetic force agitator to prepare the TCAS. The separation of U type trough and electric field was carried out and the separation of heavy metal ions was finally carried out by complexation of complexing agents. The complexing order of complexing agent TCAS to heavy metal ions is cadmium, copper, lead and barium respectively. At the same time, the higher driving voltage corresponds to a faster separation speed; on the other hand, the pH value affects the hydrolysis of heavy metal ions, the complexation and electroosmotic velocity of the heavy metal ions by the calixarene. By selecting the appropriate voltage and pH values, the separation of various heavy gold ions can be achieved to the maximum extent, and the water pollution control and the separation of the heavy metal ions can be achieved. Recovery and utilization of heavy metal waste liquid has wide application.

【技术实现步骤摘要】
基于纳米孔装置的水体重金属离子逐步分离法
本专利技术属于重金属离子分离
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术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，本专利技术的技术方案如下：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。本专利技术所述的分离设备，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，张可，吕俊，魏玉敏，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32