离心力场下渐进式约束的热驱动溶液分离方法及装置与流程

本发明涉及热力学领域，尤其涉及一种利用热力学原理进行溶液分离和提纯的方法和装置。

背景技术：

溶液分离、提纯技术在众多行业都有应用，比如海水淡化、污水处理、吸收式制冷等等，现有技术中溶液分离和提纯的工艺多种多样，能耗需求也各不相同，比如电渗析、反渗透、吸收式制冷的热分离等；其中在吸收式制冷中因为对热能的高度消耗，有“节电不节能”一说，而其他相对节能的分离方法，如电渗析因会改变溶液性质、反渗透因超高的操作压等原因，应用上受到了一定的限制。实际上，在现有技术中，大多数的提纯都需要将水分子汽化或气化后实现溶液的浓度提升或者溶质分子和水分子的分离，也就是说，改变了水的物理形态从而达到溶液的分离或提纯，而使水分子汽化或气化的这部分能量便产生了多余的能量损失，因此，对于倡导节能减排的今天，设计出节能、适用的溶液分离方法来替代高能耗的分离技术显然更具有重大意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种离心力场下渐进式约束的热驱动溶液分离方法和装置，利用饱和状态下水分子的无束缚状态，对溶液中的水分子进行渐进式约束分离，克服背景技术中存在的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种离心力场下渐进式约束的热驱动溶液分离方法，其特征是，所述方法构建渐进式约束分离单元，利用压力随半径增加而升高的原理进行渐进式约束，在离心力场环境下使水分子逐渐沿离心力方向迁移并被排出，从而实现溶液的分离和提纯，所述溶液分离方法具体包括以下步骤：

(1)建立离心力场下的分离环境；

(2)在分离环境中布置沿离心力方向的渐进式约束分离单元；

(3)向分离环境中通入待分离溶液，待分离溶液中的溶质分子和水分子在渐进式约束单元的作用下发生分离，其中水分子能够沿离心力方向进入渐进式约束分离单元；

(4)渐进式约束分离单元对水分子进行逐级约束和传递；

(5)被约束的水分子在离心力场的作用下在渐进式约束分离单元中沿离心力方向迁移直至以纯水的形式被排出渐进式约束分离单元。

在一些优选的方式中，当不断通入新的溶液时，分离方法会不断重复步骤(3)-(5)。

进一步地，所述渐进式分离约束单元中设有能够对水分子进行约束的渐进式约束分离结构。

进一步地，所述结构包括能够被固定在所述渐进式约束分离单元中且能够吸附或固定水分子的溶质分子、离子或者其他吸水基团。如同强吸水性树脂。

进一步地，所述结构包括柔性多孔材料，所述柔性多孔材料中可以固定吸水性的溶质分子、离子或者其他吸水基团。

具体地说，渐进式约束分离结构可以采用柔性多孔材料制成，柔性多孔材料的孔的大小满足能够允许水分子通过，在刚性支撑的起始端不允许溶液中的溶质分子通过，这样，当溶液通入时，就只有水分子能够进入到柔性多孔材料内，在压力状态下，溶液处于饱和状态，此时水分子处于无束缚的状态，因此，当饱和溶液通入时，柔性多孔材料能够允许无束缚的水分子进入，但是阻挡了溶质分子，实现初步的分离。当然，在本发明中，主要靠离心力产生的压力使溶液达到饱和状态，实际上，溶液达到饱和状态也需要一定的温度，例如室温就可以实现，因此，在本发明中所需的热量可以从常温环境中直接获取，不需要其他的能量消耗。

在柔性多孔材料中可以设置能够对水分子进行吸附或者固定的材料或者结构。例如高吸水性树脂材料，在树脂中交联合适的亲水基团，与水分子形成对等的吸附状态，从而约束水分子。实现对无束缚状态的水分子的约束，防止水分子气化，从而避免了水分子由液态向气态转化，实现了水分子在饱和状态的直接分离，从而避免了气化时的能量消耗。并且，柔性多孔材料中沿离心力的方向设置多个层级的约束结构，在沿离心力方向的不同半径位置处(也即不同压力下)分别对水分子进行约束(吸附)，在最佳状态下，下一层级的约束结构能够约束上一层级无法约束的水分子，从而形成对水分子的渐进式约束，直至水分子聚集形成纯水状态被排出。

