（生态学专业论文）介电泳研究系统的建立及利用介电泳技术去除水体中重金属的研究.pdf

摘要 本文综述了介电泳技术的发展历程及其在各个领域的研究和应 用情况。详细介绍了该技术在无机方面的研究进展和优势。对目前的 重金属废水的去除方法及相关研究进行了简单介绍。较为详尽的阐释 了介电泳理论的定义、各物理参数在交变电场中对介电力的影响等。 利用自行设计的介电泳显微静态研究的全套系统，研究各种无机颗粒 和吸附了重金属的无机颗粒的介电迁移规律；研制成适宜动态研究无 机颗粒和重金属污染物的微流体装置，研究了空心微球和吸附了重金 属的空心微球的介电迁移规律；初步建立了介电泳去除水体中重金属 的设备，用于定量研究重金属的去除率。 通过一系列实验得出如下结论： 1 显微静态研究吸附重金属前后无机颗粒的介电迁移的影响因素及 规律 在显微静态研究装置中，通过预实验确定了研究方法及研究对 象。选择了五种无机颗粒( 活性碳、空心微球、高岭土、皂土、沸石) ， 并最终选择了活性炭、空心微球和皂土三种颗粒作为重金属吸附物， 研究其吸附重金属后的介电泳情况。 ( 1 ) 介电泳现象：活性炭和皂土颗粒吸附重金属前后均发生了正介电 泳现象，空心微球、高岭土、沸石在吸附重金属前发生了负介电泳， 空心微球吸附重金属后，发生了正介电泳。并且活性炭和空心微球在 一定条件下均发生成链现象。 ( 2 ) 介电泳时间：介电泳时间越长，电极对间捕获的无机颗粒越多。 ( 3 ) 电压：介电场中捕获的无机颗粒的数量随着电压的升高而增多。 ( 4 ) 电场强度：电压越大，电场强度越大；相对电极尖端距离越宽， 电场强度越小；相对电极尖端距离越窄无机颗粒越易成链。 ( 5 ) 频率：在不同的频率范围观察到了正、负介电泳现象，并发现空 心微球在低频时吸附于电极表面，高频时吸附于相邻电极间。高频时 无机颗粒更易成链。 ( 6 ) 无机颗粒的形状：空心微球为规则的球体，便于作为模型进行研 究，其他几种无机颗粒的形状为不规则的形状。 ( 7 ) 电极构型：半圆形电极、指凸形型电极、方形电极等均能用于无 机颗粒的介电研究。 ( 8 ) 粒径：不同种类的无机颗粒适宜研究和分离的粒径范围不同。活 性炭为6 - 8 u m ，空心微球为4 - 7 u m ，皂土为小于l o u m 。 ( 9 ) 不同重金属的介电迁移：无机颗粒吸附了不同的重金属后，其迁 移电压随粒径的变化呈现出正相关或负相关。 2 显微动态研究吸附重金属前后空心微球的介电捕获的影响因素及 规律 ( 1 ) 流速：流速对空心微球的迁移和吸附有影响。在确定的最佳流速 下，所需迁移电压最低。 ( 2 ) 电压：电压越高，捕获颗粒的数量越多、粒径的范围越广 ( 3 ) 频率：空心微球在低频时吸附于电场强度弱的区域，高频时集中 吸附于相邻电极间。 ( 4 ) 电极阵列：颗粒沿水流方向迁移时，被捕获在阵列中，表现出颗 粒收集量逐渐递减的趋势。 ( 5 ) 装置的设计：通过实验证明该装置的设计可以捕获吸附重金属前 后的空心微球。 3 介电泳去除重金属设备的设计 通过实验证明该装置可以吸附去除空心微球，但电极材料还需进 一步改进。 关键词介电泳，重金属，无机颗粒，迁移电压，频率 a bs t r a c t t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed i e l e c t r o p h o r e s i sd e v e l o p m e n ta n di t s a p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s f u r t h e r m o r e ，i ti n t r o d u c e st h er e v i e wo fd e p p r o g r e s sa n di t sa d v a n t a g e s i n i n o r g a n i cp a r t i c l e sr e s e a r c hi n d e t a i l m o r e o v e r , i tr e p o r t st h er e m o v a lm e t h o d so fh e a v ym e t a l sc u r r e n t l y t h e n t h et h e o r yo fd e pi se l a b o r a t e d i nt h em i c r o s c o p i cs t a t i cs t a t ed e v i c e ，t h e d e pm o v e m e n to fi n o r g a n i cp a r t i c l e sa n di n o r g a n i cp a r t i c l e sw i t hh e a v y m e t a l sa r er e s e a r c h e d i na d d i t i o n ，am