一种基于双极膜电渗析的新型海水淡化装置

1.本专利技术领域属化工领域


背景技术：

2.双极膜的发展始于20世纪50年代，最初仅仅是由两片阴阳离子交换膜直接压成，直到后来研究出单片型双极膜，性能才大幅度提升，直到后来带有催化层的双极膜的诞生，双极膜电渗析制酸碱才得以实现。
3.双极膜电渗析是以传统电渗析为基础，除阴离子交换膜和阳离子交换膜之外，额外添加具有快速催化水解离生成h+和oh-功能的双极膜。图7为典型的三隔室双极膜电渗析构型。双极膜与阴阳离子交换膜交替排列，形成三个隔间，其中双极膜与阴离子交换膜之间的隔间为酸室，双极膜与阳离子交换膜之间的隔间为碱室，阳离子交换膜与阴离子交换膜之间的隔间则为盐室。在电场力作用下，盐室cl-被阳离子交换膜阻挡选择性透过阴离子交换膜，na+被阴离子交换膜阻挡选择性透过阳离子交换膜，分别与双极膜水解离产生的h+和oh-结合，转化为相应的酸和碱，使得脱盐与酸碱的生产同步进行。
4.目前主流的海水淡化方法包括蒸馏法、电渗析法、反渗透法和冷凝法等。但这些方法所用的设备造价高昂、淡化成本较大。因此，在所有方法中，选取设备成本相对较低的电渗析法。又由于电渗析法消耗能量较大，且需常更换电极，因此利用电磁感应定律，提出了一种利用交变电流产生涡旋电场的双极膜装置。此装置主要用于淡化海水。双极膜的海水淡化中，降低了淡化总耗能，也直接移除了电极损耗成本，还可以得到酸碱副产物。
5.在已有的双极膜电渗析装置中，以基础三室单元重复堆积的类型是主导。但这种装置在膜更换成本上拥有巨大的花销，同时副产物——酸和碱的浓度较低，往往还需要浓缩，体积大，难以安置。而本双极膜电渗析装置可以说是一种低耗能，酸碱浓度高，装置简单便于维修调整，易于安放与传输的良好淡化装置。


技术实现要素：

6.针对现有的电渗析装置体积巨大、能耗巨大、结构复杂、不便于维修等诸多缺点，提供了一种新型的双极膜电渗析装置。
7.目前市面上大多以三隔室双极膜电渗析装置为主进行双极膜电渗析制酸碱，而非淡化海水。
8.其中三隔室双极膜电渗析的原理图为图7。
9.本发明提出的新型双极膜电渗析装置，主要包括渗析室与外加电路两大部分组成。
10.渗析室为一个较扁的圆柱形容器。图1为装置主体示意图，图中编号及其对应部分：1-渗析室壁2-酸室3-碱室4-阳离子膜5-阴离子膜6-内芯7-淡化水室8-双极膜9-外围通电螺线管
11.中间被双极膜、阳离子膜与阴离子膜分成了三个部分：酸室、碱室和淡化水室。其
中阳离子膜可以被替换为bds树脂膜。三个渗析室呈圆环形排布，且除了膜接触的部分其余均为绝缘物质，这些绝缘物质保证渗析室之间不会出现泄漏电场的现象。双极膜与电极的侧面接触，除开接触部分，电极的侧面将涂有绝缘层，如图6。
12.外加电路主要由励磁线圈、电流表、自动控制芯片、电源和开关等部分组成。其中励磁线圈与电流表串联，目的是监控线圈中的电流大小；电源为装置提供能量、开关起到总的控制作用。自动控制芯片与电脑相连，控制电源输出如图2所示的电流波形，此为螺线圈输入电流。最终装置内部将形成稳定的周期性电场，如图3，此为感应电动势示意图。励磁线圈材料为漆包线。
13.本发明方案具有如下有益效果：
14.1.自动控制渗析过程，操作简单；
15.2.结构简单，维修便利；
16.3.由于渗析液不与电极接触，提高了使用寿命。
17.4.利用外部螺线圈在内圆柱内产生涡旋感应电场，双极膜电渗析的效率与净化能力将提升。
18.5.可有两种外观改造形式，图4为可以直接作为传输管道，让海水在运送途中被纯化。图5可以作为净化装置放置在工厂内部。
19.6.据报道，双极膜电渗析对于水的解离是水正常分解的百万倍，且耗能低，是一个节能清洁的淡化海水方法。
20.7.双极膜电渗析将产生副产物酸碱，可以作为工业用途。进一步提升经济效益。
具体实施方式
21.为了使该装置的原理更加易懂，现结合附图2与图3进行说明。
22.符号说明：螺线管电流i，感应电场e，时间t。利用计算机对螺线管电流进行控制。
23.0到t1时刻为注水时刻，此时为了节能，不需通入电流，i＝0；此时电脑控制注水阀门打开，励磁电流开关断开。
24.t1到t时刻通电螺线管电流为
25.i＝k(t-t1)
26.由毕奥-萨伐尔定律可知，感应磁感应强度大小
27.b＝mi＝m k(t-t1)
28.根据电磁感应定律，渗析室中产生的涡旋电场大小
[0029][0030]
是一个定值。
[0031]
因此，在恒定涡旋电场的作用下，阴阳离子分别进入酸室内和碱室内，达到淡化水的效果。
[0032]
因此t1到t时刻，注水阀门与出水阀门均关闭，励磁电流开关闭合，溶液在涡旋电场的作用下进行电渗析淡化过程。
[0033]
t2到t时刻为出水时间，此时为防止逆向渗析的现象发生，需要保持螺线管电流均匀增加，即保持涡旋电场大小不变。这一过程中，酸室、碱室和淡化水室中的产物将被注入
不同的容器中。
[0034]
因此t2到t时刻，出水阀门打开，励磁电流开关仍旧闭合，电渗析过程仍在进行。
[0035]
待t时刻出水完成，电流由阈值im降为0，该过程瞬间完成。随后开启新一轮的淡化过程。
[0036]
t时刻至下一轮开启的过程中，励磁电流开关断开，注水口与出水口均关闭。
[0037]
实际电渗析过程中，电流的调节以及进出水口的开关的调节均由传感器结合计算机进行控制。渗析前，需要向计算机输入离子浓度的标准值。当传感器显示的离子浓度低于初始设定的标准值时，电脑将打开出水阀门，若未达到则渗析过程仍继续进行，直到浓度符合淡化标准。
附图说明
[0038]
图1为装置主体示意图
[0039]
1-渗析室壁 2-酸室 3-碱室 4-阳离子膜 5-阴离子膜 6-内芯 7-淡化水室 8-双极膜 9-外围通电螺线管
[0040]
图2螺线管电流示意图
[0041]
图3感应电动势示意图
[0042]
图4细而长的淡化装置
[0043]
图5扁而宽的淡化装置
[0044]
图6金属棒与双极膜位置关系
[0045]
图7三隔室双极膜电渗析构型。


