专利名称：隔板式电场离子分离器的制作方法
技术领域：
本发明属于水质处理设备，即水的脱盐(淡化)设备。
背景技术：
目前利用电场脱盐的水处理设备，如同化学工业出版社出版发行的《电化学方法 应用》第182页中介绍的“电渗析”一样[图三]，是“在直流电场作用下，溶液中的正负离 子分别向不同方向迁移，正离子向负极迁移，负离子向正极迁移。若在溶液中间安装离子交 换膜，由于阳离子交换膜只允许正离子通过，而阴离子交换膜只允许负离子通过，因此可以 限制不同区域溶液中离子的迁移，最终达到分离，浓缩，提纯，回收离子或淡化水的目的。因 为阴阳离子交换膜之间只有2-3毫米的距离，为了提高效率，在实际中，将几百对离子交换 膜装配成多室。由于在溶液中间安装的离子交换膜，容易因结垢而堵塞膜通道。不仅需要 清洗，经多次清洗的膜效率逐次下降，最终必须更换新膜。不仅操作麻烦，而且运行成本有 高。还有该设备单级处理，不能随意调整出水淡水和浓水的比例，产出的淡水和浓水的水量 各占50%，淡水回收率低，不仅效率不高，而且浪费原水。发明目的本发明的目的就是针对上述不足之处，提供一种新的，不用膜的，出水浓水和淡水 的比例可以随意调整的淡化水设备。
发明内容
为了实现上述目的，在溶液中装有两块对称的勻流隔离板[图一 .4]来代替离子 交换膜。水的流程是原水从底部入水配水管[图一 .1]经下配水板[图一 .2]两次配水 后，达到了进入中间水室[图一 .3]过流断面上均勻，并且以层流状态的流速向上流动。而 水中离子在定向迁移过程中由于电场力的作用，不断地进入浓缩斗[图一 .8]。浓缩斗内的 离子数量逐渐增多，达到浓缩的目的。又因浓缩斗[图一 .8]下底倾斜，浓缩后的液体质量 较大，极易向下倾斜流动，从终缩孔[图一 .7]流到极水室[图一 .19]。而中间水室[图一 .3]的水在自下而上的流动过程中，水中离子浓度逐渐减小，淡 化后的水从上配水板[图一 .5]经出水配水管[图一 .6]流出。为了控制流入极水室的水量，终缩孔[图一 .7]直径很小，一般只有几毫米，而从 图一 .A-A剖视图上看浓缩斗在中间水室一侧的面积却很大[图一 .8]，中间水室的水从这 个平面[图一.8]上流入浓缩斗，要求过流断面流量均勻，没有死角，所以从图一.1-1剖面 上看，浓缩斗的形状是个等腰三角形，而这个三角形的高却不能太低。为了防止浓缩斗过流 断面上中间流速大于周边流速，在浓缩斗的中间装有勻流卡[图一 .10]，而这个勻流卡的 形状也是一个等腰三角形，和浓缩斗的图一 .I-I剖面三角形成相似三角形，且相反方向安 装[图一 10]。为了保证进入浓缩斗过流断面的流量均勻，也可以在浓缩斗入口加装勻流网[图 二 . 14]，这个勻流网[图二 . 14]的孔隙大小不仅要保证流入浓缩斗内的水没有阻力，也要保证浓缩斗内产生的气体通畅的排到中间水室。这样设计的勻流隔离板厚度较大，为了减小其厚度，只保留中间水室一侧的部 分作为浓缩斗[图二 .8]，而极水室一侧的部分设计成向下流动和向上流动的通道[图 二 . 11，13]。从另一个方向看[图二 . b-b剖面]，这两个通道仍然是个和底边[图二 . 16]平 行折叠的等腰三角形[图二 . b-b剖面]。这种设计，勻流卡要安装在上流缝中[图二 . 10]。这样设计水的流程是，浓缩斗[图二. 8]内的高离子浓度水，从下流缝[图二. 11] 向下流动经折叠缝[图二 . 12]拐180度的弯，再从上流缝[图二 . 13]向上流动，最后从终 缩孔[图二 . 7]流到极水室[图二 . 19]。当然采取这种方法处理水，必须满足两个条件一个条件是，中间水室[图一 .3]中水的流速要保持在层流状态下，因为在层流状 态下，流体质点作有条不紊的线状运动，彼此互不混掺，不会影响水中离子的正常迁移。另一个条件是，两极水室[图一 .19]的液位，必须低于中间水室的液位。如图所 示[图一]，分别从任意两个不同高度在终缩孔处截取水平面，观察勻流隔离板两侧的液位 高度，在一个水平面上，hrh/ = ha，在另一个水平面上，h2_h2’ = ha，ha是勻流隔离板[图 一 .4]两侧的液位差。由此可知，勻流隔离板两侧，不同高度的每一个水平截面上的液位差 都相等，由于液位差相等，压强差就相等。也就是说勻流隔离板上的所有终缩孔处两侧的压 强差都相等，由于压强差相等，流速就相等。因为终缩孔[图一 .7]大小相同，流量也相等。 从而达到勻流的目的。不改变中间水室的液位高度，只要把极水室[图一 .19]的液位提高，勻流隔离板 两侧的液位差就减小，极水量就减少。把极水室的液位降低，勻流隔离板两侧的液位差就增 高，极水量就加多。这样只要把极水出水管[图一.15]做成可调节式，就能根据水质情况， 任意调节出水的浓水和淡水水量的比例。