i c r o f l u i d i cd e v i c ei sm a n u f a c t u r e d a n dt h ed e po fa d s o r b a t eo fh e a v ym e t a l si sf u t u r ed i s c u s s e d b a s e do n t h ea b o v e ，ad e pr e m o v a ld e v i c eo fh e a v ym e t a l si sd e s i g n e dw h i c hc a n r e s e a r c ht h er e m o v a lr a t eo fh e a v ym e t a l sq u a n t i f i c a t i o n a l l y t h er e s u l t sa sf o l l o w sa r eg o tb yas e r i e so fe x p e r i m e n t s ： 1 t h em i c r o s c o p i cs t a t i cs t a t er e s e a r c ho fd e pm o v e m e n to fi n o r g a n i c p a r t i c l e sa n dh e a v ym e t a l s i nt h em i c r o s c o p i cs t a t i cs t a t ed e v i c e ，t h em e t h o d sa n do b je c t so f d e pr e s e a r c ha r ed e t e r m i n e d f i v ek i n d so fi n o r g a n i cp a r t i c l e sa r ec h o s e n ， c o n t a i n i n g a c t i v ec a r b o n ，h o l l o wm i c r o s p h e r e ，k a o l i n ，b e n t o n i t ea n d z e o l i t e o fa l lt h em a t e r i a l s ，t h eb e t t e rm a t e r i a l sa r ea c t i v ec a r b o n ，h o l l o w m i c r o s p h e r e a n db e n t o n i t ew h i c ha r es u i t a b l et o i n v e s t i g a t e d i e l e c t r o p h o r e t i cm i g r a t i o no f t h ei n o r g a n i cp a r t i c l e sa n dh e a v ym e t a l s ( 1 ) t h ep h e n o m e n ao fd e p ：p o s i t i v ed e pi s o b s e r v e db o t hi nt h e e x p e r i m e n t s o fa c t i v ec a r b o na n db e n t o n i t e s u c hp h e n o m e n aa r e o b s e r v e di nt h ee x p e r i m e n t so fa c t i v ec a r b o na n db e n t o n i t ea r e ra d d i n g i v h e a v ym e t a l s t h ee x p e r i m e n t so fh o l l o wm i c r o s p h e r e ，k a o l i na n dz e o l i t e t a k ep l a c e n e g a t i v ed e eb u tp o s i t i v ed e pi so c c u r r e dt oh o l l o w m i c r o s p h e r e w i t hh e a v ym e t a l s u n d e rc e r t a i n c o n d i t i o n s ，c h a i n i n g p a r t i c l e s a r eo b s e r v e db o t hi nt h ee x p e r i m e n t so fa c t i v ec a r b o na n d h o l l o wm i c r o s p h e r e ( 2 ) t i m e ：t i m ea n dc o n c e n t r a t i o no fi n o r g a n i cp a r t i c l e sb e