CN102641663A - 动生电渗析设备及水淡化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动生电渗析设备及水淡化方法，包括定子、转子和渗析箱，定子和转子之间形成磁场，渗析箱位于磁场中，并与定子固定，渗析箱的两侧各连有一块电极板，渗析箱内部由至少一对阴、阳离子交换膜隔开成至少三个空间，两边的是极水间，中间的是淡水间，每个空间上下面各设有进水管和出水管，两块电极板之间连接一根导线。本发明提供了一种新的海水脱盐和污水净化处理设备，不需要发电机，电源和相关控制电路，能源利用效率得以提高，设备结构得以简化，材料价格便宜，设备成本和运行成本较低，离子交换膜质量稳定，替换和维修方便，原水利用率可达80%以上，可广泛应用于海水淡化和污水处理中。
Description
技术领域
本发明涉及一种海水淡化以及污水净化的设备。
背景技术
海水，苦咸水脱盐淡化以及污水净化的方法有许多种，各有优劣，主要的几项技术简述如下：
1. 蒸馏法（包括多效蒸发ME，闪蒸FLASH 和压汽蒸馏VC 等）
让苦咸水或海水加热沸腾蒸发,再把蒸汽冷凝成淡水的技术。主要优点是结构相对简单、操作容易、所得淡水水质好。缺点是初期投资大，能耗高（一般适合于有余热可利用的场合，如热电站），为降低运行成本，必须靠规模效应。不适合中小型设备开发。
2. 反渗透法
在选择透过性膜的一侧加上比自然渗透更高的压力，把溶液中的水分子压到半透膜的另一边，从而获得淡溶液的技术，反渗透技术可以从水中除去90 %以上的溶解性盐类和99 %以上的胶体微生物及有机物，但反渗透技术需要严格的原水质量，如不能满足要求，则需复杂的预处理工艺和较贵的预处理设备，昂贵的反渗透膜组件的更换成本很高，有关部件（如高压泵）的成本和消耗也不低，反渗透的原水利用率不到50%，浓水的处理和由此带来的能耗也不能不考虑。如果完全采用海水膜淡化海水，除膜成本外，能耗也很高。
3. 电渗析法
电渗析法（电渗析ED 和电去离子EDI ）是利用离子交换膜在电场作用下分离盐水中的阴、阳离子，使淡水室中盐分浓度降低而得到淡水的一种膜分离技术，技术成熟, 工艺简单、除盐率较高、操作方便、不污染环境，离子交换膜比反渗透膜便宜得多，但电渗析对原水水质有一定要求，且不能去除水中有机物和细菌，作为饮用水还需后处理，电渗析过程的能耗与原水含盐量有密切关系，含盐量越高，能耗越大，所以用于海水淡化，必须考虑能耗和运行成本。
4. 新技术尝试
一些新的发明力图将传统技术与其他技术相结合，以降低成本和能耗。比如将太阳能，风能和潮汐能引入反渗透或电渗析技术，以解决无电和常规能源短缺地区人们的生活用水问题。但由于这些能源形式的低密度和不稳定性，发出电能需额外设备解决存储和转换问题，从电能转化效率和成本上看，并未具有显著的优势，除非不经先发电这一步，直接将这些能源用于海水淡化。
发明内容
本发明的目的是提供动生电渗析设备及水淡化方法，要解决传统海水淡化污水处理方法成本高、能耗大、原水利用率低、设备运行不稳定的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种动生电渗析设备，包括定子、转子和渗析箱，所述定子和转子之间形成磁场，所述渗析箱位于磁场中，并与定子固定，所述渗析箱的两侧各连有一块电极板，渗析箱内部由至少一对阴、阳离子交换膜隔开成至少三个空间，两边的是极水间，中间的是淡水间，每个空间上下面各设有进水管和出水管，两块电极板之间连接一根导线。
