本发明属于金属元素检测技术领域，具体涉及了一种痕量多价金属离子的富集的装置。
背景技术：
近年来，金属污染已成为突出的环境问题，全国各地连续报道了集体金属中毒事件，甚至威胁到人类的生存。尤其在水体中，多价金属自然本底含量不具备明显危害，但随着社会的人口增加及工业化进程加快，大量的工业废水以及生活污水排放，尤其是可溶态多价金属进入水体后通过饮水、生物富集以及食物链等方式对水体中的生物产生一系列毒害效应，并最终危害人体健康。水体中的多价金属离子种类很多，一般多是痕量（极小的量）的，现有的分析仪器很难进行直接测，只有通过有效的分离富集方可进行准确分析。
然而，随着科学技术的发展，痕量金属检测方法取得了很大的进展，常用的检测方法包括分光光度法、电感耦合等离子体法、电化学方法、光谱法以及一些新兴检测方法。分光光度法基于 Lambert-Beer 定律。四川大学的侯贤灯、辛娟娟等人利用液芯光纤长光路分光光度法不经显色同时测定水溶液中的 Cr（III）和 Cr（VI），检出限分别达到 5 mg/L 和 0.05 mg/L；电化学分析法的测量信号是电流、电导、电量、电位等电信号， 浙江大学的李毅、门洪、王平等人基于电化学分析法制备的 Fe2+、Hg2+金属离子选择传感器成功应用到海水样品的船载在线检测中，中国科学院烟台海岸带研究所的秦伟等人将重金属离子选择传感器应用到海水重金属浓度分析中，最大相对误差分别为 8.5%和 8.9%；原子吸收光谱分析法，简称原子吸收分析法，它基于试样中待测元素的原子蒸汽对该元素原子特征谱线的吸收程度进行定量分析，Hiroaki Matsumiya等人便利用原子吸收光谱法测定了海水中的 Cd、Hg、Pb 等重金属浓度；电感耦合等离子体质谱仪（ICP - MS）是 20 世纪 80 年代发展起来的分析仪器。中国海洋大学的高杨等人研制了基于质谱技术的一种新型便携式海水重金属元素现场测量仪，能够现场、实时、连续的对所要分析的海水进行监测；Ozlem Oter, Kadriye Ertekin, Cumhur Kirilmis, Murat Koca通过对光纤进行 Cu2+有机荧光薄膜涂覆制备了 Cu2+光纤传感器，线性测量范围为 1.0×10−9 ~ 3.0×10−4M。可以看出，现有的技术手段往往趋向于采用更精密的昂贵仪器如多重光谱质谱仪手段，观察其变化量，但由于环境样品的多样性，实际应用样品的测试出限并不能达到仪器在标准状态下的指标，使其实际应用能力受限。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术依赖昂贵检测设备的问题，而提供一种能够高效富集水体中痕量多价金属离子（如：Mg2+、Cu2+、Ca2+、Fe3+等）装置，便于对水体中多价金属离子含量进行检测分析，该装置需要微米级孔径要求，造价低廉，并有助于产业推广。
为实现上述目的，本发明的技术方案是该富集装置包括有微米级主通道，该微米级主通道设置有用于连接含有多价阳离子的待富集原液的第一入口，该微米级主通道的出口端连接有第一缓冲池，所述的微米级主通道的内壁上设置有第一阴离子交换膜，该第一阴离子交换膜的外端与第二缓冲池相连通，微米级主通道对应第一阴离子交换膜的区域为分离区，微米级主通道相对于第一阴离子交换膜的上游为痕量离子富集区，所述的痕量离子富集区上还设置有第二入口，该第二入口处设置有用于启闭第二入口的控制阀，所述的第一入口设置有第一电极（V1），第一缓冲池设置有第二电极（V2），第二缓冲池设置有第三电极（V3）, 该第一电极（V1）和第二电极（V2> V1）之间所产生的电势差用于产生覆盖于微米级主通道方向驱动所需分离的阳离子从分离区向痕量离子富集区运动的第一场强（E），待富集处理原液的介质压力从第一入口引入且其方向与第一场强（E）方向相反，所述的第二电极（V2）根据痕量离子富集的程度进行可调设置。
进一步设置是所述微米级主通道的内壁上设置有与第一阴离子交换膜相互对称的第二阴离子交换膜，第二阴离子交换膜的外端与第三缓冲池相连通，第三缓冲池设置有电势与第三电极（V3）相等的第四电极（V4 =V3）。
进一步设置是所述的微米级主通道相对其痕量离子富集区位置还扩展连通有痕量离子富集扩展区，所述的第二入口设置于痕量离子富集扩展区上，且该第二入口的开口方向与第一入口的开口设置方向相一致。
进一步设置是微米级主通道的长100 ~ 10000um，宽10 ~ 100 um。
进一步设置是所述的第三电极和第四电极均连接可调节电极电势的直流电源。
