本發(fā)明涉及一種利用直流電場(chǎng)分離液體中帶電離子的分離裝置。

背景技術(shù)：

在化工、有色、冶金行業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的高鹽廢水，在水資源相對(duì)寬松和政府實(shí)行較低排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以直接排放到環(huán)境水體中，通過(guò)稀釋擴(kuò)散消除或降低其對(duì)環(huán)境的不良影響。隨著水資源壓力的增大和排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，許多企業(yè)不得不面臨盡可能處理并回用這些廢水的問(wèn)題。

目前處理高鹽廢水的主流技術(shù)包括滲透和反滲透技術(shù)、電滲析技術(shù)、電吸附技術(shù)、離子交換技術(shù)和吸附技術(shù)。其中前3類技術(shù)均涉及較復(fù)雜的膜技術(shù)，而粒子交換和吸附技術(shù)用于處理含鹽量較高的廢水時(shí)由于再生成本過(guò)高不適于規(guī)模生產(chǎn)。電吸附技術(shù)較簡(jiǎn)單且生產(chǎn)成本不高，但因間斷作業(yè)、出水水質(zhì)較差且不穩(wěn)定，不適合單獨(dú)應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)了一種利用液體內(nèi)的帶電離子在直流電場(chǎng)中的電遷移作用實(shí)現(xiàn)高含鹽量廢水穩(wěn)定低成本脫鹽的分離裝置。

發(fā)明的具體方案是：該裝置包括一套電場(chǎng)裝置，一個(gè)設(shè)置了原水進(jìn)口、凈水出口、陽(yáng)離子水移出通道和陰離子水移出通道的分離腔。電場(chǎng)裝置產(chǎn)生覆蓋整個(gè)分離腔的左右方向的直流電場(chǎng)。凈水出口和原水進(jìn)口上下相對(duì)，陰、陽(yáng)離子水移出通道位于分離腔左右兩邊，貫通分離腔內(nèi)外，其中分離腔內(nèi)的開(kāi)口有多個(gè)，均勻分布在分離腔的左右兩側(cè)壁上。陰、陽(yáng)離子水移出通道的作用是將因電遷移積聚在分離腔左右兩側(cè)壁的陰、陽(yáng)離子迅速移出，防止這些離子攜帶 的電荷在分離腔內(nèi)產(chǎn)生與直流電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，減弱分離腔內(nèi)陰陽(yáng)離子的電遷移作用。這里的上、下、左、右的方位是為了便于說(shuō)明相對(duì)設(shè)置的，上述分離裝置也可以整個(gè)旋轉(zhuǎn)90度或上下、左右反轉(zhuǎn)而不顯著影響分離功能。現(xiàn)有的上、下方向的設(shè)置對(duì)裝置具體細(xì)節(jié)的設(shè)置有一定影響，如排氣口只能設(shè)置在相關(guān)腔結(jié)構(gòu)的上面。但這些是技術(shù)領(lǐng)域的一般常識(shí)，于發(fā)明的創(chuàng)造性無(wú)關(guān)。這里的直流電場(chǎng)是指由中間間隔一定距離的兩塊導(dǎo)體平板分別與直流電源的兩極連接而在兩導(dǎo)體平板間產(chǎn)生的電場(chǎng)，在不太嚴(yán)格的敘述背景中也可以描述成靜電場(chǎng)。在本發(fā)明中一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合下可能采用電源電壓不是恒定值的技術(shù)方案，但電流方向并未改變，故采用直流電場(chǎng)的說(shuō)法更確切。

分離裝置工作時(shí)原水持續(xù)流入分離腔，里面所含的陰、陽(yáng)離子在向凈水出口方向移動(dòng)的同時(shí)在電場(chǎng)力的作用下分別向與電場(chǎng)方向相反和相同的方向做電遷移運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)陰、陽(yáng)離子水移出通道開(kāi)口并排出分離腔。而到達(dá)凈水出口的水大部分離子已被去除，作為凈水排出分離腔。

排出分離腔的陰、陽(yáng)離子水可以流入位于電場(chǎng)內(nèi)電中和腔，混勻后成為對(duì)外顯示為電中性的濃鹽水，從濃鹽水出口排出，電如附圖2所示。陰、陽(yáng)離子水也可以分別沿不同的管道排出電場(chǎng)后通過(guò)電路連接中和電荷，如附圖8所示，中和電荷后的水分別稱為陽(yáng)極水和陰極水。還可以在電場(chǎng)內(nèi)通過(guò)直流電源電路分別中和電荷后成為陽(yáng)極水和陰極水各自排出電場(chǎng)，如附圖10所示?？傊罱K排出脫鹽裝置的所有產(chǎn)物，包括凈水、濃鹽水、陰極水、陽(yáng)極水，還可能包括陰極氣、陽(yáng)極氣和陰極金屬，均為電中性物質(zhì)。這部分處理排出分離腔的陰、陽(yáng)離子，最終使其成為電中性物質(zhì)的裝置稱為電中性處理裝置。