t w e e nt w o e l e c t r o d e sh a v ep o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( 3 ) v o l t a g e ：v o l t a g eh a sp o s i t i v e r e l a t i o nt ot h ec o n c e n t r a t i o no f i n o r g a n i cp a r t i c l e s ( 4 ) d e n s i t yo ff i e l d ：t h ew i d t ho fe l e c t r o d e sa n dd e n s i t yo ff i e l dh a v e n e g a t i v ec o r r e l a t i o n ( 5 ) f r e q u e n c y ：p d e pa n dn d e pw e r eo b s e r v e da tt h ed i f f e r e n tr a n g eo f f r e q u e n c i e s u n d e rt h el o wf r e q u e n c yc o n d i t i o n ，h o l l o wm i c r o s p h e r e s w e r et r a p p e do ne l e c t r o d es u r f a c e b u th o l l o wm i c r o s p h e r ei n t e r nh a s b e e nt r a p p e db e t w e e nt h ee l e c t r o d e sw h e nf r e q u e n c yi n c r e a s e s ( 6 ) t h es h a p eo fi n o r g a n i cp a r t i c l e s ：t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c hh o l l o w m i c r o s p h e r eb e c a u s eo f i t sr e g u l a rs h a p e a c t i v ec a r b o n ：6 - 8 u r n ，h o l l o w m i c r o s p h e r e ：4 - 7 u r n ，b e n t o n i t e ：l e s st h e n10 u m ( 7 ) g e o m e t r i cd e s i g no ft h ee l e c t r o d ea r r a y ：i nt h e s ee x p e r i m e n t s ，a l l k i n d so ft h et i ps t r u c t u r eo fe l e c t r o d e sa r es u i t a b l et oi n v e s t i g a t e d i e l e c t r o p h o r e t i cm o v e m e n t ( 8 ) d i a m e t e r ：t h ed i f f e r e n tk i n d so fi n o r g a n i cp a r t i c l e sh a v ed i f f e r e n t v r a n g eo fd i a m e t e r sw h i c ha r es u i t a b l et oi n v e s t i g a t ed e pm o v e m e n t ( 9 ) t h ed e pm o v e m e n to fd i f f e r e n th e a v ym e t a l s ：t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nv o l t a g ea n dd i a m e t e ri sd i f f e r e n td u et o p h y 7 s i c o c h e m i c a l p r o p e r t i e sd i f f e r e n c e so fh e a v ym e t a l s 2 t h em i c r o s c o p i cd y n a m i cs t a t er e s e a r c ho fd e pt r a po fh o l l o w m i c r o s p h e r ea n dh e a v ym e t a l s ( 1 ) v e l o c i t y ：t h em o v e m e n tv o l t a g ei sl o w e s ta tc e r t a i nv