流动流体电化学方法与流程

流动流体电化学方法
1.(一)技术领域：本发明属于电化学技术领域。
2.(二)

背景技术：
电化学主要研究化学能和电能间相互变换的规律。由于各种物质材料的不同性能，发生的电化学反应多种多样，应用的方向也各不相同，使得电化学研究成为一门分支众多的科学技术。不过，现有的电化学科学和技术，所研究的都是含有电解质的流体在基本处于非流动状态下发生的电化学反应，以及利用这类非流动状况下发生的电化学反应进行化工生产和多种工业技术的应用。例如利用各种不同性能材料和电解质发生不同的电化学反应进行的各种电解工艺应用、制造各种电池、各种电镀技术、各种电铸产品、金属电解精制；利用电流通过电解质溶液时能在阴阳两极发生氧化还原反应的电解池进行电化工生产，例如电解食盐水生产氢气、氯气和苛性钠等；还有研究各种因电化学原理产生的金属被腐蚀问题和利用电化学原理进行金属防腐蚀等等。不过，现有的各种电化学研究和技术应用，所用到的电解质溶液或熔融体，虽然在电场力的作用下，电解质中的正离子和负离子都会分别趋向相反极性的电极，但电解质溶液或熔融体在总体上都是处于静态的。也就是说，现有电化学研究的和工业应用的对象都是针对静态电解质溶液或熔融体的。虽然在生产过程中也需要原材料和生成物的流动进入或移出，但发生电化学反应的电解质溶液或熔融体本身并不需要流动；而本发明“流动流体电化学方法”则提出一种新的电化学工艺方法，是必须处于流动状态下的电解质溶液或熔融体通过横向磁场时才能发生的电解质正、负离子的分离变化，以及电解质离子遇到电极材料时发生的电化学反应和产生的物质转化，并且在电极材料上能够产生电动势，具有发电的功能和效果。
3.(三)

技术实现要素：
本发明“流动流体电化学方法”提出一种新的能够利用流动的电解质溶液或熔液(熔融体)进行化工生产和发电的方法，其特征是利用含有电解质的溶液或熔液在横向磁场中定向流动时，电解质中的正离子和负离子受到磁场力的作用，会在随流体向前流动的同时，发生方向相反的偏转运动，使电解质溶液或熔液的正离子和负离子在流动的过程中分别趋向并聚集在两边设置的两个电极材料处，并能分别在两边的电极材料上发生电化学反应，从而形成电动势，并在两边的电极材料构成回路时，可以产生电流，并在放电的同时还能在电极材料表面及其附近产生新的化学物质。
4.具体而言，本发明“流动流体电化学方法”是一种让含有电解质的处于溶液状态或熔融状态的流体在管道中流经横向磁场时，溶液或熔液中随着流体向前流动的正离子和负离子，由于受到横向磁场的作用力(洛伦兹力)，会使正离子和负离子在随流体向前流动的同时，还会产生分别趋向左、右两侧的、方向相反的附加偏转运动(根据左手定则判断运动方向)，并分别在管道里流体流动方向的两侧聚集，不断增密，当正、负离子运动到设置于管道中流体流动方向两侧的电极材料处时，就可以在电极材料上发生电化学反应，使处于流体流动方向左、右两边的电极材料之间产生电动势，一旦将两边的电极材料的电路连通，就能够在回路中产生电流，而且在发生电流放电的同时，在电极材料表面会发生氧化或还原反应，使正、负离子分别转化为新物质的原子和分子，再利用管道结构的专门设计，将电极材料附近产生的处于气体或液体状态的新物质引导出来，分别进行与该物质性能相应的进一步处理，生产出相应的产品；而在流体流动的主流方向上，则由于流体中所含的正、负电
解质离子被从左、右两边分别导出，而使得主流流体变得比较纯净。利用这种“流动流体电化学方法”，只需要消耗含有电解质的流体流动的动能，就可以在磁场作用下将电解质从溶液或熔液中分离出来，既能净化主流流体，又能制造新的物质，同时还能产生电能，像电池那样发电。
