一种金属元素分离纯化的装置及其分离方法和应用

1.本发明涉及分析化学领域，具体涉及一种金属元素分离纯化的装置及其分离方法和应用。


背景技术：

2.在地质过程和生物过程中，非传统金属稳定同位素(钾、钙、铁、铜)是一种新兴的示踪手段。
3.钾和钙是自然界中重要的主量元素，在不同地质体和生物体中大量赋存，并在生物地球化学过程中有着重要作用。钾在自然界中有
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k和
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k两种稳定同位素，而钙有
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ca、
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ca、
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ca、
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ca、
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ca及
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ca 6个稳定同位素。由于测量精度的限制，高精度钾和钙同位素测量在近年来才随着多接收电感耦合等离子体质谱技术发展而逐渐常规化。钾、钙同位素是新兴的非传统稳定同位素。自然界中钾钙同位素均具有显著的分馏现象。钾稳定同位素在示踪地表风化作用，高温热液蚀变，以及全球元素循环具有重大潜力，而钙同位素不仅在地质过程，在人体健康，疾病监测等方面也有很多应用。钾钙同位素作为一种新的地球化学示踪手段，为揭示各类地质作用、生物地球化学过程提供了新的证据。
4.铁和铜则是自然界重要的金属成矿元素，在自然界中广泛存在。铁具有
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fe、
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fe、
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fe和
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fe四个稳定同位素，而铜在自然界中具有
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cu和
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cu两个稳定同位素。在自然过程中，铁和铜同位素均存在显著的同位素分馏，在示踪重金属环境污染、成矿作用以及生物利用等过程具有重要的应用，为揭示生物地球化学循环提供了新的证据。
5.自然界样品具有复杂的元素组分，采用多接收等离子体质谱仪测量时会存在一系列的元素干扰，从而使测量难以保证准确度和精度，因此，通过化学纯化将各个元素分离对样品的同位素测量十分重要。一般而言，目标元素不完全的化学纯化过程会导致同位素的分馏，从而造成样品同位素测量的不准确。目前，在非传统稳定同位素的化学纯化过程中，具有用酸量大、过程复杂、人力消耗大等难点。在目标元素与杂质元素的分离的过程中，通常是人工手动添加酸溶液进行元素洗脱。由于流程时间较长，并且化学纯化过程往往应用多种不同种类的酸，经常会出现人力消耗大和人为失误及效率低下等问题。因此，建立一种高效、快速的、能自动切换不同酸种类的金属元素分离纯化的装置非常有必要。