e l o c i t y ( 2 ) v o l t a g e ：v o l t a g ea n dc o n c e n t r a t i o n o fi n o r g a n i c p a r t i c l e s h a v e p o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( 3 ) f r e q u e n c y ：t h et r a pa r e a so fh o l l o wm i c r o s p h e r ea r ec h a n g e dw h e n f r e q u e n c yc h a n g e s ( 4 ) e l e c t r o d ea r r a y ：t h e c o n c e n t r a t i o no fh o l l o wm i c r o s p h e r e si s d i m i n i s h i n go nt h ee l e c t r o d ea r r a y sa l o n gt h ef l o wi nt h en o n - u n i f o r m f i e l d ( 5 ) t h ed e s i g no ft h i sd e v i c e ：t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g no ft h i sd e v i c e i sp r o v e db yas e r i e so fe x p e r i m e n t s 3 t h ed e s i g no ft h ed e pr e s e a r c hd e v i c eo fh e a v ym e t a l s s e v e r a la s p e c t so ft h ed e s i g no ft h i sd e v i c ea r er e a s o n a b l e ，s u c ha s f l u i da n de l e c t r i cf i l e dc o n t r 0 1 b u tt h em a t e r i a l so fe l e c t r o d en e e dt ob e f u t u r ei m p r o v e d k e yw o r d s d i e l e c t r o p h o r e s i s ，h e a v ym e t a l ，i n o r g a n i cp a r t i c l e s ， m o v e m e n tv o l t a g e ，f r e q u e n c y 图表索引 图2 1 正介电泳原理图1 1 图2 2 数字模拟的平板电极的电场强度分布图1 2 图2 3 介电泳阵列微电极芯片的电极设计示意图。1 4 图2 4 微型介电泳池的俯视结构示意图1 5 图2 5 微流体小室剖面结构示意图1 6 图2 6 微流体小室俯视结构示意图1 6 图2 7 显微静态介电泳研究装置的连接图18 图2 8 显微动态介电泳研究装置的连接图18 图3 1 3 - 4 活性炭颗粒的正介电泳现象2 3 图3 5 不同通道宽度下迁移电压随粒径变化图2 5 图3 - 6 迁移电压随粒径变化图2 7 图3 7 3 1 4 空心微球的介电泳现象2 9 图3 1 5 外加电场前空心微球与活性炭复合颗粒的随机分布情况3 l 图3 1 6 外加电场后空心微球与活性炭复合颗粒的正介电泳现象3 l 图3 1 7 迁移距离随粒径变化图3 2 图3 1 8 迁移电压随频率变化图3 3 图3 1 9 粒径约6 u m 空心微球的迁移电压随频率变化图3 3 图3 2 0 不同质量比的空心微球与活性碳复合颗粒的介电泳情况3 4 图3 2 l 迁移电压随粒径变化图3 4 图3 2 2 电导率随混合时间变化图3 6 图3 2 3 迁移电压随粒径变化图3 7 图3 2 4 电导率随混合时间变化图。3 8 图3 2 5 未加电场的情况下的分布情况( 6 v ，5 0 h z ) 3 9 图3 2 6 施加交流电场后的分布情况( 6 v ，5 0 h z ) 3 9 图3 2 7 迁移电压随粒径变化图4 0 图3 2 8 迁移电压随粒径变化图4 0 图3 - 2 9 迁移电压随粒径变化图。4 l 图4 1 高岭土悬浮液通电前后的介电泳情况4 5 4 图4 2 皂土悬浮液通电前后的介电泳情况4 5 图4 3 沸石悬浮液通电前后的介电泳情况4 5 图4 4 高岭土悬浮液电导率随时间变化图4 6 图4 5 皂土悬浮液电导率随时间变化图4 6 图4 6 沸石悬浮液电导率随时间变化图4 7 图4 7 皂土悬浮液中迁移距离随粒径变化图4 7 图4 8 加入锰离子的皂土悬浮液的电导率随时间变化图4 8 图4 9 加入镉离子的皂土悬浮液的电导率随时间变化图。