本发明的工作原理和优点是：
含有待富集的高价的离子（化合价为 m+, m > 1）和一价阳离子的原液置于第一入口，对原液区的原液施加一个向右的介质压力。通过调节第三电极和第四电极的电势，一价阳离子在微米通道中受到的场强力小于离子所受流体的粘性力，使得一价阳离子穿越离子交换膜区进入了第一缓冲池。而高价的阳离子在微米通道中受到的场强力在第一入口小于介质压力，却在阴离子交换膜上游的痕量离子富集区大于介质压力，因此使得高价的阳离子留聚集在矩形槽中（即痕量离子富集区），从而达到了痕量多价阳离子的富集的目的。
第一电极、第二电极、第三电极和第四电极均通电的情况下，并保证这个电势关系：V2> V1 ，V3=V4。在外部压强的作用下，原液进入微米级主通道，当原液经过阴离子交换膜时，阴离子大量的穿过阴离子交换膜到达第二缓冲池及第三缓冲池，由于系统的电中性， 阳离子会被排斥远离阴离子交换膜表面区域， 在阴离子交换膜附近形成较高的场强。
通常，离子在溶液中受到电场力和水流的粘性力。这里，本发明基于第一电极（V1）和第二电极（V2）之间所产生的电势差施加了一个直流电场（E），其方向为从右向左，故而原液中的一价及多价阳离子都受到一个向左的电场力。
在外电场（E）和阴离子交换膜表面的电压下的作用下，阴离子交换膜表面附近形成极端不均的离子浓度分布，即离子的浓度极化现象。在膜表面的电场强度得到了放大（较之，直流电场E，在膜表面的电场强度可以放大到高达10倍，方向仍然和外电场一样。该放大的电场通过改变电极电势V3，加剧了离子交换膜表面的离子浓度极化的程度进而实现了离子交换膜表面电场放大的效应），在不施加外部压强的条件下，一价离子和多价离子由于电场力的作用都不能穿越浓度极化区。在第一入口处所施加的介质压力作用下，压力造成的水流会对原液中离子形成粘滞拽力。 当水流拽力（正比于水流速度）大于一价阳离子所受的电场力，穿越离子溶度极化区域，随水流向第一缓冲池。同时水流力同样带动多价阳离子流动，当流到阴离子交换膜附近，由于电场的放大效应。使得水流力与多价阳离子所受的电场力在阴离子交换膜上游平衡，即多价阳离子聚集矩形槽内。当多价阳离子富集程度最高时，打开第二入口处的控制阀，并在施加第二压强，富集的多价阳离子则随着水流流进第二缓冲池，即实现了多价离子的富集。
富集完成后，断开所有电源， 打开第二入口处的控制阀， 同时在第一入口及第二入口加压强， 把痕量离子富集区以及痕量离子富集扩展区内的高浓度离子溶液从微米级主通道排出。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。
附图说明
图1 本发明具体实施方式结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，该富集装置包括有微米级主通道1，该微米级主通道的长100 ~ 10000um，宽10 ~ 100 um，该微米级主通道1设置有用于连接含有多价阳离子的待富集原液的第一入口11，该微米级主通道1的出口端连接有第一缓冲池12，所述的微米级主通道的内壁上设置有第一阴离子交换膜13，该第一阴离子交换膜13的外端与第二缓冲池14相连通，微米级主通道1对应第一阴离子交换膜13的区域为分离区15，微米级主通道1相对于第一阴离子交换膜的上游为痕量离子富集区16，所述的痕量离子富集区16上还设置有第二入口17，该第二入口17处设置有用于启闭第二入口的控制阀171，所述的第一入口11设置有第一电极V1，第一缓冲池12设置有第二电极V2，第二缓冲池14设置有第三电极V3, 该第一电极V1和第二电极V2之间所产生的电势差用于产生覆盖于微米级主通道方向驱动所需分离的阳离子从分离区向痕量离子富集区运动的第一场强E，待富集处理原液的介质压力从第一入口引入且其方向与第一场强E方向相反，所述的第二电极V3根据痕量离子富集的程度进行可调设置，且保证V2> V1 ，V3=V4。
另外，本实施例所述微米级主通道的内壁上设置有与第一阴离子交换膜相互对称的第二阴离子交换膜18，第二阴离子交换膜的外端与第三缓冲池19相连通，第三缓冲池19设置有电势与第三电极V3相等的第四电极V4。 此外，所述的微米级主通道1相对其痕量离子富集区16位置还扩展连通有痕量离子富集扩展区161，所述的第二入口17设置于痕量离子富集扩展区161上，且该第二入口17的开口方向与第一入口的开口设置方向相一致。
此外，本实施例所述的第三电极V3和第四电极V4均连接可调节电极电势的直流电源。