專利名稱：一種用于色譜技術(shù)的雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉 及一種用于色譜技術(shù)的雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置，特別是用于離子色 譜的自動(dòng)淋洗液發(fā)生裝置，以及離子抑制裝置。
技術(shù)背景離子色譜作為一種有效的分離和分析技術(shù)，其分離機(jī)理為淋洗液及待測(cè)樣 品流入填有離子交換樹(shù)脂的分離拄，待測(cè)離子形成不同的色譜區(qū)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(jīng)過(guò)抑制器進(jìn)行本底抑制。但在離子色譜應(yīng) 用中，要隨時(shí)保證淋洗液的離子濃度與要求相符，因此實(shí)際操作步驟繁瑣。此外在液 相色譜使用中，淋洗液的PH值對(duì)分析結(jié)果的影響也很大，調(diào)節(jié)流動(dòng)相PH值的操作也 很繁瑣，美國(guó)戴安公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)離子色譜的淋洗液自動(dòng)發(fā)生裝置(USPatent No. US 6316270B1),商品名稱為RFIOEG。但該裝置采用單膜電解原理，利用水 在電極上的電解原理產(chǎn)生氫離子和氫氧根離子，在產(chǎn)生氫離子和氫氧根離子的同時(shí)也產(chǎn) 生氫氣和氧氣，反映方式成如下，陽(yáng)極反應(yīng)為H2O-26 = 211++|02個(gè)陰極反應(yīng)為 H20+2e = 20H_+H2丨，由于其使用的是單膜電解原理，需采用除氣裝置使流路中發(fā)生的 氧氣或氫氣排出系統(tǒng)才能使用。而且為了制備像Na2CO3, NaHCO3這樣的復(fù)合組份還 需添加一個(gè)電解裝置來(lái)調(diào)節(jié)配比。此外國(guó)內(nèi)還有類似的專利進(jìn)行申請(qǐng)，(專利申請(qǐng)?zhí)?200810223916),使用的還是陽(yáng)極或陰極電解水的原理，其產(chǎn)生氫離子，氫氧根離子的 原理與戴安的原理相同，陽(yáng)極反應(yīng)為H2O-2e = 2H++j02個(gè)陰極反應(yīng)為H20+2e = 20H_ + H2丨，由于反應(yīng)原理的限制，其并未根本解決反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生氣體的問(wèn)題。但其 通過(guò)巧妙的流路設(shè)計(jì)使產(chǎn)生的氣體不進(jìn)入色譜系統(tǒng)中，但以上通過(guò)電極電解水有共同的 問(wèn)題就是，1)電極電解水的理論電位(2.075V)相對(duì)與水的理論分解電壓(0.828V)來(lái)說(shuō)相 差較大，結(jié)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(chǎn)生氫離子和氫氧根離子，重復(fù)排布比較復(fù)雜。傳統(tǒng)上人們利用水在陰極和陽(yáng)極上的電解來(lái)生成H+和OH—，電解的同時(shí)也生成 了 02和壓，此過(guò)程中伴隨的過(guò)電壓消耗了大約一般的能量，而雙極膜區(qū)別于以往的離 子交換膜，可以將水直接解離為H+和OH—，同時(shí)不會(huì)生成氣體，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合，可以 將鹽轉(zhuǎn)變成相對(duì)應(yīng)的酸和堿，該過(guò)程同時(shí)利用了雙極膜(BPM)和傳統(tǒng)的陽(yáng)離子交換膜 (CEM)，陰離子交換膜(AEM)，其中離子的分離和結(jié)合受直流電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力與離子交換膜 離子選擇性透過(guò)的影響，因此，利用雙極膜的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于色譜領(lǐng)域，尤其是離子 色譜領(lǐng)域的淋洗液產(chǎn)生。如圖1為雙極膜離解水示意圖。名詞解釋CEL(Cation Exchange Level)陽(yáng)離子交換層，AEL (Anion Exchange Level)陰離子交換層，J水解離界面，X—代表陰離子，M+代表陽(yáng)離子。