4 9 图4 1 0 加入锰离子的皂土悬浮液通电前的情况5 0 图4 1 2 加入镉离子的皂土悬浮液通电前的情况5 0 图4 1 3 加入镉离子的皂土悬浮液通电后的情况5 0 图4 1 4 加入锰离子的皂土悬浮液迁移距离随粒径变化图5 1 图4 1 5 加入镉离子的皂土悬浮液迁移距离随粒径变化图5 1 图5 1 5 3 不同电压对空心微球迁移的影响情况5 7 图5 4 。5 7 不同频率下空心微球的介电泳情况5 8 图5 8 空心微球在微流体小室中的介电捕获情况5 8 图5 9 5 1 l 不同流速下空心微球的吸附情况5 9 图5 1 2 5 1 5 不同流速下空心微球的吸附情况一6 1 图5 1 61 0 0 k h z 时空心微球的介电泳情况6 2 图5 17 重金属处理池示意图6 3 图5 1 8 介电泳去除重金属的设备示意图6 3 图5 1 9 铜网对空心微球的吸附情况6 4 图5 2 0 不锈钢网对空心微球的吸附情况6 4 表2 1 介电泳与电泳的区别1 0 表3 1 活性炭颗粒在不同实验条件下的实验现象2 3 表3 2 空心微球在不同实验条件下的实验现象2 9 表5 1 不同流速下空心微球的吸附情况5 6 表5 2 电压对空心微球迁移的影响5 6 表5 3 不同流速下空心微球的吸附情况5 9 5 表5 _ 4 频率对空心微球迁移的影响6 0 表5 - 5 吸附p b 2 + 前、后实验结果比较6 0 表5 - 6 不同流速下空心微球的吸附情况“6 1 表5 - 5 吸附c d 2 + 前、后实验结果比较6 2 公式( 2 1 ) 1 1 公式( 2 2 ) 1 1 公式( 2 3 ) 1 1 公式( 2 4 ) 1 1 公式( 2 5 ) 1 3 公式( 2 6 ) l 3 公式( 3 1 ) 2 6 公式( 3 - 2 ) 2 6 公式( 3 3 ) 2 6 公式( 3 - 4 ) 2 6 公式( 5 1 ) 5 5 公式( 5 2 ) 5 5 6 中央民族大学研究生学位论文作者声明 本人声明：本人呈交的学位论文是本人在导师指导下取得的 研究成果。对前人及其他人员对本文的启发和贡献已在论文中作 出了明确的声明，并表示了谢意。论文中除了特别加以标注和致 谢的地方外，不包含其他人和其他机构已经发表或者撰写过的研 究成果。 本人同意学校根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等有关规定将本人学位论文向国家有关部门或资料库提交， 允许论文被查阅和借阅。本人授权中央民族大学可以将本人学位 论文的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或者其他复制手段和汇编学位论文( 保密论文在解密后 应遵守此规定) 。 作者签名：滥日期：丑月卫日 第一章绪论 1 1 重金属废水污染的特点、主要处理方法及其发展趋势 随着工农业的飞速发展和人类物质生活水平的提高，水污染日趋严重，导致 饮用水水质下降。应用水处理技术净化水体，使人们饮用到健康、洁净的水已成 为迫在眉睫的问题【1 1 。水体中的污染物大致可以分为三类：重金属、有机物、细 菌和病毒，它们都在一定程度上威胁着人类的健康，甚至可以造成死亡【2 】。 1 1 1 重金属废水的来源、特点及其危害 重金属是造成水体污染的主要的有毒物质之一，其污染源主要来自矿山坑内 排水、废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加 工厂酸洗水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水，以及电解、农药、医药、烟 草、油漆、颜料等工业废水 3 1 。微量的重金属即可产生毒性效应，某些重金属还 可以在微生物的作用下转化为毒性更强的难以被生物降解的金属化合物，在食物 链的生物放大作用下，大量富集，最后进入人体【4 j 。重金属对人体健康的危害是 多方面、多层次的，其毒理作用主要表现在影响胎儿正常发育、造成生殖障碍、 降低人体素质等方面【5 】。若大量未经处理的城市垃圾、污染的土壤、工业和生活 污水，以及大气沉降物不断进入水中，则会使水体悬浮物和沉积物中的重金属含 量急剧升高。虽然河流沉降物对排入水中的污染物特别是金属类污染物有强烈的 吸附作用，但是当水体p h 值、e h ( 氧化还原电位) 等条件发生变化时，吸附的 污染物又会释放出来，导致水体中重金属的二次污染 6 1 。重金属在水体中的分布 是致使水环境污染的重要因素。重金属不可分解，它只能被积累和转移，或改变 价位，从而改变其毒性的大小。水体中的重金属除了通过直接饮水，还可通过食 用被灌溉过的蔬菜和粮食等途径进入人体，威胁人类健康【7 1 。因此，去除水中的 重金属对保障人体健康具有非常重要的意义。 1 1 2 重金属废水的主要处理方法及存在的问题 按照处理方式，重金属废水的处理方法可分为三类：( 1 ) 将废水中的重金 属在不改变其化学形态的条件下进行浓缩和分离。