水溶液中重金属离子的分离方法、分离装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及水溶液中重金属离子的分离方法、分离装置。

背景技术

重金属元素因难降解、易累积、毒性大，容易对环境、动植物和人体造成不可逆转的污染和毒害，已经成为一个世界范围内的重大问题。金属离子广泛存在于各种水体之中，分离、清除水中的重金属离子，往往要经过繁琐的处理过程，且需很高的能耗。

所以，处理含有重金属离子的水溶液，收集水溶液中的重金属离子一直以来是本领域的技术难点之一。

发明内容

有鉴于此，一方面，一些实施例公开了水溶液中重金属离子的分离方法，分离方法包括：

设置柱状电极作为负极，在柱状电极周围设置圆筒形电极作为正极；

在负极与正极之间形成环形通道，水溶液设置在环形通道中，并在环形通道中循环流动；

将负极与正极分别与外电源连接，在环形通道中形成从负极向正极呈放射状分布的电场；

在环形通道中循环流动的水溶液中的重金属离子在电场作用下以特定的特征半径流动；

相同的重金属离子在相同的特征半径区域富集；

在设定的特征半径区域收集包含富集的重金属离子的水溶液，实现重金属离子的分离。

进一步，一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离方法，特征半径表达为：

R＝(q/m)·(E/ω

其中，q/m为重金属离子的荷质比，ω为重金属离子的运动角速度，E为重金属离子所处位置的电场强度，R为特征半径，为重金属离子与负极中心轴之间的距离。

一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离方法，柱状电极为圆柱形导体。

另一方面，一些实施例公开了水溶液中重金属离子的分离装置，分离装置包括：

水溶液盛放筒；

负极，设置为柱状电极，设置在水溶液盛放筒中；

搅拌组件，与水溶液盛放筒适配设置，用于搅拌水溶液；

其中，水溶液盛放筒内壁为导电材料，该导电材料作为正极。

进一步，一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离装置，分离装置还包括：

水溶液抽取管道，适配设置在负极与正极之间，用于抽取富集重金属离子的水溶液。

一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离装置，水溶液抽取管道的设置位置根据重金属离子的特征半径确定，特征半径表达为：

R＝(q/m)·(E/ω

其中，q/m为重金属离子的荷质比，ω为重金属离子的运动角速度，E为重金属离子所处位置的电场强度，R为特征半径，为重金属离子与负极中心轴之间的距离。

一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离装置，水溶液盛放筒的内壁导电材料与内壁分离，形成独立设置的同心圆套筒，该同心圆套筒作为正极。

一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离装置，搅拌组件包括：

搅拌叶片，设置在水溶液盛放筒内部，位于负极与正极之间；

搅拌电机，设置在水溶液盛放筒外部，设置与搅拌叶片连接。

本发明实施例公开的水溶液中东重金属离子的分离装置，能够将水溶液中的重金属离子富集并从水溶液中分离，富集分离过程利用重金属离子在放射状电场中的运动规律，将重金属离子富集在电场中的特定区域，进而收集特定区域的水溶液，将富集有重金属离子的水溶液从原有水溶液中分离，进而实现了重金属离子的分离，对于不同的重金属离子，可以在不同的特定区域进行收集，实现对多种重金属离子的分离；装置和方法简单，易于操作，能耗低，能够连续作业，在金属混合物分离与检测、重金属污水治理、核废水处理等领域有良好应用前景。

附图说明

图1实施例1水溶液中重金属离子分离装置组成示意图；

图2实施例2水溶液中重金属离子分离过程示意图。

附图标记

1 水溶液盛放筒             2 负极

3 正极                     4 搅拌叶片

5 搅拌电机                 6 电极安装支座

7 底板                     100 水溶液

具体实施方式

在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本发明实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本发明实施例中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明实施例公开的内容。

除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明实施例所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本发明实施例中其它未特别注明的试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常采用的实验方法和技术手段。

本文所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们可以是指小于或等于±5％，如小于或等于±2％，如小于或等于±1％，如小于或等于±0.5％，如小于或等于±0.2％，如小于或等于±0.1％，如小于或等于±0.05％。在本文中以范围格式表示或呈现的数值数据，仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1～5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围。因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1％～3％、2％～4％和3％～5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。

在本文中，包括权利要求书中，连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放性的，即是指“包括但不限于”。只有连接词“由……构成”和“由……组成”是封闭连接词。