所述磁场是采用永磁体产生的磁场或者采用通电励磁线圈产生的磁场。
所述定子、渗析箱和转子都是筒形，三者顺序套在一起，定子位于最外层，转子在内，永磁体粘贴在转子外表面，所述转子的内侧与转子轴连在一起，转子轴由内燃机或其它转动机械带动，形成轴式动生电渗析设备。
所述转子和渗析箱之间有一间距。
所述定子、渗析箱和转子均为圆盘形，三者轴向顺序排列，定子通过定子支承轴与轴承座连接，转子通过转子轴与轴承座连接，转子轴通过皮带带动转子转动，永磁体的南、北极分别与定子和转子连接，形成盘式动生电渗析设备。
所述箱体内部由两对阴、阳离子交换膜隔开五个空间，由外向内依次为两个极水间，两个淡水间，以及中间的浓水间。
所述导线串联一个电阻。
一种应用所述动生电渗析设备的水淡化方法，将盛有原水的渗析箱放置于磁场中，所述的磁场产生方式包括采用永磁体和采用通电产生磁场的励磁线圈，在渗析箱中设置有一对电极板和一对或多对阴阳离子交换膜，交换膜及所配和的支撑板将箱体分隔为若干淡水，浓水和极水间，这些隔间都设有进水管和出水管，使得原水能持续进入，淡水，浓水和极水能持续流出，两个电极板通过磁场外的导线连接，让渗析箱对产生磁场的物体做相对运动，所述的相对运动产生方式包括：让渗析箱不动，让产生磁场的物体运动，使得原水切割磁力线，利用各种机器的转动动能，直接在原水中产生动生电动势，使得原水中能形成动生电流，驱动阴阳离子运动，分别通过阴阳离子膜，用电渗析方式淡化或净化原水。
所述原水包括海水、苦咸水、地面水、地下水、自来水、各种工业或生活污水。
所述机器包括各种热机、电动机、蒸汽机、汽轮机、风力发电机、潮汐发电机、水轮机或自然能源带动的转动机械；所述机器通过使用齿轮箱对机器的转速进行增速或减速，通过定期改变机器或机械的转动方向，同时将浓水或极水和淡水的出水管切换，达到变换电流方向，减低极化效应，稳定运行的目的。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明提供了一种新的海水，苦咸水脱盐和污水净化处理设备，与传统电渗析技术相比，不需要发电机，电源和相关控制电路，能源利用效率得以提高，设备结构得以简化，可用于任何使用内燃机或转动机器，机械的地方，企业和单位；与反渗透相比，材料价格便宜，设备成本和运行成本较低，离子交换膜质量稳定，替换和维修方便，原水利用率可达80%以上。
本发明可广泛应用于海水和苦咸水的淡化、海水浓缩制盐，乳制品提炼，果汁脱酸，化工产品提纯，轻工等行业的纯水制取，电子、医药行业制取高纯水的前处理工序以及锅炉给水的初级软化脱盐等，在环保方面，本发明技术还适用于电子、医药、化工、火力发电、食品、啤酒、饮料、印染及涂装等行业的废水、废液处理与贵重金属回收。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1 本发明的原理示意图。
图2 本发明的渗析箱中阴阳离子运动分离示意图。
图3 本发明实施例一轴向内转子-外定子型动生电渗析机的结构示意图。
图4 本发明实施例一的渗析箱的结构示意图。
图5 本发明实施例一的渗析箱的剖面示意图。
图6 本发明实施例二盘式电渗析机的结构示意图。
图7 本发明实施例二的渗析箱的结构示意图。
