一種用於色譜技術的雙極膜酸鹼液體發生裝置的製作方法
2023-05-26 14:35:56
專利名稱：一種用於色譜技術的雙極膜酸鹼液體發生裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於色譜技術的雙極膜酸鹼液體發生裝置，特別是用於離子色譜的自動淋洗液發生裝置，以及離子抑制裝置。
背景技術：
離子色譜作為一種有效的分離和分析技術，其分離機理為淋洗液及待測樣品流入填有離子交換樹脂的分離拄，待測離子形成不同的色譜區帶流出分離拄，如果使用抑制法的離子色譜，色譜柱流出液還要經過抑制器進行本底抑制。但在離子色譜應用中，要隨時保證淋洗液的離子濃度與要求相符，因此實際操作步驟繁瑣。此外在液相色譜使用中，淋洗液的PH值對分析結果的影響也很大，調節流動相PH值的操作也很繁瑣，美國戴安公司已經開發了一種針對離子色譜的淋洗液自動發生裝置(US Patent No. =US 6316270B1)，商品名稱為RFIC-EG。但該裝置採用單膜電解原理，利用水在電極上的電解原理產生氫離子和氫氧根離子，在產生氫離子和氫氧根離子的同時也產生氫氣和氧氣，反映方式成如下，陽極反應為H20-2e = 2H++ + 02T陰極反應為H20+& = 20H+H2個，由於其使用的是單膜電解原理，需採用除氣裝置使流路中發生的氧氣或氫氣排出系統才能使用。而且為了製備像 Na2CO3, NaHCO3這樣的複合組份還需添加一個電解裝置來調節配比。此外國內還有類似的專利進行申請，(專利申請號200810223916)，使用的還是陽極或陰極電解水的原理，其產生氫離子，氫氧根離子的原理與戴安的原理相同，陽極反應為H20-2e = 2H+++02T陰極反應為H20+h = 20H_+H2丨，由於反應原理的限制，其並未根本解決反應系統產生氣體的問題。但其通過巧妙的流路設計使產生的氣體不進入色譜系統中，但以上通過電極電解水有共同的問題就是，1)電極電解水的理論電位O.075V)相對與水的理論分解電壓(0.8WV) 來說相差較大，結果就是消耗較多的能量。電解水能耗為198.5kJ/mol，而雙極膜解離水的能耗為79.9kJ/mol。2)只有在電極上電解產生氫離子和氫氧根離子，重複排布比較複雜。傳統上人們利用水在陰極和陽極上的電解來生成H+和0H—，電解的同時也生成了 O2和H2，此過程中伴隨的過電壓消耗了大約一般的能量，而雙極膜區別於以往的離子交換膜，可以將水直接解離為H+和0H_，同時不會生成氣體，通過適當的組合，可以將鹽轉變成相對應的酸和鹼，該過程同時利用了雙極膜(BPM)和傳統的陽離子交換膜(CEM)，陰離子交換膜(AEM)，其中離子的分離和結合受直流電場驅動力與離子交換膜離子選擇性透過的影響， 因此，利用雙極膜的特點，可以應用於色譜領域，尤其是離子色譜領域的淋洗液產生。如圖 1為雙極膜離解水示意圖。名詞解釋CEL(Cation Exchange Level)陰離子交換層，AEL(AnionExchange Level)陽離子交換層，J水解離界面，Γ代表陰離子，M+代表陽離子。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種結構簡單，發生室內無氣體產生，造價低廉， 使用方便的用於色譜技術的酸鹼液體發生裝置。本發明非常適合作為離子色譜的自動淋洗液發生裝置，解決該技術問題的方法是採用雙極膜(Bipolar Membranes)離解水的原理，在雙極膜上離解水產生H+離子和0H—離子，反應方程式為H2O = Η++0Η—，整個過程不產生氣體， 配合離子交換膜和電場使用，使離子定向遷移至指定部位發生化學反應而配製出設定濃度的酸鹼液體。並且同時能產生純淨的H+和0H_根離子，且酸鹼的濃度可以根據外界電場的變化而改變。