前兩種情況陰、陽(yáng)離子所帶的電荷移出電場(chǎng)或在電場(chǎng)內(nèi)逆所受電場(chǎng)力方向移動(dòng)時(shí)需要由外力對(duì)離子克服電場(chǎng)力做功。做功的動(dòng)力由將原水泵入分離腔的 加壓泵提供。后一種情況由中和電荷的直流電源克服電場(chǎng)力作用做功，將陰、陽(yáng)離子水通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成對(duì)外呈電中性的物質(zhì)，包括濃鹽水、金屬單質(zhì)或氣體，最后移出電場(chǎng)。如陰、陽(yáng)離子水直接混合，則只產(chǎn)生濃鹽水。

如附圖6所示，攜帶負(fù)電荷的陰離子從A到B，攜帶正電荷的陽(yáng)離子從A₁到B₁，是在電場(chǎng)力的推動(dòng)下移動(dòng)，由電場(chǎng)對(duì)離子做功，而陰離子經(jīng)B-C-D-A-Ga途徑，陽(yáng)離子經(jīng)B₁-C₁-D₁-F₁-Me途徑移出電場(chǎng)均需要由外力推動(dòng)，這里是由流動(dòng)的液體對(duì)離子做功。Ga和Me分別表示氣體和金屬。陰、陽(yáng)離子在電場(chǎng)內(nèi)在直流電源作用下直接生成氣體、金屬和電極水，是由直流電源克服電場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體內(nèi)的電子逆向作用力做功。

如附圖5所示，可以在陰離子水移出通道和陽(yáng)離子水移出通道的開(kāi)口處設(shè)置尖端151指向離子水移出通道的離子濃集漏斗15。陰、陽(yáng)離子在漏斗內(nèi)濃集的機(jī)制一是離子在電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)下在漏斗尖端的自然沉積，二是類似導(dǎo)體表面的電荷在導(dǎo)體尖端發(fā)生匯集的尖端效應(yīng)。兩個(gè)作用在這里是重疊并增強(qiáng)的。

濃集漏斗可以提高陰、陽(yáng)離子水中陰、陽(yáng)離子的濃度，減少陰、陽(yáng)離子水的產(chǎn)量，因而可以提高凈水的產(chǎn)率。

如附圖12所示，可以在分離腔內(nèi)設(shè)置疏松的惰性多孔隙材料16，以減少液體脫鹽過(guò)程中對(duì)流作用對(duì)電遷移作用的不利影響，以使得凈水的鹽分進(jìn)一步減少。惰性多孔材料可以采用由陶瓷纖維、玻璃纖維或聚四氟乙烯纖維制成的疏松芯材，也可以采用聚乙烯、聚丙烯開(kāi)孔泡沫型材，優(yōu)先采用在電場(chǎng)方向上平行密集排列的惰性材料多層纖維板材。

這些材料均不顯著阻礙陰、陽(yáng)離子在電場(chǎng)內(nèi)的電遷移運(yùn)動(dòng)，但可以強(qiáng)烈抑制液體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

如無(wú)特別說(shuō)明，該裝置的腔體、腔內(nèi)部件、連接管路均宜采用不導(dǎo)電的材 料制成，如常用的聚酯、聚乙烯、聚四氟乙烯材料等。

如具體應(yīng)用對(duì)管道的沉淀物污染特別敏感，可以采用在水中帶正電荷的樹(shù)脂作為陽(yáng)離水通路的內(nèi)層材料，采用在水中帶負(fù)電荷的樹(shù)脂作為陰離水通路的內(nèi)層材料。

下面將結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)專利作進(jìn)一步說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1.直流電脫鹽裝置原理示意圖

