一种电脱盐装置的制作方法

本发明涉及一种利用直流电场分离液体中带电离子的分离装置。

背景技术：

在化工、有色、冶金行业生产中会产生大量的高盐废水，在水资源相对宽松和政府实行较低排放标准的情况下，可以直接排放到环境水体中，通过稀释扩散消除或降低其对环境的不良影响。随着水资源压力的增大和排放标准的提高，许多企业不得不面临尽可能处理并回用这些废水的问题。

目前处理高盐废水的主流技术包括渗透和反渗透技术、电渗析技术、电吸附技术、离子交换技术和吸附技术。其中前3类技术均涉及较复杂的膜技术，而粒子交换和吸附技术用于处理含盐量较高的废水时由于再生成本过高不适于规模生产。电吸附技术较简单且生产成本不高，但因间断作业、出水水质较差且不稳定，不适合单独应用。

技术实现要素：

本发明公开了一种利用液体内的带电离子在直流电场中的电迁移作用实现高含盐量废水稳定低成本脱盐的分离装置。

发明的具体方案是：该装置包括一套电场装置，一个设置了原水进口、净水出口、阳离子水移出通道和阴离子水移出通道的分离腔。电场装置产生覆盖整个分离腔的左右方向的直流电场。净水出口和原水进口上下相对，阴、阳离子水移出通道位于分离腔左右两边，贯通分离腔内外，其中分离腔内的开口有多个，均匀分布在分离腔的左右两侧壁上。阴、阳离子水移出通道的作用是将因电迁移积聚在分离腔左右两侧壁的阴、阳离子迅速移出，防止这些离子携带 的电荷在分离腔内产生与直流电场方向相反的电场，减弱分离腔内阴阳离子的电迁移作用。这里的上、下、左、右的方位是为了便于说明相对设置的，上述分离装置也可以整个旋转90度或上下、左右反转而不显著影响分离功能。现有的上、下方向的设置对装置具体细节的设置有一定影响，如排气口只能设置在相关腔结构的上面。但这些是技术领域的一般常识，于发明的创造性无关。这里的直流电场是指由中间间隔一定距离的两块导体平板分别与直流电源的两极连接而在两导体平板间产生的电场，在不太严格的叙述背景中也可以描述成静电场。在本发明中一些特殊的应用场合下可能采用电源电压不是恒定值的技术方案，但电流方向并未改变，故采用直流电场的说法更确切。

分离装置工作时原水持续流入分离腔，里面所含的阴、阳离子在向净水出口方向移动的同时在电场力的作用下分别向与电场方向相反和相同的方向做电迁移运动，最终到达阴、阳离子水移出通道开口并排出分离腔。而到达净水出口的水大部分离子已被去除，作为净水排出分离腔。

排出分离腔的阴、阳离子水可以流入位于电场内电中和腔，混匀后成为对外显示为电中性的浓盐水，从浓盐水出口排出，电如附图2所示。阴、阳离子水也可以分别沿不同的管道排出电场后通过电路连接中和电荷，如附图8所示，中和电荷后的水分别称为阳极水和阴极水。还可以在电场内通过直流电源电路分别中和电荷后成为阳极水和阴极水各自排出电场，如附图10所示。总之，最终排出脱盐装置的所有产物，包括净水、浓盐水、阴极水、阳极水，还可能包括阴极气、阳极气和阴极金属，均为电中性物质。这部分处理排出分离腔的阴、阳离子，最终使其成为电中性物质的装置称为电中性处理装置。

前两种情况阴、阳离子所带的电荷移出电场或在电场内逆所受电场力方向移动时需要由外力对离子克服电场力做功。做功的动力由将原水泵入分离腔的 加压泵提供。后一种情况由中和电荷的直流电源克服电场力作用做功，将阴、阳离子水通过电化学反应转化成对外呈电中性的物质，包括浓盐水、金属单质或气体，最后移出电场。如阴、阳离子水直接混合，则只产生浓盐水。

如附图6所示，携带负电荷的阴离子从A到B，携带正电荷的阳离子从A₁到B₁，是在电场力的推动下移动，由电场对离子做功，而阴离子经B-C-D-A-Ga途径，阳离子经B₁-C₁-D₁-F₁-Me途径移出电场均需要由外力推动，这里是由流动的液体对离子做功。Ga和Me分别表示气体和金属。阴、阳离子在电场内在直流电源作用下直接生成气体、金属和电极水，是由直流电源克服电场对导体内的电子逆向作用力做功。