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)生室內(nèi)無(wú)氣體產(chǎn)生，造價(jià)低廉，使用方便的用于色譜技術(shù)的酸堿液體發(fā)生裝置。本發(fā)明非常適合作為離子色譜的自動(dòng)淋洗液發(fā)生裝置，解決該技術(shù)問(wèn)題的方法是采用雙極膜(Bipolar Membranes)離解水的 原理，在雙極膜上離解水產(chǎn)生H+離子和0H_離子，反應(yīng)方程式為H2O = ΙΤ+0Η_，整個(gè) 過(guò)程不產(chǎn)生氣體，配合離子交換膜和電場(chǎng)使用，使離子定向遷移至指定部位發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)而配制出設(shè)定濃度的酸堿液體。并且同時(shí)能產(chǎn)生純凈的H+和0Η_根離子，且酸堿的 濃度可以根據(jù)外界電場(chǎng)的變化而改變。一種用于色譜技術(shù)的雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置，包括，陰極(1)，陰極室(2)， 陽(yáng)離子交換膜(3a)、(3b)，鹽室(4a)、(4b)，陰離子交換膜(5a)、(5b)，酸室(6)，雙 極膜(7)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)，其特征在于雙極膜(7)置于陰極(1)與陽(yáng) 極(13)之間，在實(shí)際使用中。1.可以增加雙極膜和離子交換膜的數(shù)量和排列順序。2.在陰極室(2)，鹽室(4a)、(4b)，酸室(6)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)，中可以 填充離子交換材料或者色譜填料。3.可以使用多個(gè)重復(fù)雙極膜單元順序排列在兩組電極之間。一種用于色譜技術(shù)的酸堿液體發(fā)生裝置，其原理圖參見(jiàn)圖2，整個(gè)系統(tǒng)由陰極 (1)，陰極室(2)，陽(yáng)離子交換膜(3a)、(3b)，鹽室(4a)、(4b)，陰離子交換膜(5a)、 (5b)，酸室(6)，雙極膜(7)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)，縮寫含義CEM:Cation Exchange Membranes (陽(yáng)離子交換膜)，AEM Anion ExchangeMembranes (陰離子交換膜)，BPM Bipolar Membranes (雙極膜)，X^ 代表陰 離子，M+代表陽(yáng)離子，MX代表鹽，H2O代表水，HX代表酸，MOH代表堿，H+代表 氫離子，OH—代表氫氧根離子。整個(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程中的反應(yīng)如下，以產(chǎn)生KOH和H2SO4為例，工作過(guò)程中，酸 室(6)和堿室(8)通入去離子水，鹽室(4a) (4b)通入高濃度的K2SO4溶液，而陰極室(2) 和陽(yáng)極室(12)通入適合的電解液作為電極液(如K2SO4溶液)，在陰極⑴與陽(yáng)極(13)通 電，這樣在整個(gè)系統(tǒng)中建立了電場(chǎng)，由于電場(chǎng)力的作用，雙極膜由于其特殊的電解水的 原理，水分子在雙極膜中陽(yáng)膜與陰膜的交界面處解離，分解成H+和0H—離子，而H+移動(dòng) 到酸室(6)，0H—移動(dòng)到堿室(8)。同時(shí)由于電場(chǎng)力的作用，鹽室(4a)中K+通過(guò)陽(yáng)離子 交換膜(3a)移動(dòng)到了陰極室(2)，而SO/—通過(guò)陰離子交換膜(5a)移動(dòng)到了酸室(6)，與 雙極膜電解H2O得到的H+結(jié)合，得到了純凈的H2SO4溶液，同時(shí)由于陰離子交換膜(5a) 和雙極膜(7)的離子選擇性，酸室(6)中的H+不能在電場(chǎng)力作用下移動(dòng)到鹽室(4a)，而 酸室(6)中的8042_也不能在電場(chǎng)力作用下通過(guò)雙極膜移動(dòng)到堿室(8)。同理，由于電場(chǎng) 力的作用，鹽室(4b)中K+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜(3b)移動(dòng)到了堿室(8)與雙極膜電解H2O 得到的0H—結(jié)結(jié)合，得到了純凈的KOH溶液，而SO/—通過(guò)陰離子交換膜(5b)移動(dòng)到 了陽(yáng)極室(12)，同時(shí)由于陰離子交換膜(3b)和雙極膜(7)的離子選擇性，堿室(8)中的 0H—不能在電場(chǎng)力作用下移動(dòng)到鹽室(4b)而堿室(8)中的K+也不能在電場(chǎng)力作用下通過(guò) 雙極膜移動(dòng)到酸室(6)，從而在酸室(6)和堿室(8)中分別得到了純凈的酸和堿液。