一種用於色譜技術的酸鹼液體發生裝置，其原理圖參見圖2，整個系統由陰極 (1)，陰極室(2)，陽離子交換膜(3) (9)，鹽室(4) (10)，陰離子交換膜(5) (11)，酸室(6)，雙極膜(7)，鹼室(8)，陽極室(12)，陽極(13)，縮寫含義:CEM Cation Exchange Membranes, AEM Anion Exchange Membranes, BPM =Bipolar MembranesJ-代表陰離子，M+代表陽離子，MX代表鹽，H2O代表水，HX代表酸， MOH代表鹼，H+代表氫離子，0H—代表氫氧根離子。整個系統工作過程中的反應如下，以產生KOH和H2SO4為例，工作過程中，酸室(6) 和鹼室(8)通入去離子水，鹽室(4) (10)通入高濃度的K2SO4溶液，而電極室通入適合的電解液作為電極液(如K2SO4溶液)，在陰極(1)與陽極( 通電，這樣在整個系統中建立了電場，由於電場力的作用，雙極膜由於其特殊的電解水的原理，水分子在雙極膜中陽膜與陰膜的交界面處解離，分解成H+和0H_離子，而H+移動到酸室(6)，0H_移動到鹼室(8)。同時由於電場力的作用，鹽室⑷中K+通過陽離子交換膜(3)移動到了陰極室(1)，而SO42-通過陰離子交換膜(5)移動到了酸室(6)，與雙極膜電解H2O得到的H+結合，得到了純淨的H2SO4 溶液，同時由於陰離子交換膜(5)和雙極膜(7)的離子選擇性，酸室(6)中的H+不能在電場力作用下移動到鹽室G)，而酸室(6)中的SO/—也不能在電場力作用下通過雙極膜移動到鹼室(8)。同理，由於電場力的作用，鹽室(10)中K+通過陽離子交換膜(9)移動到了鹼室 ⑶與雙極膜電解H2O得到的0H_結結合，得到了純淨的KOH溶液，而S042_通過陰離子交換膜(11)移動到了陽極室(12)，同時由於陰離子交換膜(9)和雙極膜(7)的離子選擇性，鹼室(6)中的OH—不能在電場力作用下移動到鹽室(10)而鹼室⑶中的K+也不能在電場力作用下通過雙極膜移動到酸室(6)，從而在酸室(6)和鹼室(8)中分別得到了純淨的酸和鹼液。通過雙極膜特有的水解離反應，以及電場和離子交換膜共同作用下的離子定向遷移，可以通過純水和鹽共同作用生成純淨的酸和鹼，其反應方程式為H20+MX = ΗΧ+Μ0Η。此外在應用過程中酸室(6)和鹼室(7)還可以不僅僅限於通入純水，而兩個鹽室(4) (10)可以根據需要通入不同的鹽來滿足需要。在針對離子色譜使用過程中，可以使用產生的酸或鹼作為離子色譜的淋洗液攜帶樣品進入色譜柱進行分離，並且可以通過調節外加電場來方便的改變淋洗液的濃度。尤其針對於離子色譜抑制模式下的應用情況，一種有價值的使用方法是，酸室(4) 流出的酸液體作為離子色譜的淋洗液夾帶樣品通過色譜柱分離以後可以回流進鹼室(8)， 並與其產生的0H_離子結合生成水，完成了離子抑制的作用，這樣同一個裝置既可以同時作為淋洗液發生器和淋洗液抑制器使用，而傳統的離子色譜也是將以上的裝置分成兩部分來完成。以上情況對於使用鹼液作為淋洗液的離子色譜也同樣適用，所作的事情只是調換相應流路的順序。這樣簡化了整個離子色譜裝置的複雜性，節約了成本
所以本裝置針對離子色譜可以完成以下的組合使用。1.陽離子淋洗液發生器2.陰離子淋洗液發生器3.陽離子抑制器4.陰離子抑制器5.陽離子淋洗液發生器+陽離子抑制器6.陰離子淋洗液發生器+陰離子抑制器本裝置的核心是雙極膜獨特的水解離特性，在實際的使用中，還可以根據具體的工藝需要增加或減少雙極膜的數量，增加或減少離子交換膜的數量。這樣做可以得到增加酸或鹼的產量，提高離子選擇性等結果，而且還可以在膜之間增加離子交換樹脂來提升裝置在某些領域的應用能力，如作為離子抑制器使用時，含有離子交換填料的裝置抑制能力更高。所以本發明無需採用除氣裝置，即可自動在線為離子色譜配製淋洗液。使離子色譜在運行過程中無需人工配製淋洗液。「只加水」就可連續運行數周，甚至更長時間。本裝置可以使離子色譜操作簡單、易學，數據更加精確可靠。使不同人員、不同地點、不同時間的實驗數據具有高度的重現性和可比性，本發明適用於各種離子色譜技術淋洗液的自動配製，其原理和上述相似。
