[发明专利]从溶液中除去金属的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的美国临时申请第61/792821号的优先权和申请日的利益，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及金属，包括金属污染物，例如，重金属，以及存在于溶液中的潜在的其他有害物种的捕获。更具体地，本发明涉及采用磁性颗粒的系统和方法，所述磁性颗粒用能够可逆结合金属离子的化学基团功能化。

背景技术

水污染是美国和世界各地的一个严重问题。在过去的几十年中，水污染一直是增加的政府审查和监管的主题。为了应对清洁饮用水的需求和在江河、湖泊、海洋和湿地中保持干净的水的需求，详细的法律和监管方案已经在美国的州和地方层面发展。这些法律和监管方案涉及到许多类型的可以产生水污染的活动。这些活动包括从控制和监测农业经营和雨水排水系统的径流量的质量，到监管工业、采矿业和商业活动，如石油和天然气勘探的一切事情。产生或具有产生显著大量受污染的水的能力的几乎所有的活动将可能由州和联邦法规监管。一些监管机构广泛地处理水排放的监管。这些机构的一些包括美国国家环境保护局(EPA)，其具有广泛的监管权力；美国海岸警备队，其监管通航水域的使用；国家石油和天然气董事会，其在井场监管采出水；以及处理矿监管的州和联邦机构。

各种水污染物，和具有产生水污染的能力的具体活动是水质监管的主题。可监管的材料范围从农药和肥料到石化相关的烃类和多种化学品和有害材料。如果放置在全国的水供应中可论证为有害的任何材料都是监管和受控排放的主题。

重金属是在环境中广泛遇到的一类水污染物。基本上所有的过渡金属在水中可作为溶解的离子存在。可能成为水污染物的重金属的实例包括铅、锰、钴、镉和其他。当这些材料在流或供水中存在时出现显著的水污染问题。含有重金属的消耗水可能不利于人类和动物的健康。重金属中毒可能是严重的公共卫生问题。因此，对于从供水中提取重金属有显著兴趣。

与此同时，大量地从水中除去重金属是一个困难和昂贵的过程。虽然重金属的化学很好理解，但是应用该化学到在环境条件下从环境中的水除去重金属已经证明是困难和昂贵的。这些过程往往需要大量庞大的处理设施，并且可产生本身有害的并造成困难的处理问题的废物。

加剧该问题的事实是在过去的数十年并在某些情况下超过一个多世纪，一些老工业和采矿作业已经产生重金属排放。许多这些作业先于现代水污染控制规范和现代水污染控制技术的发展。因此，这些作业产生重金属排放的情况是在排放到环境之前并没有花费太多的努力去从水中除去金属或者限制污染物。

在这些类型的设施继续作业的情况下，它们已经按照上述监管方案的要求通过必要的修改的应用达到标准。然而，在矿山和其他工业设施在实施污染控制系统和技术以及实施现代监管方案之前停业的情况下，这些设施很有可能继续产生重金属污染的水排放。

其中地下水流经矿山并离开进入当地流和饮用水的情况下的采矿作业尤其是这样。在采矿已经停止很久之后，天然水源的重金属污染仍然是矿区的一个问题。由于不希望的水中的重金属污染，需要许多努力和费用来整治这些问题，往往具有不太充分的结果。

许多问题与传统的重金属或者水处理整治方法共存。一种这样的方法是金属氢氧化物沉淀以除去重金属。该方法和许多其他常规方法添加大量的化学品到可能含有不到千分之几水平的量的污染物的废物流中。这些类型的过程可导致大量的金属污染或含金属的沉淀物。如上所述，所得的负载金属的沉淀物的处置本身带来处置问题，尤其是当该沉淀物具有随后过滤出的金属返回环境的潜力时。

用于水整治的大多数传统工艺要求复杂和庞大的设备。这些工艺是昂贵的，并且有时会造成水的不充分清洁。常规方法常常导致本身有害的废物材料，而且必须利用可能是进一步监管的主题的昂贵技术处置。

此外，从水中提取污染物的能力产生感知和监测给定的水样本中这些污染物的水平的潜力。

因此，有必要提供用于从水中提取污染物的改进的方法和装置。更具体地说，有必要提供能够从水中定量和/或提取金属污染物，例如，重金属的方法和系统。

发明内容

本发明提供了一种从溶液中提取金属，例如金属污染物的系统和方法。本发明提供了用于提取金属或污染物，而无需向待处理的溶液引入大量的化学品的方法。例如，本发明还可以提供一种系统和方法，其可以不需要常规的水处理设施所需的大型设备或设施。本发明采用了可重复使用并允许在进行水处理操作时降低成本的材料。