通過(guò)雙極膜特有的水解離反應(yīng)，以及電場(chǎng)和離子交換膜共同作用下的離子定 向遷移，可以通過(guò)純水和鹽共同作用生成純凈的酸和堿，其反應(yīng)方程式SH2CHMX = HX+M0H。此外在應(yīng)用過(guò)程中酸室(6)和堿室(8)還可以不僅僅限于通入純水，而兩個(gè)鹽室(4a)、(4b)可以根據(jù)需要通入不同的鹽來(lái)滿足需要。在針對(duì)離子色譜使用過(guò)程中，可以使用產(chǎn)生的酸或堿作為離子色譜的淋洗液攜帶樣品進(jìn)入色譜柱進(jìn)行分離，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)外加電場(chǎng)來(lái)方便的改變淋洗液的濃度。尤其針對(duì)于離子色譜抑制模式下的應(yīng)用情況，一種有價(jià)值的使用方法是，酸室 (6)流出的酸液體作為離子色譜的淋洗液夾帶樣品通過(guò)色譜柱分離以后可以回流進(jìn)堿室 (8)，并與其產(chǎn)生的OH_離子結(jié)合生成水，完成了離子抑制的作用，這樣同一個(gè)裝置既可 以同時(shí)作為淋洗液發(fā)生器和淋洗液抑制器使用，而傳統(tǒng)的離子色譜也是將以上的裝置分 成兩部分來(lái)完成。以上情況對(duì)于使用堿液作為淋洗液的離子色譜也同樣適用，所作的事情只是調(diào) 換相應(yīng)流路的順序。這樣簡(jiǎn)化了整個(gè)離子色譜裝置的復(fù)雜性，節(jié)約了成本所以本裝置針對(duì)離子色譜可以完成以下的組合使用。1.陽(yáng)離子淋洗液發(fā)生器2.陰離子淋洗液發(fā)生器3.陽(yáng)離子抑制器4.陰離子抑制器5.陽(yáng)離子淋洗液發(fā)生器+陽(yáng)離子抑制器6.陰離子淋洗液發(fā)生器+陰離子抑制器本裝置的核心是雙極膜獨(dú)特的水解離特性，在實(shí)際的使用中，還可以根據(jù)具體 的工藝需要增加或減少雙極膜的數(shù)量，增加或減少離子交換膜的數(shù)量。這樣做可以得到 增加酸或堿的產(chǎn)量，提高離子選擇性等結(jié)果，而且還可以在膜之間增加離子交換樹(shù)脂來(lái) 提升裝置在某些領(lǐng)域的應(yīng)用能力，如作為離子抑制器使用時(shí)，含有離子交換填料的裝置 抑制能力更高。所以本發(fā)明無(wú)需采用除氣裝置，即可自動(dòng)在線為離子色譜配制淋洗液。使離子 色譜在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需人工配制淋洗液?！爸患铀本涂蛇B續(xù)運(yùn)行數(shù)周，甚至更長(zhǎng)時(shí) 間。本裝置可以使離子色譜操作簡(jiǎn)單、易學(xué)，數(shù)據(jù)更加精確可靠。使不同人員、不同地 點(diǎn)、不同時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有高度的重現(xiàn)性和可比性，本發(fā)明適用于各種離子色譜技術(shù) 淋洗液的自動(dòng)配制，其原理和上述相似。

圖1 :雙極膜離解水分解示意圖。圖2 用于色譜技術(shù)的雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置原理圖分解示意圖。圖3:酸堿液體發(fā)生裝置的分解示意圖。圖4:填充式酸堿液體發(fā)生裝置的分解示意圖。圖5 雙雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置的分解示意圖。圖6 雙極膜酸液發(fā)生裝置的分解示意圖。圖7 雙極膜堿液發(fā)生裝置的分解示意圖。
具體實(shí)施方式
1.酸堿液體發(fā)生裝置，如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由，陰極(1)，陰極室(2)，陽(yáng)離子交換膜(3a)、(3b)，鹽室(4a)、(4b)，陰離子交換膜(5a)、(5b)，酸室(6)，雙極膜