进一步地，所述渐进式分离约束单元的起始端设置刚性支撑半透膜结构，能够阻挡溶液中的溶质分子但允许水分子通过。

进一步地，所述渐进式分离约束结构的起始位置随溶液浓度的增加而逐渐向离心力的质心靠近。

进一步地，所述渐进式分离约束结构的排出位置沿离心力场的某个周向均布，最终在周向上实现纯水的统一排出。

本发明还提供一种离心力场下渐进式约束的热驱动溶液分离装置，所述装置以实现上述的离心力场下渐进式约束的热驱动溶液分离方法为目的，所述装置包括主轴，所述主轴能够被驱动而转动，所述主轴的外侧设有能够随之转动的转筒；

所述转筒内沿周向均布设置设有渐进式约束单元，所述转筒包括溶液入口和溶液出口，所述溶液从溶液入口进入转筒后被所述渐进式约束单元进行分离或提纯，再从所述溶液出口被排出；所述转筒上设有排水口，所述排水口与所述渐进式约束单元连通，用于排出所述渐进式约束单元分离出的纯水；

所述渐进式约束单元包括约束单元主体和导热外壳，所述导热外壳包裹在所述约束单元主体外部，所述约束单元主体设有水分子进口和水分子出口，所述导热外壳在所述水分子进口和所述水分子出口所在的侧面留空。

进一步地，所述渐进式约束单元在所述水分子进口处设有刚性支撑半透膜结构，所述刚性支撑半透膜结构能够允许所述水分子通过并阻挡所述溶液中的溶质分子。

进一步地，所述约束单元主体采用柔性多孔材料制成，所述约束单元主体内设有多个能够用于约束水分子的约束结构，多个所述约束结构沿离心力方向依次设置，且下一个约束结构能够约束上一个约束结构释放出来的水分子。

进一步地，所述渐进式约束单元分层布置，且沿溶液的流向依次向轴心方向增加尺寸。由于溶液在分离过程中浓度是依次升高的，所以相应地，渐进式约束单元的尺寸也要依次增加，以适应不同的浓度下都提供适合的初始压力值。

进一步地，在本发明的装置中，主轴可以是中空结构，能够用于通入补充的换热液，以弥补有些情况下环境热量的不足，或者在环境热量无法迅速补充温度的时候，可以通入换热液以维持整个装置中的温度恒定，所述中空主轴的两端分别设有换热液入口和换热液出口，所述换热液入口和所述换热液出口分别通过轴封和换热液管道连通。

进一步地，所述转筒的两端分别设置溶液出口和溶液入口，所述溶液的通入方向与所述换热液的通入方向相反。

进一步地，所述溶液入口和所述溶液出口分别通过轴封连接溶液接入管道和溶液接出管道。

进一步地，所述中空主轴的两端分别设置支撑轴承，所述中空主轴的一端设有传动轮，用于向中空主轴传递动力。

本发明的有益效果是：

(1)本发明分离方法设计了能够对水分子进行传质分离的渐进式分离单元，在渐进式分离单元中，水分子受到离心力的作用，在不同的压力下，逐渐由内而外地积聚(或被吸附/固定)直至形成纯水，从而实现无物理状态变化的水和溶质的分离，特别适用于需要溶液分离的场合，如污水处理、溶液提纯等等。

(2)在本发明的装置中，换热液体从中空主轴的轴心位置流入，通过换热液通道流向渐进式约束单元的外侧间隙，热交换后从轴心流出，需要提纯或分离的稀溶液从中空主轴外侧的转筒内流过，到渐进式约束单元有刚性支撑的一侧，稀溶液中的水分子经由渐进式约束单元在主轴转动形成的离心力场下进行渐进式的约束分离，从而实现对稀溶液的提纯，提纯后的溶液之后再沿主轴外侧流出，而从溶液中分离出来的纯水则在渐进式约束单元的另一端从转筒最外侧流出。在整个过程中，换热液、(稀/浓)溶液和分离出的纯水的通道互不相通，相互隔离，不会产生污染。

附图说明

图1是传统的溶质分子和水分子的分离示意图。

图2是以磁场模拟理想状态下溶质分子和水分子的分子分离原理图。

图3是以磁场模拟理想状态下吸收式制冷发生器的分子分离原理图。

图4是以磁场模拟理想状态下反渗透法的分子分离原理图。

图5是以磁场模拟理想状态下本发明的分子分离原理图。

图6是离心力场下半透膜分离的示意图。

图7是多孔结构下水分子的分离示意图。

图8是渐进式约束分离示意图。

图9是渐进式分离过程中溶液的焓-浓度示意图。

图10是刚性支撑原理图。

图11是本发明的装置的径向剖视图。

图12是本发明的装置的轴向剖视图。

图13是本发明的整体流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明的方案，下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的一些实施方案进行清楚、完整的描述。

由于本发明中存在一些理论性或者原理性的思想或引用，为了使这些思想或引用在本发明的技术方案中的体现和作用更好地被理解和实施，首先对这些思想或引用进行描述和解释，需要说明的是，这些描述和解释的目的是为了方便理解，不应视为对本发明的限定或者认为是本发明的方案或者部分，也不应视为对本发明的限定。