具体方法有：反渗透法、电渗 析法、蒸发浓缩法、扩散渗析法和超滤法等膜分离法。 ( 2 ) 使废水中星溶解状 态的重金属转变为不溶的重金属化合物，经沉淀和浮上法从废水中除去。主要有： 化学沉淀法( 中和沉淀法【8 】、硫化物沉淀法【引、钡盐沉淀法、氧化法、还原法、 铁氧体法【9 】等) 、电解法( 凝聚电解法、隔膜电解法等) 、离子交换法【9 】、离子 浮选法、吸附法【l o 】等。( 3 ) 借助微生物或植物的吸收、积累、富集等作用去 除废水中重金属的方法，具体方法有生物絮凝法【l l 】、生物吸附法【1 2 ，1 3 1 、植物修 复法等【3 ，8 ，- 4 1 。 在日常的重金属废水处理中，第二种方法最为常用，适宜处理重金属浓度高， 水量大的工业废水，其缺点是很难处理大流域、低浓度的废水，且若固定下来的 污染物没有得到及时有效的无害化处理，还会导致二次污染。第一种方法回收较 好，但运作成本高，一般在特殊情况下才使用。第三种生物方法是自9 0 年代以 后新兴的一种重金属处理方法，具有投资少、见效快、易于管理、不易发生二次 污染等优点，但去除效果受生物自身因素及环境因素的限制。除上述三种方法外， 目前还有利用光催化还原将重金属分解的研究【嘲，以及电吸附去除重金属离子【1 6 1 和利用介电泳吸附去除重金属【1 7 1 的方法。这三种方法是近年来发展起来的水处 理研究方法。 1 1 3 重金属废水处理方法的发展趋势 1 1 3 1 向着低成本、低能耗、高效益的方向发展 从经济和社会发展的角度来看，低成本、低能耗、操作简便的水处理技术将 成为发展趋势。在降低成本方面，采用天然的或废置的材料，如粘土矿物、矿物 废料等作为重金属吸附物，实现“以废治废”，已经成为现在的研究热点之一。虽 然重金属不能被微生物降解并且对它们有毒害作用，但是微生物对重金属又有一 定的抗性和解毒作用，可以吸附和转化重金属。并且由于微生物广泛存在于环境 中，生物吸附剂来源广泛，其处理成本大大降低。而且目前正在研究的生物强化 技术可增强微生物对特定污染物的降解能力，从而改善整个污水处理体系的处理 2 效果p 6 1 。在降低能耗方面，目前在对光化学降解重金属的研究中，多采用的是 紫外光，可见光方面研究还很少。但是由于太阳光作为一种取之不竭的能源，因 此研究并发展利用可见光降解水体中重金属的方法具有很高的研究价值和应用 前景。在操作方面，电吸附法和介电泳法具有明显的优势。它们具有处理过程不 需要添加酸、碱、盐等化学药品，操作简单，能耗低，易于维护等特点。 1 1 3 2 向着无害化、资源化方向发展 目前普遍采用的处理方法，一般是将污染物从一相转移到另一相，并没有使 污染物无害化，通常会带来废料或二次污染，许多重金属多比较昂贵，若能将其 回收再利用是最理想的。在无害化方面，通过对现有的研究结果分析，可知生物 絮凝法和光催化法可以使重金属废水达到无毒化，无二次污染。从环境保护的角 度，生物方法、光化学方法、电吸附法和介电泳法具有更高的研究价值及发展前 景。在资源化方面，微生物对重金属有解毒作用，介电泳法可从低品位矿中回收 贵金属，两种方法均可回收有经济价值的重金属，实现资源的循环利用。 1 2 介电泳技术的研究与应用 1 2 1 介电泳研究及发展情况概述 介电泳现象于1 9 5 6 年由物理化学家h a p o h l 发现，学者h a p o l l l 在实验 中观察到悬浮在介质中的微粒在非均匀电场作用下可产生定向运动，并且其运 动方向取决于二者介电常数的大小【l s l 。在5 0 年代后期及6 0 年代中期，h a p o h l 等人利用介电泳现象做了很多开拓性的研究，为随后的介电泳及其在无机微粒中 的研究奠定了基础【1 9 1 。例如，用乳液聚合方法和金属氧化物定向聚合方法所得 聚合物如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等粉末中含有少量乳化剂或催 化剂，影响他们的最终性质，又如矿冶、金工、医药和化工的各种材料，像磨石 剥落下来的金刚石粉的回收、比重相似的碳化硅和氟化钙的分离、分析实验室中 少量不溶性无机物的分离等问题，不能应用熟知的方法来解决，而应用介电泳的 方法已在实验室或工业上获得了成功【1 9 1 。到2 0 世纪7 0 年代，h a p o l l l 等人又 相继对这一现象做了更加深入的研究，p o h l 等人在1 9 7 1 年获得了介电力的一般 表达式 2 0 l ；并在同年进行了溴化银悬浮液的介电沉淀反应试验【5 j ，并于1 9 7 8 年 将这现象正式定义为介电泳现象( d i e l e c t r o p h o r e s i s ) 1 8 1 。但是，由于当时技术 条件和认识程度的局限性，理论研究不够深) k 1 2 0 - 2 2 1 。 进入到9 0 年代，随着微制造技术的发展改进，利用介电泳收集，定位，分 离悬浮液中的微粒的技术取得了很大的进步。