附图标记：1-定子、2-渗析箱、3-电极板、5-阴离子交换膜、6-阳离子交换膜、7-转子、8-转子轴、9-永磁体、9.1-永磁体南极、9.2-永磁体北极、10-出水管、14-进水管、16-定子支承轴、18-皮带、19-轴承座、20-导线、21-电阻、22-极水间、23-淡水间、24-浓水间。
具体实施方式
本发明提出一种新的动生电渗析设备及水淡化方法，该设备需要与各种内燃机，如汽油机或柴油机，电动机或风力转动等机械等配合使用，利用这些机械或机器的转动动能直接转化为直流电，用电渗析方式淡化海水或净化劣质水，根据本技术开发的设备可用于任何使用内燃机或转动机器，机械的地方，企业或单位，如各类船舶，采用柴油机发电的海岛或内陆村落，海上或陆地钻井队，各种类型和规模的工厂企业或家庭，也可以作为各种规模的反渗透系统的前处理（脱盐）设备。
本发明的工作原理是采用永磁体建立磁场，将渗析箱放于磁场中，目的是通过切割磁场磁力线在原水中产生动生电动势，提供电渗析技术所需的直流电流，所述渗析箱的设计除了应考虑盛水体积大小，能方便换取交换膜外，还必须考虑合适的形状，由于安置于转子和定子之间，所以箱体厚度不能大，以免漏磁严重，箱体材质可考虑用耐海水或污水腐蚀的不锈钢，高分子或陶瓷材料，从成本和方便加工的角度，采用高分子材料为好，如果采用传统电渗析技术，需先通过发电机将转动动能转换为电能，再通过电源控制电路将电能转化为电渗析所需能源，采用本发明的电渗析技术，省略了第一步技术，简化了第二步技术，不需要发电机，不需要电源和相关控制电路，直接通过本发明装置即可淡化海水或净化污水，能源利用效率得以提高，设备结构得以简化。
具体的原理参见图1所示，9.1和9.2是永磁体的南、北极，两极之间放置盛满原水的渗析箱2，所述原水就是需要处理的海水或者污水，为防止离子交换膜被污染和阻塞，需要对原水进行预处理，包括过滤，凝聚，澄清，曝气和加氯等，箱体的两侧面各装置有一块电极板3，电极板3，也可参照传统电渗析电极板进行设计和制造，由耐海水腐蚀的金属，如不锈钢，或其他导电材料制成如石墨，铅和二氧化钌，箱体内部由至少一对阴、阳离子交换膜5和6分隔开，离子交换膜具有选择透过性，即阳离子交换膜只允许阳离子自由通过，阴离子交换膜则只允许阴离子通过，阴、阳离子交换膜5、6以及支撑膜的隔板均可以采用传统电渗析技术所用材料，其形状应按要求进行设计，交换膜的安置设计应考虑膜和隔板的定期更换方便性，如图所示，当永磁体9与箱体产生相对运动时，运动方向如箭头所示，箱体内的原水作为导体，将切割磁力线，图中磁力线方向是由上到下，所以原水中将产生动生电动势E，按图中切割磁力线的方向，可以判定动生电动势的方向是从右到左，将两个电极板3用置于磁场外的导线20连接起来，则原水中的阳离子，如Na，Ca，Mg等金属阳离子，将在电动势E的作用下，由右向左运动并穿过阳离子交换膜6，而阴离子，如Cl，碳酸根等阴离子，将由左向右运动并穿过阴离子交换膜7，因而在中间的隔室中，盐的浓度就会因为离子的定向迁移而降低，形成淡水间23，而靠近电极板的两个隔室则分别为阴、阳离子的浓缩室，即极水间22，最后在淡水间内达到脱盐的目的，图中导线20上连接电阻21，可以避免导线上产生相反的电动势，抵消部分原动生电动势E。
为了提高淡化效率，通常一台动生电渗析器并非由一对阴、阳离子交换膜组成，参见图2所示，箱体内部由两对阴、阳离子交换膜5和6分隔开时，渗析箱中阴阳离子运动分离情况，两对交换膜和两个电极板将箱体分隔为5个单间，导线20将两个电极连接起来，21是串联在导线上的电阻，原水中的阴，阳离子在动生电动势E的作用下分别向右和左运动，穿过阴离子和阳离子膜，由外向内依次形成两个极水间22，两个淡水间23，以及中间的浓水间24，将淡水，浓水和极水分别通过出水管10引出，再不断从进水管14注入原水，即可进行持续的海水淡化或污水净化。