技术实现要素：

6.为此，本发明提供一种金属元素分离纯化的装置及其分离方法和应用，以解决现有金属元素化学提纯用酸量大、过程复杂和效率低下等问题。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.根据本发明的第一方面提供一种金属分离纯化的装置，包括：
9.承接瓶输送带、废液承接瓶、第一样品承接瓶、第二样品承接瓶、水平架面、色谱柱、软管、支撑架、第一试剂瓶、第二试剂瓶；
10.其中，第一试剂瓶、第二试剂瓶分别固定于支撑架上；
11.第一试剂瓶、第二试剂瓶分别通过软管与色谱柱相连；
12.承接瓶输送带上依次放置废液承接瓶、第一样品承接瓶、以及第二样品承接瓶，并将废液承接瓶对齐色谱柱的底部。
13.进一步的，所述水平架面上有柱孔位，色谱柱安置于柱孔位上。
14.进一步的，所述软管上有流速调节器，流速调节器调节液体的流动速度。
15.进一步的，所述第一试剂瓶上有第一进气管、第二试剂瓶有第二进气管，分别用于第一试剂瓶和第二试剂瓶的换气，保证液体的流动。
16.进一步的，所述装置还包括竖直挡板和水平底板，竖直挡板竖直固定连接于水平底板上，支撑架固定于竖直挡板上。
17.根据本发明的第二方面提供利用上述装置分离金属离子的方法，包括：
18.步骤一，向色谱柱内注入样品；
19.步骤二，在第一试剂瓶和第二试剂瓶内分别盛放第一试剂和第二试剂；连接好第一进气管、第二进气管、以及软管；并将软管底部输液口放入色谱柱内部；
20.步骤三，打开流速调节器，使第一试剂瓶内液体注入色谱柱中，洗脱吸附在色谱柱的杂质元素，待杂质元素洗脱后，进行下一步的洗脱；
21.步骤四，洗脱第一种元素，通过承接瓶输送带的传送作用，使第一样品承接瓶与色谱柱底部对齐，第一种元素洗脱液均输入至第一样品承接瓶中；
22.步骤五，洗脱第二元素，通过承接瓶输送带的传送作用，使第二样品承接瓶与色谱柱底部对齐，将第二元素洗脱液均输入至第二样品承接瓶中，完成洗脱。
23.进一步的，所述色谱柱内的pfa塑料管内填充ag 50w-x12阳离子交换树脂，粒径为200～400目；
24.和/或，所述色谱柱内的pfa塑料管内填充树脂填充体积为2.3ml；
25.和/或，所述色谱柱内的pfa塑料管内填充树脂，所述树脂用超纯水和稀硝酸浸泡清洗后，并利用2mol/l盐酸 0.1mol/l氢氟酸平衡树脂环境。
26.进一步的，所述第一试剂瓶中的试剂为5～7ml的2mol/l的盐酸 0.1mol/l的氢氟酸；
27.和/或，所述第二试剂瓶中试剂为35～37ml的2mol/l的盐酸。
28.根据本发明的第三方面提供的利用上述装置或上述方法分离钙钾离子或分离铁铜离子；能够在同一色谱柱内实现钾元素和钙元素的纯化或分离铁铜离子。
29.根据本发明的第四方面提供的利用上述装置或上述方法分离金属元素；也就是说本发明举了两个实施例是针对钾钙离子或分离铁铜离子，但是对于其他的自然界存在的金属元素均可利用本发明的装置进行分离，只要选择合适的色谱柱以及对应的洗脱试剂即可达到分离的目的。
30.钾钙元素分离原理：
31.由于元素的离子价数以及水合离子半径不同，导致离子在树脂上的交换能力也不同，因此，不同离子具有不同的洗脱顺序；采用2mol/l hcl(盐酸) 0.1mol/l hf(氢氟酸)及2mol/l hcl(盐酸)可以优先将杂质离子(如同样是主量元素的na、al、mg)洗脱出来，而不影响钾元素和钙元素；在2mol/l hcl(盐酸)的洗脱液下，钾元素和钙元素的淋洗曲线不重复，可以先后被洗脱出来，而不相互干扰。
32.铁铜元素分离原理：
33.利用阴离子树脂将铁、铜元素在盐酸条件下形成的阴离子络合物吸附，再根据铁离子和铜离子的淋洗顺序不同，利用不同浓度的盐酸进行洗脱。铁离子在低浓度的盐酸淋洗液(0.5～2mol/l)下即可洗脱，而铜离子则需要较高浓度的盐酸淋洗液(6～8mol/l)进行洗脱，因此本实施例中，采取最佳浓度2mol/l及7mol/l的盐酸溶液进行洗脱。
34.本发明具有如下优点：
35.本发明的一种金属元素同时分离纯化的装置，其能够在同一色谱柱内实现不同元素的纯化，高效快捷，以解决上述现有元素提纯处理时存在的效率低、人力消耗大等问题。
36.本发明水平架面上设有多个柱孔位可以同时放置多根色谱柱，能够同时进行多个样品的提纯操作，提高工作效率；利用第一进气管和第二进气管的设计，可以实现不同试剂的自动切换，减少人力消耗，克服了手动加试剂的操作复杂、效率低等问题；利用相同种类和浓度的洗脱液进行元素的分离，可先后完全洗脱钾、钙等元素，实现化学纯化；减少了酸的更换及可能存在的污染，简化了操作流程，大大提高工作效率。
37.本发明提出的金属元素同时分离纯化的装置，结构新颖合理，简化了同位素测试的预处理过程，极大提高预处理效率，降低运行成本和人力成本，实用性极强。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
39.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
40.图1为本发明实施例1提供的一种金属元素分离纯化的装置图；
41.图中，1-竖直挡板；2-水平底板；3-承接瓶输送带；4-废液承接瓶；5-第一样品承接瓶；6-第二样品承接瓶；7-水平架面；8-柱孔位；9-色谱柱；10-塞板；11-流速调节器；12-软管；13-第一进气管；14-第二进气管；15-支撑架；16-第一试剂瓶；17-第二试剂瓶。
具体实施方式