(7)，堿室(8)，陽(yáng) 極室(12)，陽(yáng)極(13)等組成，其中陰極室(2)，鹽室(4a)、(4b)，酸 室(6)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)為長(zhǎng)方形，厚度為1mm，體積不大于lml，材料為聚四氟 乙烯，陽(yáng)極和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為0.8mm，陰極(1)，陰極室(2)，陽(yáng)離子交 換膜(3a)、(3b)，鹽室(4a)、(4b)，陰離子交換膜(5a)、(5b)，酸室(6)，雙極膜(7)， 堿室(8)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)等按圖3的順序放置，外周通過(guò)機(jī)械夾緊力使其保持 密閉性，各個(gè)室可以通過(guò)預(yù)設(shè)的入口和出口與外界進(jìn)行液體交換，在裝置內(nèi)各室之間由 于膜的存在而互不聯(lián)通，電極通過(guò)鉬絲引出，可以外接電源。2.填充式酸堿液體發(fā)生裝置，由圖4所示，整個(gè)系統(tǒng)由，陰極(1)，陰極室 (2)，陽(yáng)離子交換膜(3a)、(3b)，鹽室(4a)、(4b)，陰離子交換膜(5a)、(5b)，酸室 (6)，雙極膜(7)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)，離子交換材料(50)，等組成， 其中陰極室(2)，鹽室(4a)、(4b)，酸室(6)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)為長(zhǎng)方形，厚度 為1mm，體積不大于lml，材料為聚四氟乙烯，陽(yáng)極和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為 0.8mm,陰極(1)，陰極室(2)，陽(yáng)離子交換膜(3a)、(3b)，鹽室(4a)、(4b)，陰離子交 換膜(5a)、(5b)，酸室(6)，雙極膜(7)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)等按圖4的 順序放置，外周通過(guò)機(jī)械夾緊力使其保持密閉性，各個(gè)室可以通過(guò)預(yù)設(shè)的入口和出口與 外界進(jìn)行液體交換，在裝置內(nèi)各室之間由于膜的存在而互不聯(lián)通，電極通過(guò)鉬絲引出， 可以外接電源。除此之外，在各個(gè)室中可以選擇性的填充離子交換材料，如離子交換樹(shù)脂，離 子交換纖維等。本實(shí)例中，酸室(6)填料為50um的磺酸基團(tuán)的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，而堿室
(8)填料為50um的季銨基團(tuán)的陰離子交換樹(shù)脂。3.雙雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置，如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)由，陰極(1)，陰極室 (2)，雙極膜(7)，堿室(8)，陽(yáng)離子交換膜(3a)，鹽室(4b)，陰離子交換膜(5b)，酸 室(6)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)等組成，其中陰極室(2)，堿室(8)，鹽室(4b)，酸室 (6)，陽(yáng)極室(12)均為長(zhǎng)方形，厚度為1mm，體積不大于lml，材料為聚四氟乙烯，陽(yáng)極 和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為0.8mm，陽(yáng)離子交換膜(3a)，陰離子交換膜(5b)，雙 極膜(7)，陰極(1)，陽(yáng)極(13)，陰極室(2)，陽(yáng)極室(12)，鹽室(4b)，酸室(6)，堿室 (8)等按圖5的順序放置，外周通過(guò)機(jī)械夾緊力使其保持密閉性，各個(gè)室可以通過(guò)預(yù)設(shè)的 入口和出口與外界進(jìn)行液體交換，在裝置內(nèi)各室之間由于膜的存在而互不聯(lián)通，電極通 過(guò)鉬絲引出，可以外接電源。4.雙極膜酸液發(fā)生裝置，如圖6所示，在使用過(guò)程中，有時(shí)只需要單純的生成酸 液，或者生成的酸為弱酸，電導(dǎo)率較低，可以采用以下的模式。整個(gè)系統(tǒng)由，陰極(1)，陰極室(2)，雙極膜(7)，鹽室(4a)，陰離子交換膜 (5a),酸室(6)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)等組成，其中陰極室(2)，鹽室(4a)，酸室 (6)，陽(yáng)極室(12)均為長(zhǎng)方形，厚度為1mm，體積不大于lmL，材料為聚四氟乙烯， 陽(yáng)極和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為0.8mm，陰離子交換膜(5a)，雙極膜(7)，陰極 (1)，陽(yáng)極(13)，陰極室(2)，陽(yáng)極室(13)，鹽室(4a)，酸室(6)等按圖6的順序放置， 外周通過(guò)機(jī)械夾緊力使其保持密閉性，各個(gè)室可以通過(guò)預(yù)設(shè)的入口和出口與外界進(jìn)行液 體交換，在裝置內(nèi)各室之間由于膜的存在而互不聯(lián)通，電極通過(guò)鉬絲引出，可以外接電源。