为了便于理解和方便说明，本实施例中以溴化锂溶液为例进行分析，实际上本发明的原理和结构也可以用于其他溶液的分离。

在吸收式制冷系统中实现溴化锂溶液分离的是高温热能，分离出来的水蒸汽呈过热状态，对这一过程的微观机理如图1所示，在溶液表面的水分子受到的作用力有溶质离子的吸引力、汽相压力(汽相分子撞击)和水分子本身热振动对溶质离子排斥力，当溶液处于饱和状态时，排斥力f正好能抗衡离子吸引力和汽相压力的合力f，此时如果水分子受到另外分子a的撞击将被弹射入汽相中，而分子a将从高温热源中得到能量补充，显然高温热源提供的能量可以分为两部分，第一部分是让溶液升温处于饱和状态，第二部分是提供水分子进入汽相的动能。

为更加形象地说明问题，假设了如图2的模型，在图2中，溶液中离子和水分子的相互吸引力作用以磁对铁的吸引做示意，如果是普通磁铁吸合在一起，分开它们肯定需要外力f作用一段距离s后脱离磁块的作用，外力耗能为f×s，在图2中，铁球代表的是因热而振动的分子，随着温度的升高振幅随之增大，当达到饱和温度时振幅也达到平衡距离，因振动产生的排斥力能抗衡水分子受到的吸引力(合力)，即此时无需耗能就能移动水分子脱离离子的控制，脱离后的水分子，如果在空间上加以约束，在饱和温度下只做热振动，那么就不会继续吸收热能而形成汽相。

基于上述理论，对传统吸收式制冷需要的能耗可以用如图3进行示意，第一部分能耗为热能q，第二部分能耗也是热能q。对海水淡化用的反渗透法能耗可以用如图4进行示意，因其是在过冷态进行分离的，所以需要有外力如图2那样的做功，即第一部分能耗为f×s，而水分子分离出来后直接受约束成液态，所以没有第二部分能耗。用热分离法(如图3)分离出来的水分子如果在空间上进行约束，使其分离出来后呈液态，那么第二部分能耗显然是不需要的，其能耗只需要使温度升到饱和温度的第一部分能耗q，如图5，这就是需要设计的约束分离法。

以上分析了约束的目的和能耗情况，实现约束分离法的关键是对分离出来的分子或离子的约束，对分子或离子的约束可以从外加力场来考虑，比如重力场、离心力场、电场、磁场等等，显然从可实现性和通用性方面考虑，离心力场是可以作为优先选择的。

饱和溶液分离的基本思路是在液面覆盖具有选择性筛虑作用的多孔结构，比如半透膜，然后进行圆周运动，由离心力分离出分子，如图6所示。

溴化锂溶液的饱和压力p1，根据手册查询，纯水在同温度下的饱和压力p2显然是大于p1的，如果分离出来的水分子直接由离心力压入p2容器进行约束，在实用范围内也是难以实现的，如图7所示，为此可以设计出一种具有选择性筛虑作用的多孔结构，并且在空间结构上固定有溶质(或其他吸水性物质)起吸水作用的分子或离子，如同电渗析膜、sap等，设计后的结构可以如图8所示。

图8所示为上述结构整体处于温度为t1的环境中，以左侧o为圆心以角速度ω转动，左侧为t1温度下的饱和溶液，压力p1，右侧为纯水侧，由于离心力的作用使其压力达到t1温度下的纯水饱和压力p2，中间部分也由于离心力的作用，压力随半径的增加而升高，当角速度ω稳定后，即每一位置都有相应的压力，由于溶质离子(或其他吸水性物质)被固定在基材上，而水分子能在其中自由移动，所以每一位置在相同温度t1下因其不同的压力会有不同的饱和浓度，即如图所示每个离子所吸引的水分子数量不同，且每个离子都处在饱和状态。此时左侧溶液分离出来的水分子在离心力的迁移下通过半透基材，首先推离①号水分子并取代之，脱离出来的①号水分子继而推离②号水分子并取代其位置，依次而行，直至水分子到达纯水侧，外界输入的功给水分子用以迁移，而这部分能量在水分子分离出来后，纯水离开分离装置时可以得到回收，分离前后内能的变化，比如纯水分子间的间距比在溶液时有所增大，这些能量皆可以由t1环境提供的热能实现。也就是说，本发明中克服了反渗透法带来的问题且省去了吸收式制冷发生器在分离过程中所产生的第二部分能耗。