圖2.陰陽(yáng)離水電場(chǎng)內(nèi)混合電中和的電脫鹽裝置剖面示意圖

圖3.濃集漏斗板及離子水移出通道剖面軸視圖

圖4.濃集漏斗板及離子水移出通道剖面頂視圖

圖5.濃集漏斗內(nèi)陰陽(yáng)離子濃集原理示意圖

圖6.電脫鹽裝置電場(chǎng)內(nèi)帶電離子運(yùn)動(dòng)做功、轉(zhuǎn)化示意圖

圖7.陰陽(yáng)離水電場(chǎng)內(nèi)混合的電脫鹽裝置泵閥配件連接示意圖

圖8.陰陽(yáng)離水電場(chǎng)外電中和的電脫鹽裝置剖面示意圖

圖9.陰陽(yáng)離水電場(chǎng)外電中和的電脫鹽裝置泵閥配件連接示意圖

圖10.陰陽(yáng)離水電場(chǎng)內(nèi)電中和的電脫鹽裝置剖面示意圖

圖11.陰陽(yáng)離水電場(chǎng)內(nèi)電中和的脫鹽裝置泵閥配件連接示意圖

圖12.脫鹽裝置分離腔內(nèi)設(shè)置惰性多孔隙材料示意圖

圖13.脫鹽裝置同電場(chǎng)多層重疊設(shè)置組成的生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

陰陽(yáng)離子水在電場(chǎng)內(nèi)混合后排出電場(chǎng)的脫鹽裝置，參見(jiàn)附圖2、3、4、7。

該裝置包括由直流電源21、電場(chǎng)陰極板221和電場(chǎng)陽(yáng)極板222組成的產(chǎn)生直流電場(chǎng)E的電場(chǎng)裝置，一個(gè)包含了原水進(jìn)口11、凈水出口12、陽(yáng)離子水移出通道131和陰離子水移出通道132的分離腔1。凈水出口12和原水進(jìn)口11上下相對(duì)，電場(chǎng)裝置產(chǎn)生覆蓋整個(gè)分離腔的自左向右的直流電場(chǎng)E，陰、陽(yáng)離子水移出通道位于分離腔左右兩邊，并與同樣位于電場(chǎng)內(nèi)的離子水混合腔140連通。濃鹽水出口14位于離子水混合腔上端。

離子水混合腔140也可以設(shè)置在電場(chǎng)外，不會(huì)影響脫鹽效果，但驅(qū)動(dòng)帶電離子水離開(kāi)電場(chǎng)所需的能耗可能有所增加。

在陽(yáng)離子水移出通道131和陰離子水移出通道132的各個(gè)開(kāi)口處設(shè)置濃集漏斗15。參見(jiàn)附圖3和4，從宏觀上看，濃集漏斗15滿布分離腔1靠近電場(chǎng)陰極板和電場(chǎng)陽(yáng)極板的兩側(cè)，可以用在厚板上鉆錐形孔的方法制成，每個(gè)漏斗的尖端151均指向分離腔外并與離子水移出通道13連通。

參見(jiàn)附圖7，原水進(jìn)口11外接原水輸入泵4，凈水出口和濃鹽水出口各外接一個(gè)節(jié)流閥312和314。通過(guò)控制節(jié)流閥312和314各自的流量控制凈水和濃鹽水的產(chǎn)出比例。

該裝置輸入含鹽原水，輸出凈水和濃鹽水。

實(shí)際上該裝置適用于處理所有的強(qiáng)電解質(zhì)溶液，因此也可以用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液的濃縮或脫除。弱酸、弱堿或電離常數(shù)較小的有機(jī)鹽也可以處理，如不同生物堿、氨基酸的分離提純，只是效率要低一些，因?yàn)殡娺w移過(guò)程中還伴隨著弱電解質(zhì)的電離過(guò)程。

該裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要的能源主要由原水輸入泵提供，分離過(guò)程中陰、陽(yáng)離子水?dāng)y已分離出的陰、陽(yáng)離子在電場(chǎng)中逆電場(chǎng)力方向移動(dòng)并混合成電中性濃鹽水過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源是原水輸入泵提供的壓力。產(chǎn)生直流電場(chǎng)的電源只維持各電 路元件的微弱的泄漏電流，功率很小。所以該裝置特別適合沒(méi)有大功率電供，但有充足直接動(dòng)力供應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合。如用于漁船、軍艦、遠(yuǎn)洋船舶的海水淡化。

該裝置中鹽分的分離過(guò)程和電化學(xué)過(guò)程分別發(fā)生在不同部位，不易產(chǎn)生引起分離通路阻塞的污垢，即使產(chǎn)生了也易于清理。

與目前主流脫鹽技術(shù)的反滲透和電滲析技術(shù)相比，該裝置省去了采購(gòu)成本和使用維護(hù)成本均不菲的膜部件。

與電吸附技術(shù)相比，該裝置的脫鹽過(guò)程是連續(xù)的，出水水質(zhì)是穩(wěn)定一致的，外設(shè)管線泵閥更加簡(jiǎn)單，無(wú)電極腐蝕損耗問(wèn)題。