如附图5所示，可以在阴离子水移出通道和阳离子水移出通道的开口处设置尖端151指向离子水移出通道的离子浓集漏斗15。阴、阳离子在漏斗内浓集的机制一是离子在电场力驱动下在漏斗尖端的自然沉积，二是类似导体表面的电荷在导体尖端发生汇集的尖端效应。两个作用在这里是重叠并增强的。

浓集漏斗可以提高阴、阳离子水中阴、阳离子的浓度，减少阴、阳离子水的产量，因而可以提高净水的产率。

如附图12所示，可以在分离腔内设置疏松的惰性多孔隙材料16，以减少液体脱盐过程中对流作用对电迁移作用的不利影响，以使得净水的盐分进一步减少。惰性多孔材料可以采用由陶瓷纤维、玻璃纤维或聚四氟乙烯纤维制成的疏松芯材，也可以采用聚乙烯、聚丙烯开孔泡沫型材，优先采用在电场方向上平行密集排列的惰性材料多层纤维板材。

这些材料均不显著阻碍阴、阳离子在电场内的电迁移运动，但可以强烈抑制液体的对流运动。

如无特别说明，该装置的腔体、腔内部件、连接管路均宜采用不导电的材 料制成，如常用的聚酯、聚乙烯、聚四氟乙烯材料等。

如具体应用对管道的沉淀物污染特别敏感，可以采用在水中带正电荷的树脂作为阳离水通路的内层材料，采用在水中带负电荷的树脂作为阴离水通路的内层材料。

下面将结合具体实施例对专利作进一步说明。

附图说明

图1.直流电脱盐装置原理示意图

图2.阴阳离水电场内混合电中和的电脱盐装置剖面示意图

图3.浓集漏斗板及离子水移出通道剖面轴视图

图4.浓集漏斗板及离子水移出通道剖面顶视图

图5.浓集漏斗内阴阳离子浓集原理示意图

图6.电脱盐装置电场内带电离子运动做功、转化示意图

图7.阴阳离水电场内混合的电脱盐装置泵阀配件连接示意图

图8.阴阳离水电场外电中和的电脱盐装置剖面示意图

图9.阴阳离水电场外电中和的电脱盐装置泵阀配件连接示意图

图10.阴阳离水电场内电中和的电脱盐装置剖面示意图

图11.阴阳离水电场内电中和的脱盐装置泵阀配件连接示意图

图12.脱盐装置分离腔内设置惰性多孔隙材料示意图

图13.脱盐装置同电场多层重叠设置组成的生产系统示意图

具体实施方式

实施例1

阴阳离子水在电场内混合后排出电场的脱盐装置，参见附图2、3、4、7。

该装置包括由直流电源21、电场阴极板221和电场阳极板222组成的产生直流电场E的电场装置，一个包含了原水进口11、净水出口12、阳离子水移出通道131和阴离子水移出通道132的分离腔1。净水出口12和原水进口11上下相对，电场装置产生覆盖整个分离腔的自左向右的直流电场E，阴、阳离子水移出通道位于分离腔左右两边，并与同样位于电场内的离子水混合腔140连通。浓盐水出口14位于离子水混合腔上端。

离子水混合腔140也可以设置在电场外，不会影响脱盐效果，但驱动带电离子水离开电场所需的能耗可能有所增加。

在阳离子水移出通道131和阴离子水移出通道132的各个开口处设置浓集漏斗15。参见附图3和4，从宏观上看，浓集漏斗15满布分离腔1靠近电场阴极板和电场阳极板的两侧，可以用在厚板上钻锥形孔的方法制成，每个漏斗的尖端151均指向分离腔外并与离子水移出通道13连通。

参见附图7，原水进口11外接原水输入泵4，净水出口和浓盐水出口各外接一个节流阀312和314。通过控制节流阀312和314各自的流量控制净水和浓盐水的产出比例。

该装置输入含盐原水，输出净水和浓盐水。

实际上该装置适用于处理所有的强电解质溶液，因此也可以用于强酸、强碱溶液的浓缩或脱除。弱酸、弱碱或电离常数较小的有机盐也可以处理，如不同生物碱、氨基酸的分离提纯，只是效率要低一些，因为电迁移过程中还伴随着弱电解质的电离过程。