为了更好的说明本发明内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便凸显本发明的主旨。

在不冲突的前提下，本发明实施例公开的技术特征可以任意组合，得到的技术方案属于本发明实施例公开的内容。

在一些实施方式中，一些实施例公开了水溶液中重金属离子的分离方法，分离方法包括：

设置柱状电极作为负极，在柱状电极周围设置圆筒形电极作为正极；

在负极与正极之间形成环形通道，水溶液设置在环形通道中，并在环形通道中循环流动；

将负极与正极分别与外电源连接，在环形通道中形成从负极向正极呈放射状分布的电场；

在环形通道中循环流动的水溶液中的重金属离子在电场作用下以特定的特征半径流动；

相同的重金属离子在相同的特征半径区域富集；

在设定的特征半径区域收集包含富集的重金属离子的水溶液，实现重金属离子的分离。

正极和负极分别与外电源连接后，电极之间形成电场，电场从负极到正极呈放射状分布；水溶液在正极和负极之间的环形通道中循环流动时，流动方向与电场方向始终垂直；水溶液中的重金属离子在环形通道中循环流动可以认为其做圆周运动，圆周运动的重金属离子在水平方向受到两个力的作用：电场力、离心力。

其中，电场力取决于电场强度、重金属离子的电荷数，公式如下：

F

式(1)中：

F

离心力取决于圆周运动的半径、向心加速度、离子质量，公式如下：

F

式(2)中：

F

其中，向心加速度a的公式如下：

a＝ω

式(3)中：

a为向心加速度，ω为圆周运动的角速度，r为圆周运动的半径；

重金属离子是带正电荷的微粒，在环形通道中做圆周运动。环形通道中分布的电场的中心为电场负极，通道外壁为电场正极。电场负极对金属离子具有吸引力，电场正极对金属离子有排斥力，吸引力与排斥力之和为电场力；金属离子做圆周运动时，受到离心力，其方向与电场力相反。

当重金属离子受到的电场力与离心力大小相同时，金属离子做稳定的圆周运动，其角速度ω与运动半径R保持稳定。即：

当F

E·q＝a·m，其中，a＝ω

所以：E·q＝m·ω

则：R＝(q/m)·(E/ω

式(4)中：

q/m为重金属离子的荷质比，ω为重金属离子的运动角速度，E为重金属离子所处位置的电场强度，R为运动半径，为重金属离子与负极中心轴之间的距离，可以作为重金属离子的特征半径；

对于特定的重金属离子，其荷质比q/m是确定的特性常数，如果水溶液做稳定的旋转运动，可以近似认为溶液各部分的运动角速度ω相同。因此，重金属离子的运动半径r取决于电场强度E。当电场均匀，电场强度E接近一致时，特定金属离子的运动半径趋于确定，具有特定的运动半径，可称为该重金属离子的特征半径。不同的重金属离子具有不同的特征半径。

水溶液中，常见的重金属离子包括铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等金属的离子都有不同的荷质比，例如，以离子的电荷数与原子量之比值计算荷质比，Cu

通常的，重金属离子依照其特征半径进行循环流动，或者做圆周运动，考虑到重金属离子为微观粒子，在宏观的运动层面会出现一定的分布几率，例如，通常以特征半径为中心，重金属离子的分布概率接近于正态分布，所以，通常重金属离子富集在特征半径为中心的一定区域内。将富集有重金属离子的水溶液抽取后，得到的水溶液中往往包含有富集的特定重金属离子，可能还有少量的其它金属离子。

相同的重金属离子在其特征半径对应的圆环状区域中逐渐聚集；不同的重金属离子的特征半径与其荷质比直接相关，在不同半径的圆环附近逐渐聚集，共同做圆周运动。在特定半径的环形位置，逐渐收集液体，由此达到金属离子的富集、分离目的。

为了将水溶液中的不同重金属离子完全分离，可以将负极与正极之间的距离扩大，使得水溶液分布在更大的环形通道中，使得重金属离子的富集区间尽量相互分离，不发生重复，可以降低在某种金属离子的特征半径收集区域内收集的水溶液中其他重金属离子的含量。

一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离方法，柱状电极为圆柱形导体。圆柱形电极垂直设置作为负极，正极为圆筒形电极，负极位于圆筒形电极的轴心位置，以便在负极与正极之间形成均匀的环形通道，有利于水溶液在环形通道中稳定循环流动。

另一方面，一些实施例公开了水溶液中重金属离子的分离装置，分离装置包括：

水溶液盛放筒；

负极，设置为柱状电极，设置在水溶液盛放筒中；

搅拌组件，与水溶液盛放筒适配设置，用于搅拌水溶液；

其中，水溶液盛放筒内壁为导电材料，设置为正极。

一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离装置，还包括：

水溶液抽取管道，适配设置在负极与正极之间，用于抽取富集重金属离子的水溶液。

通常，可以将水溶液抽取管道的入口设置在循环通道中的设定位置，以抽取该位置富集的重金属离子水溶液。为了实现重金属离子的分离过程连续进行，还可以设置水溶液输入管道，该输入管道设置安装在水溶液盛放筒的底部区域，例如设置与水溶液盛放筒的侧壁连通，向其中连续输入含有重金属离子的水溶液。通常，可以设置输入水溶液的速度与抽取水溶液的速度一致。