42.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.实施例1
44.本实施例提供一种如图1所示的金属元素分离装置。
45.装置：承接瓶输送带3、废液承接瓶4、第一样品承接瓶5、第二样品承接瓶6、水平架面7、色谱柱9、软管12、支撑架15、第一试剂瓶16、第二试剂瓶17；
46.其中，第一试剂瓶16、第二试剂瓶17分别固定于支撑架15上；
47.第一试剂瓶16、第二试剂瓶17分别通过软管12与色谱柱9相连；
48.承接瓶输送带3上依次放置废液承接瓶4、第一样品承接瓶5、以及第二样品承接瓶6，并将废液承接瓶4对齐色谱柱9的底部。
49.优选的，所述水平架面7上有柱孔位8，色谱柱9安置于柱孔位8上。
50.优选的，所述软管12上有流速调节器11，流速调节器11调节液体的流动速度。
51.优选的，所述第一试剂瓶16上有第一进气管13、第二试剂瓶17有第二进气管14，分别用于第一试剂瓶16和第二试剂瓶17的换气，保证液体的流动。
52.优选的，所述装置还包括竖直挡板1和水平底板2，竖直挡板1竖直固定连接于水平底板2上，支撑架15固定于竖直挡板1上。
53.实施例2
54.本实施例提出一种钾和钙元素同时分离纯化的方法，同时避免杂质元素对钾、钙元素纯化过程有所影响，基于实施例1装置同时分离钾和钙元素，主要包括如下步骤：
55.步骤1、将色谱柱9安置于柱孔位8中；色谱柱9的pfa塑料管内填充ag 50w-x12阳离子交换树脂，粒径为200～400目，树脂填充体积为2.3ml；且该树脂用超纯水和稀硝酸浸泡清洗后，以及利用2mol/l hcl(盐酸) 0.1mol/l hf(氢氟酸)平衡树脂环境，为后续纯化过程提供酸性环境，并填充到色谱柱9的pfa塑料管内；同时，在承接瓶输送带3上依次放置废液承接瓶4、第一样品承接瓶5、以及第二样品承接瓶6，并将废液承接瓶4对齐色谱柱9底部；
56.步骤2、向色谱柱9内注入0.2ml的样品；
57.步骤3、在第一试剂瓶16和第二试剂瓶17内分别盛放第一试剂和第二试剂，第一试剂为5～7ml的2mol/l hcl(盐酸) 0.1mol/l hf(氢氟酸)、第二试剂为35～37ml 2mol/l hcl(盐酸)；
58.步骤4、连接好第一进气管13、第二进气管14、以及软管12，并将软管12底部输液口放入色谱柱9内部；
59.步骤5、打开流速调节器，使第一试剂瓶16内液体注入色谱柱9中，以洗脱吸附在色谱柱9的杂质元素ti、al、fe，待第一试剂瓶16内液体流尽时，由于第二进气管14连通大气，第二试剂瓶17的液体自动注入色谱柱9，达成自动更换试剂目的；
60.步骤6、待到第二试剂瓶17中液体流出5～6ml时，此时杂质元素na、mg被洗脱进入废液承接瓶4中；通过承接瓶输送带3的传送作用，使第一样品承接瓶5与色谱柱9底部对齐；此时试剂2mol/l hcl(盐酸)将洗脱色谱柱9内吸附的钾元素，并将洗脱液均输入至第一样品承接瓶5中；
61.步骤7、待到第二试剂瓶17中液体流出16～17ml时，通过承接瓶输送带3的传送作用，使第二样品承接瓶6与色谱柱9底部对齐；此时试剂2mol/l hcl(盐酸)将洗脱色谱柱9内吸附的钙元素，并将洗脱液均输入至第二样品承接瓶6中，以达到样品中钾钙元素分别进行分离提纯的目的。
62.实施例3
63.本实施例利用实施例1的装置，洗脱分离铁和铜元素的方法为：
64.步骤1、将色谱柱9安置于柱孔位8中；色谱柱9的pfa塑料管内填充ag mp-1m阴离子交换树脂，粒径为100～200目，树脂填充体积为1.6ml～3ml；且该树脂用超纯水和稀硝酸浸
泡清洗后，以及利用9ml 7mol/l hcl(盐酸) 0.001％h2o2(过氧化氢)平衡树脂环境，为后续纯化过程提供酸性环境，并填充到色谱柱9的pfa塑料管内；同时，在承接瓶输送带3上依次放置废液承接瓶4、第一样品承接瓶5、以及第二样品承接瓶6，并将废液承接瓶4对齐色谱柱9底部；
65.步骤2、向色谱柱9内注入0.2ml的样品；
66.步骤3、在第一试剂瓶16和第二试剂瓶17内分别盛放第一试剂和第二试剂，第一试剂为40ml的7mol/l hcl(盐酸) 0.001mol/l h2o2(过氧化氢)、第二试剂为20ml 2mol/l hcl(盐酸) 0.001mol/l h2o2(过氧化氢)；
67.步骤4、连接好第一进气管13、第二进气管14、以及软管12，并将软管12底部输液口放入色谱柱9内部；
68.步骤5、打开流速调节器，使第一试剂瓶16内液体注入色谱柱9中，以洗脱吸附在色谱柱9的杂质元素，待第一试剂瓶16内液体流至7ml时，此时杂质元素被洗脱进入废液承接瓶4中。
69.步骤6、通过承接瓶输送带3的传送作用，使第一样品承接瓶5与色谱柱9底部对齐；调节流速调节器，使第一试剂瓶16内液体继续注入色谱柱9中，此时试剂7mol/l hcl(盐酸) 0.001mol/l h2o2(过氧化氢)将洗脱色谱柱9内吸附的铜元素，并将洗脱液均输入至第一样品承接瓶5中；
70.步骤7、待到第一试剂瓶17中液体流尽时，由于第二进气管14连通大气，第二试剂瓶17的液体自动注入色谱柱9，达成自动更换试剂目的；此时，通过承接瓶输送带3的传送作用，使第二样品承接瓶6与色谱柱9底部对齐；此时试剂2mol/l hcl(盐酸) 0.001mol/l h2o2(过氧化氢)将洗脱色谱柱9内吸附的铁元素，并将洗脱液均输入至第二样品承接瓶6中。
71.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。