圖1雙極膜離解水示意圖。
圖2用於色譜技術的雙極膜酸鹼液體發生裝置原理圖。
圖3酸鹼液體發生裝置。
圖4填充式酸鹼液體發生裝置
圖5雙雙極膜酸鹼液體發生裝置
圖6雙極膜酸液發生裝置
圖7雙極膜鹼液發生裝置
具體實施例方式1.酸鹼液體發生裝置，如圖3所示，整個系統由，陰極(1)，陰極室O)，陽離子交換膜(3) (9)，鹽室(4) (10)，陰離子交換膜(5) (11)，酸室(6)，雙極膜(7)，鹼室(8)，陽極室 (12)，陽極(13)等組成，其中陰極室⑵，鹽室(4) (10)，酸室(6)，鹼室(8)，陽極室(12)為長方形，厚度為1mm，體積不大於1ml，材料為聚四氟乙烯，陽極和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為0. 8mm,陰離子交換膜，陽離子交換膜，雙極膜，電極，陰極室，陽極室，鹽室，酸室，鹼室等按圖3的順序放置，外周通過機械夾緊力使其保持密閉性，各個室可以通過預設的入口和出口與外界進行液體交換，在裝置內各室之間由於膜的存在而互不聯通，電極通過鉬絲引出，可以外接電源。2.填充式酸鹼液體發生裝置，由圖4所示，整個系統由，陰極(1)，陰極室O)，陽離子交換膜(3) (9)，鹽室(4) (10)，陰離子交換膜(5) (11)，酸室(6)，雙極膜(7)，鹼室(8)， 陽極室(12)，陽極(13)等組成，其中陰極室⑵，鹽室(4) (10)，酸室(6)，鹼室(8)，陽極室(12)為長方形，厚度為1mm，體積不大於1ml，材料為聚四氟乙烯，陽極和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為0. 8mm,陰離子交換膜，陽離子交換膜，雙極膜，電極，陰極室，陽極室，鹽室， 酸室，鹼室等按圖3的順序放置，外周通過機械夾緊力使其保持密閉性，各個室可以通過預設的入口和出口與外界進行液體交換，在裝置內各室之間由於膜的存在而互不聯通，電極通過鉬絲引出，可以外接電源。除此之外，在各個室中可以選擇性的填充離子交換材料，如離子交換樹脂，離子交換纖維等。本實例中，酸室(6)填料為50um的磺酸基團的陽離子交換樹脂，而鹼室(8)填料為50um的季銨基團的陰離子交換樹脂。3.雙雙極膜酸鹼液體發生裝置，如圖5所示，整個系統由，陰極(1)，陰極室0)， 雙極膜(3) (9)，鹼室(4)，陽離子交換膜(5)，鹽室(6)，陰離子交換膜(7)，酸室(8)，陽極室 (10)，陽極(11)等組成，其中陰極室⑵，鹼室(4)，鹽室(6)，酸室(8)，陽極室(10)均為長方形，厚度為1mm，體積不大於1ml，材料為聚四氟乙烯，陽極和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為0. 8mm,陰離子交換膜，陽離子交換膜，雙極膜，電極，陰極室，陽極室，鹽室，酸室，鹼室等按圖5的順序放置，外周通過機械夾緊力使其保持密閉性，各個室可以通過預設的入口和出口與外界進行液體交換，在裝置內各室之間由於膜的存在而互不聯通，電極通過鉬絲引出，可以外接電源。4.雙極膜酸液發生裝置，如圖6所示，在使用過程中，有時只需要單純的生成酸液，或者生成的酸為弱酸，電導率較低，可以採用以下的模式。整個系統由，陰極(1)，陰極室(2)，雙極膜(3) (7)，鹽室(4)，陰離子交換膜(5)，酸室(6)，陽極室(8)，陽極(9)等組成，其中陰極室⑵，鹽室(4)，酸室(6)，陽極室(8)均為長方形，厚度為1mm，體積不大於lmL，材料為聚四氟乙烯，陽極和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為0. 