一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的电化学方法和装置

本发明属于电化学，具体涉及一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的电化学方法和装置。

背景技术：

1、低浓度金属离子溶液广泛存在于工业生产中，如核电工业中，核废水中含有多种低浓度的放射性离子，这些离子的溢出会对生态环境与生命健康造成严重影响。此外，矿业、电解、颜料等企业排出的废水经传统化学沉淀法后，金属离子难以去除彻底，盐湖卤水中部分金属离子含量也较低，提取难度较大。

2、现有技术中，针对低浓度离子的提取方法主要为化学分离和电化学法，化学分离包括膜吸附、溶剂萃取等方法。其中，膜吸附是利用表面基团，通过物理包埋、化学配位等理化方法与金属离子发生作用，从而将其从溶液中分离提取出去，但膜的生产带来成本，且膜再生过程会产生大量盐水；而溶剂萃取需引入大量新的有机试剂等，易于产生新的污染。此外，电化学法操作简单、耗时短、成本低、且不会引入化学试剂的污染，已被用于分离提取溶液中离子。

3、美国mit的martin z.bazant等人利用冲击波电渗析用于水净化，通过在阴、阳电极侧分别设置阳离子选择性透过膜，含铅，钠，锶、钡等金属离子的溶液连续流过阴阳电极和阳离子选择性膜间的三个通道，施加电场后选择性透过膜间通道获得富集流与耗尽流，并成功获取净化后水。专利文献cn105492108a公开一种通过离子浓度极化的水脱盐/纯化以及生物制剂预富集的方法，利用离子交换膜(阳离子选择性膜或阴离子选择性膜)作为一种离子过滤器，仅允许阳离子或阴离子通过。这种选择性离子输运在膜附近产生离子浓差极化，从而在电场作用下，两个离子膜间产生离子耗尽区以及离子富集区，以达到脱盐/富集离子的目的。

4、目前，已开发的电化学调控离子输运方法大多需要引入离子选择性透过膜，这些方法的脱盐/富集效率对膜的离子透过度、导电性依赖较高，增加装置设计、组装的难度，提高装置的成本。已有的方法重心在提高脱盐效率，获取脱盐溶液，而相应富集液中盐离子富集效率并不高。因此，需要开发结构简单，不依赖离子选择性膜的电化学方法，用于富集低浓度离子溶液。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置，利用装置中心圆点阳极处电场强度“趋于奇点”的特点，驱动离子向圆点阳极附近移动，突破传统并行平板电极的富集极限(两倍于初始浓度)，得到圆点电极处的超富集效应，并结合平板电极间溶液流动，获得一个富集流以及两侧的耗尽流。

2、本发明的另一目的在于提供一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的电化学方法，无需引入离子选择性膜，通过圆点电极处的超富集效应，富集流与耗尽流的交界处浓度分布呈非线性，富集流与耗尽流的交界处溶液浓度陡然下降，而耗尽流浓度分布较为平缓，以此实现连续的溶液富集处理。

3、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、本发明提供一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置，包括：

5、两个平行的平板阴极和一个位于中心的圆点阳极；

6、还包括位于所述平板阴极间且含入口和出口的液流通道；

7、待处理溶液在所述液流通道中流经所述圆点阳极，在电场作用下形成一种富集流以及其两侧的耗尽流。

8、作为优选，所述富集流的出液口位于所述圆点阳极下游至所述平板阴极末端之间，所述耗尽流的溶液收集口位于所述平板阴极外的液流下游。

9、作为优选，通过施加超过水电解电压的直流电压形成所述电场。

10、作为优选，所述待处理溶液含有离子、颗粒与生物制剂中的一种或两种以上组合。

11、作为更优选，所述待处理溶液含有可溶性荧光染料、金属离子、微纳塑料颗粒或细胞中的一种或两种以上组合。

12、作为优选，所述平板阴极和圆点阳极选自铜电极、锌电极和活性炭中的一种或两种以上组合。

13、本发明还提供一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的电化学方法，通过所述高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置实现，包括以下步骤：

14、(1)设置两个平行的平板阴极，以及位于所述平板阴极间的圆点阳极，引导位于所述平板阴极的液流通道中的液流，使其匀速流过所述圆点阳极，所述液流通道含入口和出口；

15、(2)利用注射泵将待处理溶液泵入富集装置，通电后，所述待处理溶液在电场作用下其中离子、颗粒或生物制剂向所述圆点阳极下游富集形成富集流以及其两侧的耗尽流，通过设定工作电压与泵入流速获取所需的富集倍率；

16、(3)富集流溶液通过位于圆点阳极的下游至平板阴极末端间的富集流出液口流出，耗尽流溶液的收集口位于平板阴极外的液流下游，实现所述待处理溶液中低浓度的离子、颗粒与生物制剂的富集和提取。

17、作为优选，所述工作电压不小于理论水解电压，这是由于泵入溶液的流动可以抑制电极附近的副反应如枝晶生长，气泡生长，保证装置连续平稳运行。

18、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、本发明提出一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的电化学方法和装置，两个并行的平板阴极与圆点阳极构成装置，待处理盐溶液流入平板阴极间通道，基于圆点阳极处存在电场强度“区域奇点”，在电场作用下调控离子输运，离子向阳极富集，溶液在圆点阳极下游分为富集流(浓度提升)，以及两侧的耗尽流(浓度下降)，以实现将溶液中低浓度的盐类富集和提取。此外，该装置也适用于任何带电微纳物质(如微纳塑料颗粒、生物制剂)，可以将颗粒与生物制剂聚集至富集流，获得高含量的溶液，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置，其特征在于，所述富集流的出液口位于所述圆点阳极下游至所述平板阴极末端之间，所述耗尽流的溶液收集口位于所述平板阴极外的液流下游。

3.根据权利要求1所述高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置，其特征在于，通过施加超过水电解电压的直流电压形成所述电场。

4.根据权利要求1所述高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置，其特征在于，所述待处理溶液含有离子、颗粒与生物制剂中的一种或两种以上组合。

5.根据权利要求4所述高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置，其特征在于，所述待处理溶液含有可溶性荧光染料、金属离子、微纳塑料颗粒或细胞中的一种或两种以上组合。

6.根据权利要求1所述高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置，其特征在于，所述平板阴极和圆点阳极选自铜电极、锌电极和活性炭中的一种或两种以上组合。

7.一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的电化学方法，其特征在于，通过权利要求1至6任一项所述高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的装置实现，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的电化学方法，其特征在于，所述工作电压不小于理论水解电压。

9.根据权利要求7所述高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的电化学方法，其特征在于，工作电压为5-20v，泵入流速为0.2μl/s，提取流速为0.02μl/s。

技术总结本发明公开了一种高效富集溶液中离子、颗粒与生物制剂的电化学方法和装置，该装置包括两个平行的平板阴极和一个位于中心的圆点阳极，还包括位于平板阴极间且含入口和出口的液流通道，待处理溶液在液流通道中流经圆点阳极，在电场作用下形成一种富集流以及其两侧的耗尽流，通过设定工作电压与泵入流速获取所需的富集倍率，富集流溶液通过位于圆点阳极的下游至平板阴极末端间的富集流出液口流出，耗尽流溶液的收集口位于平板阴极外的液流下游，实现待处理溶液中低浓度的离子、颗粒与生物制剂富集和提取。本发明的电化学方法也适用于带电微纳物质如微纳塑料颗粒、生物制剂，将颗粒与生物制剂聚集至富集流获得高含量的溶液，具有广阔的应用前景。技术研发人员：邓道盛,霍鹏,顾智博受保护的技术使用者：复旦大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4