該裝置對(duì)輸入水質(zhì)要求極低，對(duì)原水含鹽量、電導(dǎo)率、含鐵、鈣、鎂等易沉積的離子濃度的要求均遠(yuǎn)低于現(xiàn)有主流脫鹽技術(shù)，通常只要求濾去可能堵塞濃集漏斗尖端通孔的粗顆粒即可。

實(shí)施例2

陰陽(yáng)離子水在電場(chǎng)外通過(guò)電路電極實(shí)施電中和的脫鹽裝置。

參見(jiàn)附圖8。在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，延伸陰、陽(yáng)離子移出通道并將電中性處理裝置移至電場(chǎng)外，陰、陽(yáng)離子水分別積聚在141、142兩個(gè)離子水電中和腔內(nèi)。在陽(yáng)離子水中和腔內(nèi)設(shè)置金屬電極如鐵電極，在陰離子水中和腔內(nèi)設(shè)置惰性電極如石墨電極，在兩電極之間設(shè)置連通電路143。在兩離子水中和腔的上端和下端分別設(shè)置氣體排出口1403和1404，液體排出口1401和1402。

參見(jiàn)附圖9。在原水進(jìn)口外接原水輸入泵4，在凈水出口設(shè)置節(jié)流閥312。另外陰、陽(yáng)離子水中和腔的兩個(gè)氣體出口和兩個(gè)液體出口分別設(shè)置排氣閥31401和31402，節(jié)流閥31403和31404。

該裝置的優(yōu)點(diǎn)是：在運(yùn)行過(guò)程中陰、陽(yáng)離子水中和腔中由于電荷積聚，會(huì)自然形成電位差，利用該電位差可以將電極電位高于氫的金屬離子沉積在金屬 電極上。這里陰、陽(yáng)離子攜帶電荷積聚產(chǎn)生電位差的原理與范德格拉夫起電機(jī)(Van de Graaff generator)相似。

該裝置輸入原水，除輸出凈水外，陽(yáng)離子中和腔還可能輸出陰極金屬、氫氣，堿性陰極液，陰離子中和腔還可能輸出氯氣、氧氣等陽(yáng)極氣體和酸性陽(yáng)極液。

與實(shí)施例1相同，該裝置消耗的能量主要來(lái)自于原水輸入泵。

該裝置適合原水中含有可利用的高價(jià)金屬離子或需要去除的有毒重金屬離子、或陰、陽(yáng)極氣體、液體具有利用價(jià)值的應(yīng)用場(chǎng)所。裝置運(yùn)行過(guò)程在獲得凈水的同時(shí)獲得了高價(jià)金屬或去除了有毒重金屬。

實(shí)施例3

陰陽(yáng)離子水在電場(chǎng)內(nèi)通過(guò)電路電極進(jìn)行電中和的脫鹽裝置。

參見(jiàn)附圖10和11。該裝置與實(shí)施例2的區(qū)別是兩個(gè)離子水中和腔141和142均位于電場(chǎng)內(nèi)，位于陽(yáng)離子水中和腔內(nèi)的金屬電極和位于陰離子水中和腔內(nèi)的惰性電極之間不存在足以讓陰、陽(yáng)離子產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)的電位差，只能借助外接電中和電源144的作用產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到使帶電離子水變?yōu)殡娭行圆⑴懦鲭妶?chǎng)外的目的。

該裝置外接泵閥的連接方式見(jiàn)附圖11。

該裝置與實(shí)施例2的產(chǎn)物相同，但其能源消耗主要來(lái)自電中和電源。

該裝置的優(yōu)點(diǎn)是輸送泵壓力不高，因而分離腔也無(wú)需承受壓力，對(duì)裝置的制造和運(yùn)行壓力控制的要求較低，適合有充足電力供應(yīng)的場(chǎng)所。

實(shí)施例4

在同一電場(chǎng)內(nèi)設(shè)置重疊的多層脫鹽裝置的生產(chǎn)系統(tǒng)。

參見(jiàn)附圖與13。在實(shí)際應(yīng)用的生產(chǎn)系統(tǒng)中，可以將分離腔厚度設(shè)置得比較 薄，這樣可以使得陰、陽(yáng)離子只需作短距離的電遷移即可完成分離；同時(shí)完成分離的陰、陽(yáng)離子只需作短距離逆電場(chǎng)力方向運(yùn)動(dòng)即可到達(dá)電中和腔。這樣可以提高該裝置的能源利用效率。

為了減少占地空間，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，多個(gè)同相同的脫鹽裝置層疊排列在一個(gè)直流電場(chǎng)內(nèi)，并使用共同的原水輸入泵和輸入輸出管線，組成一個(gè)同步運(yùn)行的整體生產(chǎn)系統(tǒng)。