本发明涉及的动生电渗析设备，与利用转动动能进行发电的各类发电机相比，结构相似，主要区别在于用海水代替普通发电机中产生动生电流的导线绕组，发电机有多种类型，所以动生电渗析机也可以设计成多种类型，包括轴式电渗析型或者盘式电渗析型，实施例一参见图3、图4、图5所示，轴向内转子-外定子型电渗析机的结构示意图，所述定子1、渗析箱2和转子7都是筒形，三者顺序套在一起，定子1位于最外层，转子7在内，永磁体9粘贴在转子7外表面，所述转子7的内侧与转子轴8连在一起，转子轴8由内燃机或其它转动机械带动，形成轴式动生电渗析设备，渗析箱2侧面为电极板3，内部由一对阴、阳离子交换膜5、6分隔出三个空间，每个空间各有进水管14和出水管10，以便原水进入以及淡水和极水的排出，所述转子7和渗析箱2之间一定的间距，以便转子7无阻碍地旋转，渗析箱2中的原水相对切割转子7与定子1之间的磁力线，在原水中产生动生电动势，将两电极板用导线20连接，原水中产生动生电流，使得阴、阳离子分离，原水得到淡化或脱盐。
图4是将渗析箱2的结构示意图，渗析箱2是剖面为圆环状的柱体，电极板3为圆环状，设置于渗析箱2的两个侧面，阴、阳离子交换膜5、6仍然呈圆环状，将渗析箱2分隔为三个区间，原水分别由三个进水管14进入各自的区间，在分别通过各区间的出水管排出接，导线20连接两个电极板3。
图5是位于渗析箱中部分隔出的淡水区的垂直于轴向的剖面示意图，原水从上方进入，淡水从下方排出，原水在该区间流动的过程中，所含阴阳离子逐渐被分离，所以靠近上方进口处的原水含盐量即阴阳离子含量较高，越接近下端出口处，含盐量越低，其中进水管14和出水管10最大流量，取决于转子的转速，永磁体磁场强度，渗析箱尺寸，整机设计水平和阴阳离子交换膜质量等因素。
与上述结构相似的是轴向内定子-外转子型动生电渗析机，其结构仅仅是将转动部件改在外侧，由多个永磁体与磁轭组成，内部为固定不动的定子，渗析箱位于转子和定子之间，与定子连接，渗析箱的结构基本不变。
实施例二参见图6所示，盘式动生电渗析机，所述盘式动生电渗析机有中间转子、中间定子、多盘式等结构，图中只有一个定子1和一个转子7，所述定子1、渗析箱2和转子7均为圆盘形，三者轴向顺序排列，定子1通过定子支承轴16与轴承座19连接，转子7通过转子轴8与轴承座19连接，转子轴8通过皮带18带动转子7转动，永磁体9的南、北极9.1，9.2分别与定子1和转子7连接，形成盘式动生电渗析设备，渗析箱位于定子和转子上成对的永磁体形成的磁场之中，当转子7在皮带18的带动下转动时，渗析箱中的原水因切割磁力线而产生动生电动势。
与实施例一不同的是，盘式电渗析机中的渗析箱和轴式电渗析机中的箱体虽然都是垂直与轴向剖面为圆环状的空心柱体，但电极板3和阴、阳离子交换膜5、6的位置有所不同，参见图7所示，所述电极板3分别是内环电极板以及外环电极板，阴、阳离子交换膜5、6将箱体分隔为三个区域A，B和C，其中B区为淡水区，与轴式电渗析机一样，也可以采用多对离子交换膜，将箱体分隔为更多区域，以提高效率，三个进水管分别给三个区域运送原水，经过处理之后再经过各个区域的出水管10流出， 导线20用来连接内环电极板和外环电极板。