并且由于液体和微粒的运动以及其 所受静电力的基本控制方程的数字技术的发展，更加促进了介电泳技术的发展 2 3 1 o 我国介电泳的研究才刚刚起步。虽然在2 0 世纪6 0 年代时已有综述论文介绍介 电泳现象【1 9 1 ，但直到8 0 年代中后期，才开始有对介电泳进行研究的相关报道【2 4 ， 2 5 1 。例如，1 9 8 6 年，汤崇正将介电泳与薄层色谱、凝胶色谱、红外光谱等技术联 用对聚合物的微观结构进行测定 2 4 , 2 5 】。2 0 0 2 年傅卫彪等人对油和水的乳化微爆 统一模型的研究【2 6 1 。2 0 0 4 年清华大学的罗启仕等人关于非均匀电场对无机离子 和基因工程菌在土壤中的迁移与机理的研究 2 7 , 2 s 。 介电泳优于其他技术的特点是：( 1 ) 使用灵活、电场强度、频率、相位都容 易调控，便于自动化。( 2 ) 可以重复使用。( 3 ) 该技术还可与其他方法结合使用，以 达到最佳的分离检测效果。这些特点都使介电泳技术具有深入研究的价值以及广 泛开发利用的前景。目前，介电泳广泛应用于生物【2 9 1 、医学【3 0 l 、纳米材料【3 1 3 3 】 等领域，此外在矿物质的介电分离【3 4 。3 6 1 、油品净化【3 7 】、食品检测【3 8 1 、环境治理【1 7 3 9 l 等领域也有研究见诸于报道。 1 2 2 介电泳技术在生物研究中的应用 自1 9 7 8 年p o h l 硌】将介电泳引入生物领域，用于传统的电泳无法胜任的生物 微粒的分离和操纵以来，介电泳己成功地应用于粒子的分离、输运、捕捉及分类 等各种操作。近年来，随着微电子机械系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i e a ls y s t e m , m e m s ) 的发展，微电极尺寸进步减小，细胞水平上以信息交换为主要研究对 象的细胞工程领域倍受重视，交流电场下的微操作技术的优势更加明显。主要体 现在：( 1 ) 不需要添加抗体，因此细胞不会在分离过程中因抗体反应而发生生物 性质改变。( 2 ) 所用交变电场对细胞的作用是“非破坏性”的。初步研究证明，细 胞在非均匀电场的作用下，其生长及分裂性质不会改变 4 0 l 。目前，介电泳不仅 用于研究细胞等生物材料的电学性质，而且在细胞、病毒、细菌的分离、检测、 诊断、传感、富集等方面都有相应的研究成果。 4 例如，在分离方面b l a n c ah 4 l j 等人研制了一种去除和浓缩水中微生物的介 电泳微电极设备一水生微生物介电泳集中器，其可用于去除水环境中的枯草杆菌 孢子、烟草花叶病毒和大肠杆菌。实验中大肠杆菌去除率接近1 0 0 。该设备还 可以选择性的捕获粒子，可以在较大的电场强度范围内，观察到标记的微生物粒 子在微电极设备中被捕获的过程。当外加电场的强度高于相应粒子的阈值时，设 备捕获粒子的行为是可逆的。在检测方面y i f a nw h l 4 2 j 等人利用电动学系统检测 自养型和异养型藻类细胞之间的电旋转和移动波介电泳的差异，通过电旋转感应 和移动波的介电泳感应的差异，可以反映出藻类细胞的生化性质的区别。在疾病 诊断方面，m oy a n g 4 3 1 等介绍了一种新型的结合了介电泳技术用于心肌细胞阻抗 的化验，可以监测内皮细胞诱发的心肌肥大的动态过程，建立了一个阻抗光谱的 电场模型。 1 2 3 介电泳技术在无机颗粒研究中的应用 1 2 3 1 矿物金属微粒的分选 介电泳在无机颗粒方面的研究可以应用在不同的尺度下，其应用所需条件 也各不相同。介电泳方法最早应用于大规模的介电分选矿石。h s h a t f i e d t 4 4 于 1 9 2 4 年提出介电分选矿石的可能性。此后，美国的h a p o h l 及其同事用此法分 离锆金石一金红石混合物成功刚。前苏联也曾将介电泳作为试验室提取单相矿 物的专门方法，并且还进行了精选细粒钽铁矿粗精矿的工业试验p 4 1 。介电分选 的理念早在六十年代就已被列为选矿技术而有过报道与传统的静电选矿相比， 介电泳介电分选所需电压比静电选矿要低；消耗电能少。上述研究在实验室条件 下，一般所需交流电压从几百伏到上千伏不等，这是由于不同矿石具有不同的介 电性质，分离微粒的粒径大约在几百微米。分离所采用电极一般为金属板队4 5 1 ， 或者在大的电极之间加入玻璃球，玻璃球极化产生非均匀电场【伺。目前，随着 对介电泳方法研究的不断深入，在选矿技术领域有研究表明介电泳不仅可应用于 矿石的分选，还可应用于从废弃矿物混合物中分选低品位有色金属细颗粒。罗马 尼亚学者m i h a il u n g u 用介电泳的分选法从低品位混合物中回收贵金属金和银。 其平均粒度大约为0 1 - 0 2m m 3 5 1 。此法对废弃矿物资源的回收再利用以及提高 矿石的利用价值有着非常积极的意义。 大规模的介电泳技术其优点在于放松了原有的工艺条件限制，既可用直流电 亦可用交流电；可分离的微粒不再受是否带电的限制；应用电压也较传统方法要 低。 