5.不过，在这里的发电，并不像原电池那样，需要消耗电极材料，单纯将电极材料和电解质的化学能转换为电能，而是还利用了流动流体的动能，以及流动流体流经的横向磁场对正负离子的分离作用。这里所生成的电流，也不像常规电池那样，不用时能储存在那里，使用时接通电路随时可用；而是只有在含有电解质的流体流经横向磁场时，才有可能在设置于流体流经路径两边的电极材料上产生电动势，并在设置于流体路径两边的电极材料能够形成闭合回路时产生电流。如果两边的电极材料没有形成闭合回路，就不能在电极材料表面发生电化学反应。在这种情况下，如果流动流体是在简单的单一管道里(即“简单管道系统”)流经横向磁场的，流体中的电解质离子虽然曾经一度被横向磁场左、右分开，由于两边的电极材料没有形成闭合回路，没有能在电极材料表面发生电化学反应，就会随着流体的流动，在离开磁场后，就又重新恢复原来正、负离子在流体里基本均匀分布的状态。
6.如果流动流体是流经一个处于横向磁场中、三区并列的“复合管道系统”，倘若两边的电极材料没有形成闭合回路，其结果就会不同。这里所说的三区并列的“复合管道系统”，其中部区是从头到尾直通的主管道，在中部区主管道的两侧，是能让含有在磁场作用下分别趋向两侧聚集增密的正、负离子的流体通过和从中部区“溢出”的、带有栅格结构缝隙的间隔管壁，而在带栅格结构缝隙的间隔管壁外，就是在“复合管道系统”主管道两边并列的同样处于横向磁场中的离子处理区分管道，能收容从栅格缝隙“溢出”的富含正离子或负离子的流体。在离子处理区分管道外侧安装有电极材料，能使正离子或负离子发生电化学反应，而离子处理区分管道的尾部管道，与能够对两侧电化学反应后流出的液体作进一步处理的装置相连接，并且在离子处理区分管道适当部位的上方，还有能够容纳电化学反应产生的气体物质的空间和能够导出气体物质的竖向管道。当含有电解质的流动流体流经这样一个处于横向磁场中、三区并列的“复合管道系统”时，如果两边的电极材料接通回路，就会有电流流过，并且在为回路提供电能的同时，在电极材料表面发生电化学反应，产生新的物质；如果两边的电极材料没有接通回路，就不会有电流流过回路。在从中部区尾部管道流出被去除了正、负离子之后的主流体的同时，从中部区两边带栅格结构缝隙的间隔管壁“溢出”的富含正离子或负离子的流体，在没有能够在电极材料表面发生电化学反应的情况下，就会分别流进不同的容器里，形成两个分别带正电和带负电的液体带电体。如果这两个容器不够大，随着正负离子密度的增加，会产生放电，或漏电，同时还会产生对后来从间隔管壁“溢出”的同性离子的排斥力，使得后来的离子不能再从间隔管壁的栅格结构缝隙“溢出”，其结果，流动流体虽然流经了处于横向磁场中三区并列的“复合管道系统”，也不再会发生电化学反应，仍然保持原来的含有电解质的流体状态。但是，一旦两个电极材料接通回路，就会在电极材料上发生电化学反应，在回路里发生放电，犹如一个电池的作用。
7.在这里，在两侧电极材料上所形成的电动势的大小(以及相应能产生电流的大小)，与所用流体材料、其中所含电解质材料种类及其浓度大小、流体流动的速度、横向磁场的强度、流体路径两边的电极材料种类、流体流动路径的管道结构，被分离的正负离子是否能够及时发生电化学反应等等诸多因素都有关系。因此，这里的发电是一种由物理、化学、
以及机械结构和流体运动状况等多种因素共同决定的发电方法。