所述淡水间流出的淡水，必须进一步经活性碳吸附和消毒灭菌处理后，才能作为饮用水。
一种应用所述动生电渗析设备的水淡化方法，将盛有原水的渗析箱2放置于磁场中，所述的磁场产生方式包括采用永磁体和采用通电产生磁场的励磁线圈，在渗析箱中设置有一对电极板3和一对或多对阴阳离子交换膜5、6，交换膜及所配和的支撑板将箱体分隔为若干淡水，浓水和极水间，这些隔间都设有进水管14和出水管10，使得原水能持续进入，淡水，浓水和极水能持续流出，两个电极板通过磁场外的导线20连接，让渗析箱2对产生磁场的物体做相对运动，所述的相对运动产生方式包括：让渗析箱不动，让产生磁场的物体运动，使得原水切割磁力线，利用各种机器的转动动能，直接在原水中产生动生电动势，使得原水中能形成动生电流，驱动阴阳离子运动，分别通过阴阳离子膜，用电渗析方式淡化或净化原水。
所述原水包括海水、苦咸水、地面水、地下水、自来水、各种工业或生活污水，所述机器包括各种热机、电动机、蒸汽机、汽轮机、风力发电机、潮汐发电机、水轮机或自然能源带动的转动机械；所述机器通过使用齿轮箱对机器的转速进行增速或减速，通过定期改变机器或机械的转动方向，同时将浓水或极水和淡水的出水管切换，达到变换电流方向，减低极化效应，稳定运行的目的。
本发明中，如果磁场强度和原水电阻确定，即存在一个极限转速，如果转子转动超过这一速度，将产生严重的极化现象，所以应控制转速在一定范围内，原水和出水需要通过水泵供给，水泵操作压力范围为 0.1─3.0kg /cm2 左右，动生渗析箱中产生的电压和电流与多种参数相关，一般范围是：1─300V，0.1─10A，换算成用电量，本发明技术的耗电量约0.1─10度/吨。但由于可用热机怠机动能和风能等免费电源，仍然十分节能。
本发明采用永磁体产生动生电动势所需磁场，可以使结构简化，尤其是采用磁场强，体积小的稀土永磁材料（如钕铁硼磁体），可以大幅提高效率，但目前这类材料价格较高，所以从成本角度，也可采用励磁线圈产生磁场，虽然结构稍复杂，但容易控制，尤其是启动时的阻力矩可以减小到合适程度，使电渗析机器能快速启动。
采用永磁体时，为减小启动阻力，可以采用定子和转子之间的分数磁极数关系，因为当转子上粘贴的磁极与定子磁极完全整齐对应时，磁力线有最短磁路，转子与定子间的强大吸引力会使电渗析机起动非常困难（所以起动阻力矩也就成了永磁发电机的重要参数），而采用分数磁极对应设计就可以较好的减小起动阻力矩，此外，还可以减少永磁体数，降低制造难度和成本。
如果内燃机或其他转动机械的转速不适合电渗析机时，可以使用齿轮箱进行增速或减速，变速不大的齿轮箱的制造和维护都较方便，成本也相对低廉。
常规电渗析器运行过程中经常需倒换电极，手动操作的倒换周期一般为2~ 24h，自动操作一般为15—30min（称为频繁倒极电渗析，记作EDR）。电渗析按EDR方式运行时，自动倒换电极极性的同时，通过阀门自动的切换，实现浓水室与淡水室之间的互换。EDR具有以下优点：①自动清洗阳极室和淡水室中阴膜表面处产生的垢物；②减轻电极处的浓差极化。每倒换一次电极极性，滞流层中离子浓度峰值就得到一次削减，从而抑制了滞流层中离子浓度过度增长；③控制阴极室和浓水室阴膜表面上生成的初始晶粒，在来不及长大附着就因电极极性的转换而被水流冲走；④避免带电荷胶体和微生物运动产生的黏泥积累，随电流方向频繁倒换，降低了他们在膜面附着的概率；⑤运行稳定，清洗周期延长。
本发明中，EDR较容易实现，只需定期改变转子转动方向，同时对不同的出水进行切换即可达到目的。