1 2 3 2 纳米材料的研究与应用 显微条件下的无机微粒研究，其优越性主要体现在样品用量少；电极可反复 使用；反应迅速：工作时间大大缩短等。由于微制造技术的发展，微米级电极阵 列得以制造，有文献报道称，现已可以制造出亚微米级铌电极【4 7 1 。随着电极尺 寸的变小，可分离的微粒也越来越丰富，使研究纳米材料成为可能。介电研究纳 米材料的电极一般为微阵列电极。电极阵列的几何形状有很多种，例如齿形阵列， 蛇形阵列，十字交叉式阵列等1 4 & 4 9 。 纳米材料由于基本颗粒尺寸的降低，导致从宏观到介观状态带来的特异变化 称为纳米效应，包括小尺寸效应、体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量 子隧道效应等。纳米颗粒在物理、化学性质等方面都发生了很大变化，产生一系 列奇特的性质【5 0 1 。目前，对于纳米材料的研究主要集中在纯化、定位装配、纳 米器件的研究等几大方面。 碳纳米管自1 9 9 1 年被发现以来，就以其独一无二的电性质和机械性能受到广 泛的关注。碳纳米管可按其性质分为金属碳纳米管和半导体碳纳米管两类。其合 成和选择性纯化就是将具有金属性质的碳纳米管与半导体性质的碳纳米管分离 开。由于微阵列电极的出现，使介电泳技术成为分离、纯化碳纳米管的有效方法。 根据两类纳米管极化率的差异，利用介电泳即可将其分离【5 。只要在电极两端 施加适当的频率和电压，产生非均匀电场，微粒便会根据其不同的介电性质迁移 到电极的不同区域，从而达到分离纯化的目的。 碳纳米管还可按其外部形态分为单层碳纳米管( s i n g l ew a l l e d c a r b o n n a n o t u b e ，s w n t ) 和多层碳纳米管( m u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e ，m w n t ) 。对于单 层碳纳米管【5 2 】和多层碳纳米管【5 3 】的纯化研究目前较多。单层碳纳米管已经被用 来制造电子设备。例如，场效应传感器，存储器，化学和机械传感器，以及测量 探测器【5 l 】。h e ew o ns e o 5 4 1 等在其研究中使用了单层碳纳米管，多层壁纳米管， 氮化镓纳米线，以及银纳米线。结果表明碳纳米管和碳纳米金属丝装配的数量主 要与溶液的密度，电压和频率有关。并证实了d e p 可以有效地组装纳米材料用 6 于制造纳米设备。但是要将纳米结构作为功能元件应用在微纳米传感器、纳米电 路等系统中，首先要解决材料的定位操作问题。有两种方法常用于对材料进行定 位。第一种方法是将含有传感材料的悬浮液涂布在电极上。这种方法的不足是做 上去的材料分布和取向都很杂乱，而且涂布区域的选择性差。第二种方法是从一 个电极向另一个电极定向生长传感材料，但这种方法存在催化剂污染和选择性差 的问题，所能操控的纳米材料的种类也受到了限制。另外还有人通过仪器操控将 目标材料放入预先设计的位置，这种方法需要很长的时间，以及昂贵的仪器和真 空环境，而且对于纳米材料的操作难度很大【5 3 5 5 1 。利用介电泳的方法，由于其 不受材料本身导电性的影响，材料的选择面比较广泛，通过产生的可控电场可实 现对材料的定位操控【5 6 , 5 7 】。 纳米装配是制造纳米器件的基础，可研究分子级和原子级的操控，是对于纳 米材料研究的进一步深入。因为许多基于碳纳米管的设备对碳纳米管的排列和数 量是非常敏感的。利用介电泳可将碳纳米管按试验需要固定到相应的区域【5 5 1 。 同样，利用碳纳米管在装配、排序时对介质响应的差异，从而设计出各种纳米器 件【5 3 - 6 0 1 ，如利用介电泳铝电极的碳纳米管n 0 2 气体传感器【5 9 ，6 1 1 。用这些材料制 成的有效实用的纳米器件可大大提高对前列腺癌6 2 1 、直肠癌【6 3 1 等疾病诊断的灵 敏度。 因此，在微纳米传感领域，介电泳操控技术是一种很有潜力的纳米操控技术， 可以实现纳米结构在微电极间的排布及跨接等定位操作，完成它们在微纳米传感 器中的应用。 1 2 3 3 油品的介电精制 固体微粒杂质是航空油品中最常见的污染物。目前，国内外润滑油中固体微 粒的分离技术主要有：吸附法、沉降法、机械网或膜过滤法畔】等。但上述方法 对微米级固体颗粒的分离效果不佳，达不到油品的高洁净度质量标准。而朱岳麟 等人运用介电动力学分离方法的研究表明，介电泳方法对5 种国内外常用的发动 机润滑油和1 0 撑航空液压油进行精制，可使固体颗粒含量从1 5 0 一- , 8 0 0 个m l 下降至u 5 - - 4 0 付m l ，脱除率达9 5 9 8 ，国产润滑油从i s o d i s 4 4 0 6 标准 的1 4 - - 1 7 级提高到9 1 2 级，油品外观清澈透明，获得很好的精制效果【6 5 】。 7 1 2 3 4 辅助生物研究的非生物材料的研究与应用 随着现代科学技术的发展，学科之间的交叉与渗透越来越明显。介电泳在非 生物方面的研究也是如此。许多关