8.在这种利用流动流体发电的同时，还能生成新物质。而新物质的生成，与所用流动流体的材料以及其中所含的电解质种类有关，还与所用的电极材料有关。这里涉及的就是常规电化学相关的科技问题。在这里不同的，只是、也必须是利用流动的电解质溶液或熔液在流经横向磁场后遇到电极材料时才能发生的变化，而且这种变化只有在两个电极材料之间构成后路时才能发生。
9.(四)附图说明：附图1是由三区并列“复合管道系统”构成的“流动流体电化学装置”的俯视结构布局示意图；附图2是由三区并列“复合管道系统”构成的“流动流体电化学装置”的正视结构布局示意图。其中数码[1]是扁平狭长的中部区主管道；数码[2]是中部区主管道的流体入口；数码[3]是中部区主管道的流体出口；数码[4]是中部区主管道两侧的带有栅格结构缝隙的间隔管壁；数码[5]是左侧离子处理区分管道；数码[6]是右侧离子处理区分管道；数码[7]是左侧离子处理区分管道外侧安装的电极材料；数码[8]是右侧离子处理区分管道外侧安装的电极材料；数码[9]是能与左侧离子处理区电化学反应后流出的液体作进一步处理的装置相连接的分管道尾部管道；数码[10]是能与右侧离子处理区电化学反应后流出的液体作进一步处理的装置相连接的分管道尾部管道；数码[11]是左侧能够容纳电化学反应产生的气体物质的空间；数码[12]是左侧能够导出气体物质的竖向管道。数码[13]是右侧能够容纳电化学反应产生的气体物质的空间；数码[14]是右侧能够导出气体物质的竖向管道。数码[15]是处于“复合管道系统”上面的恒磁体；数码[16]是处于“复合管道系统”下面的恒磁体。“复合管道系统”上面和下面的恒磁体处于极性相反互相吸引的状态。在上、下磁体强力吸引的情况下为了能够使管道系统坚固稳定，还可以在是中部区主管道区增加若干不影响流体运动的支柱(未画出)。流体流经管道的出、入管都有阀门控制(未画出)。
[0010]
在附图2中主要显示出在“流动流体电化学装置”上面和下面安装的两块恒磁体材料[15][16]的位置，以及恒磁体材料与三区并列的“流动流体电化学装置”的相对位置关系。还显示出“流动流体电化学装置”两边离子处理区能够容纳电化学反应产生的气体物质的空间[11][13]，以及能导出气体物质的竖向管道[12][14]。没有画出散布在[1]中的若干立柱，也没有画出管道上的阀门，以及间隔管壁、电极材料等的具体结构。
[0011]
附图3是利用浪涌泵[17]把海水泵到高处蓄水池的示意图。分布在海边海面之下的一系列喇叭口结构构成的能利用海浪的冲击力量提升海水高度的浪涌泵[17]。每个浪涌泵[17]喇叭口的大口朝向大海、能够在浪涌冲击时因海水的会聚挤压产生水压，将海水从喇叭口内小口压向与小口相连的带有单向阀[18]的上升管道[19]，并沿着管道上升，灌进高处的上蓄水池[20]里。在上升管道[19]与小喇叭口连接处设置的单向阀[18]，可使海水只能在海浪冲击喇叭口时进入上升管道[19]，而在海浪退回时不能从上升管道[19]反流。进入上蓄水池[20]里的海水经过过滤后进入下蓄水池[21]，再通过下行管道[22]与下边低处的“流动流体电化学装置”[23]相连。若利用浪涌泵来提升海水的高度，无论是进行海水淡化，还是进行化工生产和发电，都不需要消耗能量，反而能生成可利用的电能。若以发电和化工生产为目的，可以加大流动流体(海水)里电解质(食盐)的浓度。在同样的浪涌冲击力下，上升管道[19]越细，浪涌泵可提升海水的高度越高，速度自然也越慢。
[0012]
(五)具体实施方式：根据需要达到的技术目的，选择供使用的含有电解质的流体
材料。
[0013]