技术特征：
1.一种双极膜电渗析装置，包括圆直筒本体与外围螺线圈，其特征在于，外围的圆筒将使用绝缘材料，螺线圈与圆直筒将被分隔开。圆直筒内部被阳离子膜、阴离子膜与双极膜分为三个部分。其中阳离子膜与双极膜之间的部分为酸室，其占有体积偏小；阴离子膜与双极膜之间的部分为碱室，其占有体积偏小；阳离子膜与阴离子膜之间的部分为水室，体积偏大。外围螺线圈的绕环方向与实际所需电场的方向相反，通入交变电流来产生周期性的电场，对海水进行电渗析淡化。各室水通入装置，控制流速，对外层通电螺线圈通入特定电流，本装置将会在内部圆柱体内产生涡旋形稳定的电场。在电场作用下，海水中阳离子会向碱室流动，阴离子会向酸室流动，最终在酸室得到盐酸硫酸混合，碱室得到火碱，水室得到纯水。2.根据权利要求1所述的4，其特征在于，所述阳离子膜只允许阳离子通过，通过方向是双向的。膜根据装置外形，为修长的矩形，长宽与双极膜一致。水室中的阳离子在电场的作用下移动，通过阳离子膜来到碱室形成碱。3.根据权利要求1所述的5，其特征在于，所述阴离子膜只允许阴离子通过，通过方向是双向的。膜根据装置外形，为修长的矩形，长宽与双极膜一致。水室中阴离子在电场的作用下移动，通过阴离子膜来到酸室形成酸。4.根据权利要求1所述的6，其特征在于，所述金属棒为可导电的细长半径较小的刚性金属棒(优选铬)。装置依据金属棒固定，双极膜将被固定在金属棒一侧，最终在切面形成钥匙孔的形状。金属棒作为导电物体，将代替导线，成为双极膜的供电装置。且在未与双极膜接触的侧面上涂绝缘层，避免电极与溶液直接接触。5.根据权利要求1所述的9，其特征在于，所述螺线圈呈螺旋上升状，并且密绕在淡化室的外侧。螺线圈做紧密环绕。所述线圈通入特定外加电流时，会在溶液内部形成特定的涡旋形感应电场，环绕方向为酸室—双极膜—碱室，这个电场作用于溶液，使得其中的离子沿着涡旋电场做定向运动进入酸室与碱室，从而达到淡化水的效果。6.根据权利要求5所述的9，其特征在于，所述特定外加电流是一个削底的锯齿波。该波形在每次上升之前有一段真空期，以便于水的流出。稳定增加的电流将产生用于产生淡化水过程中所需的电场。根据电磁感应定律，稳定增加的电流产生的磁场也是稳定增加的，产生的涡旋电场的大小与方向在渗析过程中将保持不变，保证了渗析过程的稳定性。7.根据权利要求6所述的9，其特征在于，所述特定外加电流在0-t1时刻为注水过程，t1—t2期间为电渗析淡化过程，t2—t为换水过程。出入水阀门的开关与电流变化相位的调节由电脑进行统一自动控制，从而保证渗析过程的完整顺利进行，避免反向渗析导致净化水中杂质的产生。8.根据权利要求1所述的双极膜电渗析装置，其特征在于，所述装置渗析室形状可以为细而长的圆柱，即圆柱的高度远大于切面的半径。或者是扁而宽的圆柱，即圆柱切面半径远大于圆柱高度。主要以放置方便为主，可以设计多种外形。

技术总结
本发明实施例公开了一种以双极膜电渗析原理为基础的圆直筒电渗析装置，包括圆直筒电渗析器与外加电路。装置本身包含内外双层，内层包含双极膜、阴阳离子膜、刚性金属棒。外层包含圆柱形外壳与外围螺线圈。内装置含有三室，分别为酸室，碱室，与水室。通过控制流速，对外层通电螺线圈通入特定电流，对中心直导线通电，本装置将会在内部圆柱体内产生涡旋形稳定的电场。在电场作用下，海水中阳离子向碱室流动，阴离子向酸室流动，最终达到双极膜电渗析高效制纯水、酸和碱的目的。所述装置可有效的处理被预处理过后的海水，且具有利用率高、节省能量、分装方便、净化程度高等特点。净化程度高等特点。净化程度高等特点。


技术研发人员：帅钦瀚 曲贺新 张为捷 程桂石
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2021.07.15
技术公布日：2023/1/16