5.雙極膜堿液發(fā)生裝置，如圖7所示，在使用過(guò)程中，有時(shí)只需要單純的生成堿液，或者生成的堿為弱堿，電導(dǎo)率較低，可以采用以下的模式。整個(gè)系統(tǒng)由，陰極(1)，陰極室(2)，雙極膜(7)，堿室(8)，陽(yáng)離子交換膜(3a),鹽室(4b)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)等組成，其中陰極室(2)，堿室(8)，鹽室 (4b)，陽(yáng)極室(12)均為長(zhǎng)方形，厚度為1mm，體積不大于lmL，材料為聚四氟乙烯， 陽(yáng)極和陰極材料均是鈦板，鈦板厚度為0.8mm，陽(yáng)離子交換膜(3a)，雙極膜(7)，陰極 (1)，陽(yáng)極(13)，陰極室(2)，陽(yáng)極室(12)，鹽室(4b)，堿室⑶等按圖7的順序放置， 外周通過(guò)機(jī)械夾緊力使其保持密閉性，各個(gè)室可以通過(guò)預(yù)設(shè)的入口和出口與外界進(jìn)行液 體交換，在裝置內(nèi)各室之間由于膜的存在而互不聯(lián)通，電極通過(guò)鉬絲引出，可以外接電 源。
權(quán)利要求1.一種用于色譜技術(shù)的雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置，包括，陰極(1)，陰極室(2)，陽(yáng) 離子交換膜(3a)、(3b)，鹽室(4a)、(4b)，陰離子交換膜(5a)、(5b)，酸室(6)，雙極 膜(7)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)，其特征在于雙極膜(7)置于陰極(1)與陽(yáng)極 (13)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于色譜技術(shù)的雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置，其特征在于 可以增加雙極膜和離子交換膜的數(shù)量和排列順序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于色譜技術(shù)的雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置，其特征在于 陰極室(2)，鹽室(4a)、(4b)，酸室(6)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)，中可以填充離子交換 材料或者色譜填料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于色譜技術(shù)的雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置，其特征在于 可以使用多個(gè)重復(fù)雙極膜單元順序排列在兩組電極之間。
專利摘要一種用于色譜技術(shù)的雙極膜酸堿液體發(fā)生裝置,包括，陰極(1)，陰極室(2)，陽(yáng)離子交換膜(3a)、(3b)，鹽室(4a)、(4b)，陰離子交換膜(5a)、(5b)，酸室(6)，雙極膜(7)，堿室(8)，陽(yáng)極室(12)，陽(yáng)極(13)，其特征在于雙極膜(7)置于陰極(1)與陽(yáng)極(13)之間。本實(shí)用新型采用雙極膜(Bipolar Membranes)離解水的原理，在雙極膜上離解水產(chǎn)生H+離子和OH-離子，反應(yīng)方程式為H2O＝H++OH-，配合離子交換膜和電場(chǎng)使用，使離子定向遷移至指定部位發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而配制出設(shè)定濃度的酸堿液體。配合陽(yáng)離子交換膜，陰離子交換膜使用，本系統(tǒng)能產(chǎn)生純凈的H+和OH-根離子，且酸堿的濃度可以根據(jù)外界電場(chǎng)的變化而改變，本實(shí)用新型特別適用于離子色譜領(lǐng)域使用。
文檔編號(hào)G01N30/34GK201793755SQ20102017144
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者張晨光 申請(qǐng)人:張晨光