例如，倘若为了进行海水淡化，自然要选择海水作为流动的流体介质。海水里含有的主要电解质是氯化钠。海水里主要的电解质离子，既有氯化钠电离后形成的cl-和na
+
，又有水本身电离形成的h
+
和oh-。利用泵将海水泵到高处的蓄水池里，经过过滤后，再利用管道将海水从高处的蓄水池里引流到低处的“海水淡化装置”处。该“海水淡化装置”是一种狭长扁平状的三区并列的复合结构管道——“流动流体电化学装置”。海水在狭长扁平的复合结构管道里流经横向磁场时，带电粒子在横向磁场中运动时会受到磁场的作用力(洛伦兹力)。根据磁极的设置和磁力线的方向，会使正、负离子在向前流动的同时，分别产生趋向左、右两侧的附加运动(可以按照左手定则判断正、负离子运动的方向)，并逐渐增密，从带有竖向栅格缝隙的间隔管壁溢出到两边的离子处理区。若在离子处理区流体流动路径的两侧设置有电极材料，就会在电极材料表面发生电化学反应，并在电极材料上产生电动势，使电极材料转化为能够输出电流的电极。一旦连通两个电极材料的外电路(可通过负载或与蓄电池连接)，就会有电流通过回路。在负离子(cl离子和oh离子)趋向的电极材料(例如石墨)上发生丢失电子的氧化反应，生成氯气和水，并使该电极材料呈现负电性；而在正离子(na离子和h离子)趋向的电极材料(例如铁丝网或石墨等)上发生还原反应，生成烧碱溶液和氢气，并使该电极材料呈现正电性。
[0014]
结合附图1和2具体说：在复合结构管道的上、下两边，装配有能在管道里形成横向磁场的两块恒磁材料[15]和[16](例如钕铁硼或铝镍钴等)。在狭长扁平状的复合结构管道内，分为三条并列的分管道区：中间[1]是主管道区，两边的分管道[5][6]是离子处理区。在主管道区与两边的离子处理区分管道之间，各有一条带有一系列竖向缝隙的间隔管壁[4]。中部的主管道区[1]是从头到尾直通的(为了增强扁平管道对上、下两块相互吸引的磁铁的支撑力，在主管道区[1]可以增加若干分散的、不影响流体流动的支柱)，而在中部主管道[1]的两侧，在带有栅格结构缝隙的间隔管壁[4]之外的离子处理区分管道[5]、[6]内的两边，安装有能使正离子或负离子发生电化学反应的电极材料[7]和[8](为了增强电极材料进行电化学反应的能力，最好采用表面积大的丝网或多孔饼状的结构)。对于从入口[2]流动进入“海水淡化装置”的海水，根据所安装的磁场方向，可用左手定则判定的正、负离子的趋向和溢出的离子处理区[5]、[6]里的流体成分。在正离子趋向的离子处理区，所用电极材料可用铁丝网等，而负离子趋向的离子处理区电极材料则用不与氯气发生反应的石墨。在分管道[5]、[6]尾部出口[9]、[10]，与能够收容和处理液体物质(例如烧碱溶液)的装置相连；同时在离子处理区[5]、[6]处还有能够容纳气体生成物氢气和氯气的空间[11]、[13]，以及导出管道[12]、[14]。
[0015]
在进行海水淡化时，可以用常规泵将海水抽到到高处的蓄水池里，利用落差产生流动流体的流动动力；或为了充分利用自然能，可以像图3所示的那样，用浪涌泵[17]将海水泵到高处蓄水池里，完全利用自然力来造成落差，产生流动流体的流动动力，在“流动流体电化学装置”实现流动流体的电化学过程和应用，而且在进行海水淡化、生产化工产品的同时，还能发电。
[0016]
由于利用“流动流体电化学方法”进行海水淡化不仅要求海水(流体)处于流动状态，而且还要求用此方法的“海水淡化装置”中的电极材料必须处于接通回路的状态，否则电化学过程会因为离子处理区[5]、[6]的离子浓度增加，产生对后来的同性离子的排斥力
而不能继续。为此可以将两个电极与蓄电池系统的电极相连接。