一些实施例中，水溶液抽取管道的设置位置根据重金属离子的特征半径确定，特征半径表达为：

R＝(q/m)·(E/ω

其中，q/m为重金属离子的荷质比，ω为重金属离子的运动角速度，E为重金属离子所处位置的电场强度，R为特征半径，为重金属离子与负极中心轴之间的距离。

通常，水溶液抽取管道的入口设置根据特征半径设置，使得入口位于重金属离子的富集。

一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离装置，水溶液盛放筒的内部设置有同心圆套筒，该同心圆套筒作为正极。

一些实施例公开的水溶液中重金属离子的分离装置，搅拌组件包括：

搅拌叶片，设置在水溶液盛放筒内部，位于负极与正极之间；

搅拌电机，设置在水溶液盛放筒外部，设置与搅拌叶片连接。

一些实施例中，水溶液中重金属离子的分离装置还包括电极安装支座，用于设置负极；需要的情况下还用于设置正极。

一些实施例中，水溶液中重金属离子的分离装置中，水溶液盛放筒包括圆筒形侧壁和圆形底板，圆形底板由绝缘材料制作而成，设置连接在圆筒形侧壁下方将其密封，形成底部密封的圆筒形水溶液盛放筒。

以下结合实施例对技术细节做进一步示例性说明。

实施例1

图1为实施例1公开的水溶液中重金属离子的分离装置组成示意图。

实施例1中，分离装置包括圆筒形的水溶液盛放筒1，其底部设置固结有圆形的底板7，将水溶液盛放筒1的底部封闭，底板7由绝缘材料制作，例如玻璃、陶瓷、塑料等；底板7下方设置有搅拌电机5，底板7上方设置有搅拌叶片4；搅拌叶片4设置为多个，多个搅拌叶片4设置与同一个转动轴连接，搅拌电机5设置与搅拌叶片4的转动轴连接；转动轴位于水溶液盛放筒1的中心轴上；

水溶液盛放筒1中，适配设置有电极安装支座6，电极安装制作位于搅拌叶片4的上方；电极安装支座6采用绝缘材料，具有镂空结构，不影响水溶液在水溶液盛放筒1中的流动和分布。

电极安装支座6的中央区域，设置安装有负极2，负极2为圆柱形导体，其中心轴与水溶液盛放筒中心轴同轴设置；电极安装支座6的边缘区域，设置安装有正极3，正极3为圆筒形导体，套设在负极2上并与负极2同轴设置；负极2与正极3之间形成环形通道，水溶液100放入水溶液盛放筒1中后，分布在环形通道中；搅拌叶片4均匀的分布在环形通道中。

实施例2

图2为实施例2公开的水溶液中重金属离子的分离过程示意图。

实施例2中，利用实施例1公开的分离装置，对水溶液中的重金属离子进行富集、分离；实施例2中，水溶液中包含两种重金属离子，离子A和离子B；对离子A和离子B的分离过程包括：

在负极2与正极3之间形成环形通道，水溶液放入水溶液盛放筒1后，分布在环形通道中，并在在搅拌叶片的搅拌下在环形通道中循环流动；

将负极2与正极3分别与外电源的负极、正极连接，在环形通道中形成从负极2向正极3呈放射状分布的电场；

在环形通道中循环流动的水溶液中的重金属离子在电场作用下，在特定的特征半径形成圆环状富集区；其中，离子A的特征半径为R

在水溶液的循环流动过程中，离子A逐渐以R

离子A和离子B的特征半径，可以根据本文中的式(4)计算；

从R

本发明实施例公开的水溶液中东重金属离子的分离装置，能够将水溶液中的重金属离子富集并从水溶液中分离，富集分离过程利用重金属离子在放射状电场中的运动规律，将重金属离子富集在电场中的特定区域，进而收集特定区域的水溶液，将富集有重金属离子的水溶液从原有水溶液中分离，进而实现了重金属离子的分离，对于不同的重金属离子，可以在不同的特定区域进行收集，实现对多种重金属离子的分离；装置和方法简单，易于操作，能耗低，能够连续作业，在金属混合物分离与检测、重金属污水治理、核废水处理等领域有良好应用前景。

本发明实施例公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本发明的发明构思，并不构成对本发明实施例技术方案的限定，凡是对本发明实施例公开的技术细节所做的常规改变、替换或组合等，都与本发明具有相同的发明构思，都在本发明权利要求的保护范围之内。