具体实施例下面根据计算结合附图详细说明本发明的第一个实施例，中间水室[图一 .3]自 下而上的流动要保持层流状态，因为没有查到过流断面为矩形的雷诺数。在实际中，要以离 子分离效果来确定流速。在设计中可以采用明渠(接近矩形)的下临界雷诺数计算。从 石油工业出版社2004. 11高等学校教材《工程流体力学》中查到明渠的下临界雷诺数Re = (vR)/y 500，式中R是明渠过流断面的特性几何尺寸，称水力半径。水力半径R的定义 式为R = A/X式中A-过流断面的面积X-过流断面与边界(如固体)表面相接触的周界，称湿周v-水的流速，米/秒y-t = 10°C时的运动粘度，Y = 1. 306Xl(T6m2/s对小型处理水量，一般采用竖流式的，竖流式的中间水室[图一.3]水的流向要求 下进上出，因为开始进入中间水室的水，离子浓度较高，质量较大，采用下进上出不会发生 因质量差对流而混掺，能够保证出水水质。参看图一，中间水室的过流断面尺寸设为，长0. 45米，宽0. 2米，根据公式R = A/X，水力半径R为R = (0. 45X0. 2)/[ (0. 45+0. 2) X 2] = 0. 0692307根据公式Re = (vR) / Y = 500，中间水室保持层流状态的流速v是v = (500 X y ) /R = (500 XI. 306 X 1(T6) / (6. 92307 X 1(T2) 9. 4 X l(T3m/s处理水量Q就是Q = Av = 9 X 1(T2 X 9. 4 X 1(T3 = 8. 46 X 10_4m3/s极水水量Q极取处理水量的五分之一Q极=8. 46X1(T4X0. 2 = 1. 692 X l(T4m3/s终缩孔直径计算为了便于计算，终缩孔流速Vl取值1米/秒中间水室与极水室的液位差ha是ha= (Vl2)/(2g) =17(2X9.8) = 0. 051 (米)(g 为重力加速度)两个勻流隔离板上的终缩孔总和是36个(D2/4) II X1X36 = Q极式中(d2/4) n -终缩孔面积(n为圆周率)1-终缩孔流速36-两个勻流隔离板上终缩孔的总和Qft_两个极水室的排水量终缩孔直径是D = [(Q 极 X4)/( n X 3 6 ) ] 1/2 = [(1. 692X10 ] X4)/ (3. 14X36)]1/2 ^ 2. 5X1(T3(米)参看图一，原水从底部入水配水管[图一.1]经下配水板[图一.2]进入中间水室 [图一 .3]，层流状态的流速是9. 4X 10_3m/S。中间水室的下部分两侧[图一 .3]的勻流隔 离板[图一 .4]上没有浓缩斗，水中离子做定向迁移，正离子向负极[图一 .17] —侧的勻 流隔离板靠近，负离子向正极[图一 .18] —侧的勻流隔离板靠近。水上升到中间水室[图 一 .3]中部，靠近勻流隔离板[图一 .4]的水，离子浓度已高，已具备大量迅速进入浓缩斗 [图一 .8]的条件。在中间水室中部和上部，水中正负离子分别向两极[图一 .17. 18]方 向的两个勻流隔离板[图一 .4]上的36个(每个勻流隔离板有18个浓缩斗)浓缩斗[图 一 .8]中迁移，并浓缩。浓缩后的高离子浓度水以相等的流速(设计流速lm/s)从36个终 缩孔[图一 .7](每个浓缩斗有1个终缩孔)流到两个极水室[图一 .19](极水在极水室内 的流向用向下的箭头表示向下流动)，再从极水配水管[图一 .9]经极水软管[图一 .20]， 最后从可调整高度的极水出水管[图一 .15]排出。而中间水室的水上升到上配水板[图一 .5]，水中离子浓度已经很低，已达到淡化 的目的。