8mm,陰離子交換膜，雙極膜，電極，陰極室，陽極室，鹽室，酸室等按圖6的順序放置， 外周通過機械夾緊力使其保持密閉性，各個室可以通過預設的入口和出口與外界進行液體交換，在裝置內各室之間由於膜的存在而互不聯通，電極通過鉬絲引出，可以外接電源。5.雙極膜鹼液發生裝置，如圖7所示，在使用過程中，有時只需要單純的生成鹼液，或者生成的鹼為弱鹼，電導率較低，可以採用以下的模式。整個系統由，陰極(1)，陰極室(2)，雙極膜(3) (7)，鹼室(4)，陽離子交換膜(5)，鹽室(6)，陽極室(8)，陽極(9)等組成，其中陰極室⑵，鹼室(4)，鹽室(6)，陽極室(8)均為長方形，厚度為1mm，體積不大於lmL，材料為聚四氟乙烯，陽極和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為0. 8mm,陽離子交換膜，雙極膜，電極，陰極室，陽極室，鹽室，鹼室等按圖7的順序放置， 外周通過機械夾緊力使其保持密閉性，各個室可以通過預設的入口和出口與外界進行液體交換，在裝置內各室之間由於膜的存在而互不聯通，電極通過鉬絲引出，可以外接電源。
權利要求
1.一種用於色譜技術的雙極膜酸鹼液體發生裝置其特點在於引入了雙極膜電解水產生的H+和0H—離子來改變溶液中的H+和0H—離子濃度，其反應方程式為H2O = Η++0Η—，而不是以往採用的電極電解水，其陽極反應為H20-2e = 2H++ + 02T陰極反應為=H2OMe = 20Η>Η2 個。
2.根據權利要求1所述的裝置可由如下部分組成，陰極(1)，陰極室(2)，陽離子交換膜(3) (9)，鹽室(4) (10)，陰離子交換膜(5) (11)，酸室(6)，雙極膜(7)，鹼室(8)，陽極室 (12)，陽極(13)，且可由以上各部分增減構成特殊的應用裝置。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中各個室中可以根據實際需要填充離子交換材料， 或者其它類型的色譜填料，外形特徵為長，寬，高中有一維度小於1mm。
4.根據權利要求1所述的裝置，根據需要可以增加雙極膜和離子交換膜的數量和排列順序，以達到增加酸鹼溶液的產生效率，和提高酸鹼溶液的純度目的。
5.根據權利要求1所述的裝置，本系統可以使用多個重複雙極膜單元順序排列在兩組電極之間，以達到提高酸鹼溶液產量的目的，而不需要增加額外的電極。
6.根據權利要求1所述的裝置，本系統可以應用於色譜分離領域，用以調節溶液的PH 值，尤其適用於離子色譜的分離與分析領域，特別是作為自動淋洗液發生器，或者離子抑制直ο
7.一種用於色譜技術的雙極膜酸鹼液體發生裝置可以通過以下方法使用，可以從酸室流出的液體經過色譜柱然後在流入鹼室，進行離子抑制，或者從鹼室流出的液體經過色譜柱然後流入鹼室，進行離子抑制，一個裝置同時充當淋洗液發生器和離子抑制器使用。
全文摘要
一種用於色譜技術的雙極膜酸鹼液體發生裝置。本發明採用雙極膜(Bipolar Membranes)離解水的原理，在雙極膜上離解水產生H+離子和OH-離子，反應方程式為H2O＝H++OH-，配合離子交換膜和電場使用，使離子定向遷移至指定部位發生化學反應而配製出設定濃度的酸鹼液體。配合陽離子交換膜，陰離子交換膜使用，本系統能產生純淨的H+和OH-根離子，且酸鹼的濃度可以根據外界電場的變化而改變，本發明特別適用於離子色譜領域使用。
文檔編號C25B1/10GK102234813SQ20101015670
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月27日 優先權日2010年4月27日
發明者張晨光 申請人:張晨光