Claims (10)
1.一种动生电渗析设备，包括定子（1）、转子（7）和渗析箱（2），其特征在于：所述定子（1）和转子（7）之间形成磁场，所述渗析箱（2）位于磁场中，并与定子（1）固定，所述渗析箱（2）的两侧各连有一块电极板（3），渗析箱（2）内部由至少一对阴、阳离子交换膜（5）、（6）隔开成至少三个空间，两边的是极水间（22），中间的是淡水间（23），每个空间上下面各设有进水管（14）和出水管（10），两块电极板之间连接一根导线（20）。
2.根据权利要求1所述的动生电渗析设备，其特征在于：所述磁场是采用永磁体（9）产生的磁场或者采用通电励磁线圈产生的磁场。
3.根据权利要求2所述的动生电渗析设备，其特征在于：所述定子（1）、渗析箱（2）和转子（7）都是筒形，三者顺序套在一起，定子（1）位于最外层，转子（7）在内，永磁体（9）粘贴在转子（7）外表面，所述转子（7）的内侧与转子轴（8）连在一起，转子轴（8）由内燃机或其它转动机械带动，形成轴式动生电渗析设备。
4.根据权利要求3所述的动生电渗析设备，其特征在于：所述转子（7）和渗析箱（2）之间有一间距。
5.根据权利要求2所述的动生电渗析设备，其特征在于：所述定子（1）、渗析箱（2）和转子（7）均为圆盘形，三者轴向顺序排列，定子（1）通过定子支承轴（16）与轴承座（19）连接，转子（7）通过转子轴（8）与轴承座（19）连接，转子轴（8）通过皮带（18）带动转子（7）转动，永磁体（9）的南、北极（9.1）、（9.2）分别与定子（1）和转子（7）连接，形成盘式动生电渗析设备。
6.根据权利要求4或5所述的动生电渗析设备，其特征在于：所述箱体内部由两对阴、阳离子交换膜隔开五个空间，由外向内依次为两个极水间（22），两个淡水间（23），以及中间的浓水间（24）。
7.根据权利要求6所述的动生电渗析设备，其特征在于：所述导线（20）串联一个电阻（21）。
8.一种应用权利要求1-7任意一项所述动生电渗析设备的水淡化方法，其特征在于：将盛有原水的渗析箱（2）放置于磁场中，所述的磁场产生方式包括采用永磁体和采用通电产生磁场的励磁线圈，在渗析箱中设置有一对电极板（3）和一对或多对阴阳离子交换膜（5）、（6），交换膜及所配和的支撑板将箱体分隔为若干淡水，浓水和极水间，这些隔间都设有进水管（14）和出水管（10），使得原水能持续进入，淡水，浓水和极水能持续流出，两个电极板通过磁场外的导线（20）连接，让渗析箱（2）对产生磁场的物体做相对运动，所述的相对运动产生方式包括：让渗析箱不动，让产生磁场的物体运动，使得原水切割磁力线，利用各种机器的转动动能，直接在原水中产生动生电动势，使得原水中能形成动生电流，驱动阴阳离子运动，分别通过阴阳离子膜，用电渗析方式淡化或净化原水。
9.根据权利要求8所述的水淡化方法，其特征在于：所述原水包括海水、苦咸水、地面水、地下水、自来水、各种工业或生活污水。
10.根据权利要求8所述的水淡化方法，其特征在于：所述机器包括各种热机、电动机、蒸汽机、汽轮机、风力发电机、潮汐发电机、水轮机或自然能源带动的转动机械；所述机器通过使用齿轮箱对机器的转速进行增速或减速，通过定期改变机器或机械的转动方向，同时将浓水或极水和淡水的出水管切换，达到变换电流方向，减低极化效应，稳定运行的目的。
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