该装置运转时需要的能源主要由原水输入泵提供，分离过程中阴、阳离子水携已分离出的阴、阳离子在电场中逆电场力方向移动并混合成电中性浓盐水过程的驱动力来源是原水输入泵提供的压力。产生直流电场的电源只维持各电 路元件的微弱的泄漏电流，功率很小。所以该装置特别适合没有大功率电供，但有充足直接动力供应的应用场合。如用于渔船、军舰、远洋船舶的海水淡化。

该装置中盐分的分离过程和电化学过程分别发生在不同部位，不易产生引起分离通路阻塞的污垢，即使产生了也易于清理。

与目前主流脱盐技术的反渗透和电渗析技术相比，该装置省去了采购成本和使用维护成本均不菲的膜部件。

与电吸附技术相比，该装置的脱盐过程是连续的，出水水质是稳定一致的，外设管线泵阀更加简单，无电极腐蚀损耗问题。

该装置对输入水质要求极低，对原水含盐量、电导率、含铁、钙、镁等易沉积的离子浓度的要求均远低于现有主流脱盐技术，通常只要求滤去可能堵塞浓集漏斗尖端通孔的粗颗粒即可。

实施例2

阴阳离子水在电场外通过电路电极实施电中和的脱盐装置。

参见附图8。在实施例1的基础上，延伸阴、阳离子移出通道并将电中性处理装置移至电场外，阴、阳离子水分别积聚在141、142两个离子水电中和腔内。在阳离子水中和腔内设置金属电极如铁电极，在阴离子水中和腔内设置惰性电极如石墨电极，在两电极之间设置连通电路143。在两离子水中和腔的上端和下端分别设置气体排出口1403和1404，液体排出口1401和1402。

参见附图9。在原水进口外接原水输入泵4，在净水出口设置节流阀312。另外阴、阳离子水中和腔的两个气体出口和两个液体出口分别设置排气阀31401和31402，节流阀31403和31404。

该装置的优点是：在运行过程中阴、阳离子水中和腔中由于电荷积聚，会自然形成电位差，利用该电位差可以将电极电位高于氢的金属离子沉积在金属 电极上。这里阴、阳离子携带电荷积聚产生电位差的原理与范德格拉夫起电机(Van de Graaff generator)相似。

该装置输入原水，除输出净水外，阳离子中和腔还可能输出阴极金属、氢气，碱性阴极液，阴离子中和腔还可能输出氯气、氧气等阳极气体和酸性阳极液。

与实施例1相同，该装置消耗的能量主要来自于原水输入泵。

该装置适合原水中含有可利用的高价金属离子或需要去除的有毒重金属离子、或阴、阳极气体、液体具有利用价值的应用场所。装置运行过程在获得净水的同时获得了高价金属或去除了有毒重金属。

实施例3

阴阳离子水在电场内通过电路电极进行电中和的脱盐装置。

参见附图10和11。该装置与实施例2的区别是两个离子水中和腔141和142均位于电场内，位于阳离子水中和腔内的金属电极和位于阴离子水中和腔内的惰性电极之间不存在足以让阴、阳离子产生电化学反应的电位差，只能借助外接电中和电源144的作用产生电化学反应，达到使带电离子水变为电中性并排出电场外的目的。

该装置外接泵阀的连接方式见附图11。

该装置与实施例2的产物相同，但其能源消耗主要来自电中和电源。

该装置的优点是输送泵压力不高，因而分离腔也无需承受压力，对装置的制造和运行压力控制的要求较低，适合有充足电力供应的场所。

实施例4

在同一电场内设置重叠的多层脱盐装置的生产系统。

参见附图与13。在实际应用的生产系统中，可以将分离腔厚度设置得比较 薄，这样可以使得阴、阳离子只需作短距离的电迁移即可完成分离；同时完成分离的阴、阳离子只需作短距离逆电场力方向运动即可到达电中和腔。这样可以提高该装置的能源利用效率。

为了减少占地空间，简化系统结构，多个同相同的脱盐装置层叠排列在一个直流电场内，并使用共同的原水输入泵和输入输出管线，组成一个同步运行的整体生产系统。