淡化后的水经上配水板[图一 .5]从淡水配水管[图一 .6]流出。第二个实施是参看图二，在大、中型处理中，设备体积大，为了降低设备高度，水 在中间水室[图二 . 3]采用平流式。水的流程是原水从入水配水管[图二 . 1]到进入室 [图二 . 21]内，再从进水配水板[图二 . 2]进入中间水室[图二 . 3]，水在中间水室的流向用空心箭头表示，是平行的。并以层流状态的流速经过中间水室[图二.3]从出水配水板 [图二 . 5]到达淡水室[图二 . 22]，淡水从出水配水管[图二 . 6]流出。出水配水管[图 二 . 6]的中心高度就是中间水室[图二 . 3]的水位高度，所以要求出水配水管没有阻力。水在中间水室的流动过程中，水中正、负离子分别向两侧定向迁移[图二 .B-B剖 面]，在D放大图中能看到，箭头方向就是离子迁移方向，和极水流动方向。即离子在浓 缩斗[图二 .8]内浓缩后，浓度高的极水经下流缝[图二 .11]向下流动，经折叠缝[图 二 . 12]平行流动，而后经上流缝[图二 . 13]向上流动，再从终缩孔[图二 . 7]流到极水室 [图二. 19]，极水室内的水是向下流动(和箭头方向相同)的，后经极水配水管[图二 .9] 经极水软管[图二 . 20]，从可调节高度的极水出水管[图二 . 15]排出。同样，极水出水管 的中心高度就是极水水位高度。所以极水配水管[图二 . 9]、极水软管[图二 . 20]和极水 出水管[图二 . 15]都不能有阻力。根据水质情况调节极水出水管高度，能调节极水水量。当然可以把两个勻流隔离板[4]直接当作电极用，采用另加电极[17，18]是为了 减少浓缩斗[8]中产生气体的量。其计算方法和第一个实施例相同。发明效果因为勻流隔离板上终缩孔[图一 .7]的孔径远大于已有技术中离子交换膜上的孔 径，所以不存在堵塞问题。又因为利用同一液位差，终缩孔上流量相等。而且水中离子进入 浓缩斗[图一.8]的面积大，由于电场力的作用，进入浓缩斗的离子数量就多。而终缩孔 [图一.7]的孔径小，从浓缩斗流出的水量少。水中离子在浓缩斗内就浓缩，所以达到浓水 和淡水分离的目的。又因为勻流隔离板两侧的液位差能够调整，所以浓水和淡水的比例就 能任意调节。
附图1中包括主视图、A-A剖视和I-I剖面(以极水在浓缩斗流线的轴向斜剖)三 个图。主视图中空心箭头表示中间水室的水向上流动，箭头表示离子迁移方向和极水流向。附图2主要说明第二个实施例，包括主视图、B向剖视、C向剖视、D放大图和b-b 剖面五个图。图中箭头所表示的内容和图一中的相同。D放大图和b-b剖面图是为了看清 楚勻流隔离板的另一种设计方法。虚线表示隔层内容，水位线也用虚线表示。勻流网只在 D放大图中有，没有在B-B剖视中画是为了 B-B剖视的简单化。图3是已有技术的示意图，从2003年化学工业出版社出版的《电化学方法应用》第 182页中复制。
权利要求
一种淡化水设备，包括匀流隔离板[4]、浓缩斗[8]、终缩孔[7]、中间水室[3]和极水室[19]。其特征在于所说的匀流隔离板[4]上所有终缩孔[7]的流速都相等，是由于匀流隔离板两侧有液位差[ha]。
2.根据权利要求书1所说的浓缩斗[8]，其特征在于离子在浓缩斗内浓缩，达到和淡水 分离的目的。
3.根据权利要求书1所说的中间水室[3]，其特征在于水在中间水室是层流状态。
4.根据权利要求书1所说的勻流隔离板[4]，其特征在于其材料性质是耐腐蚀的导电体。
全文摘要
一种不用膜的电场分离淡化水设备。在溶液中装有两块对称的匀流隔离板[4]，中间水室[3]的水以层流速度向上移动。由于电场力的作用，水中离子在定向迁移过程中不断的进入浓缩斗[8]中，浓缩斗中离子就聚积浓缩。由于匀流隔离板[4]两侧有液位差[图中ha]，所以匀流隔离板的全部终缩孔上压强差都相等，所以全部终缩孔[7]中浓缩后的离子液都以相等的流速流到极水室[19]而后排出。达到淡化水的目的。
文档编号C02F1/48GK101857289SQ200910132070
公开日2010年10月13日 申请日期2009年4月11日 优先权日2009年4月11日
发明者孟海乐, 孟田, 孟美, 郭蕾 申请人:孟海乐;孟美;孟田