可见以上设计的溶液分离方法所需的能耗为t1环境提供的热能，约束方式是由固定离子提供的渐进式的约束，故而可以称之为：离心力场下渐进式约束的热驱动溶液分离法，简称约束式溶液分离法，这也就是本文中渐进式约束的含义。

如果把这一分离过程在图表上表示出来，可用溴化锂溶液的焓——浓度图示意，如图9。从溶液分离的起始点o开始，分离出来的水分子沿着等温度线t1上升，直至溴化锂浓度为0，即纯水状态。剩余溶液沿着等温度线t1下降，直至所需的浓度。

根据前述原理，当在实际实施中溶液以饱和压力p1进入旋转机构时，由于溶液在半径方向上有一定的厚度，所以在图8中的溶液侧压力将是大于p1的，为此，在多孔材料靠溶液一侧需要做刚性支撑，使多孔材料(半透基材)两侧产生压力差，右侧压力降到p1，即如图10所示的状态。

由此，本发明的分离方法可以采用如图13所示的步骤：

s1，建立离心力场下的分离环境。在本发明中，可以在室温环境下进行，也可以对离心力场进行热交换，通常来说，室温环境下的热量足够实现本发明的分离，在分离纯度要求很高或者对分离效率要求较高的情况下，也可以加上热交换场进行辅助。

s2，在分离环境中布置沿离心力方向的渐进式约束分离单元。渐进式约束分离单元的起始位置设有水分子入口，渐进式约束分离单元的终止位置设有纯水出口，该终止位置也可以叫做排出位置，所述渐进式分离约束结构的排出位置沿离心力场的某个周向均布，这可以使得多个渐进式约束分离结构/单元能够在离心力场中形成同步的渐进式约束分离，并最终在排出位置所在的周向上实现纯水的统一排出。

所述渐进式分离约束单元的起始端设置刚性支撑半透膜结构，能够阻挡溶液中的溶质分子但允许水分子通过，也就是说，半透膜结构能够将溶质分子阻挡在渐进式约束分离单元之外，从而实现水和溶质的分离。

所述渐进式分离约束结构的起始位置随溶液浓度的增加而逐渐向离心力的质心靠近。由于溶液在分离过程中浓度是依次升高的，所以相应地，渐进式约束单元的尺寸也要依次增加，以适应不同的浓度下都提供适合的初始压力值。

s3，向分离环境中通入待分离溶液，使待分离溶液(稀溶液)中的水分子沿离心力方向进入渐进式约束分离单元，而溶质分子被渐进式约束分离单元起始位置处的刚性支撑半透膜阻挡在外，逐步被提纯为浓溶液；

s4，渐进式约束分离单元通过柔性多孔材料对水分子进行约束；

s5，被约束的水分子在离心力场的作用下在渐进式约束分离单元沿离心力方向迁移直至以纯水的形式被排出渐进式约束分离单元；

渐进式约束分离结构可以采用柔性多孔材料制成，柔性多孔材料的孔的大小满足能够允许水分子通过且不能够允许溶液中的溶质分子通过，这样，当溶液通入时，就只有水分子能够进入到柔性多孔材料内，在压力状态下，溶液处于饱和状态，此时水分子处于无束缚的状态，因此，当饱和溶液通入时，柔性多孔材料能够允许无束缚的水分子进入，但是阻挡了溶质分子，实现初步的分离。在本发明中，离心力在不同半径位置产生的不同压力，使不同浓度的溶液都在同一温度下处于饱和状态，为此，可以通过调整不同的转速或半径尺寸获得相应的压力来适应特定的温度，例如室温，因此，在本发明中所需的热量可以从常温环境中直接获取，不需要其他的能量消耗。

在柔性多孔材料中可以设置能够对水分子进行吸附或者固定的材料或者结构，例如高吸水性树脂材料，在树脂中交联合适的亲水基团，与水分子形成对等的吸附状态，从而约束水分子。实现对无束缚状态的水分子的约束，防止水分子气化，从而避免了水分子由液态向气态转化，实现了水分子在饱和状态的直接分离，从而避免了气化时的能量消耗。并且，柔性多孔材料中沿离心力的方向设置多个层级的约束结构，在沿离心力方向的不同半径位置处(也即不同压力下)分别对水分子进行约束(吸附)，在最佳状态下，下一层级的约束结构能够约束上一层级无法约束的水分子，从而形成对水分子的渐进式约束，直至水分子聚集形成纯水状态被排出。

s6，在不断通入待分离溶液的情况下，分离方法不断循环步骤s3-s5对溶液进行分离。

具体到某一种实现的装置或结构，以需要增加热场为例，实际上，也可以不使用换热液，通过结构本体热传导实现热量交换。本发明可以采用如图11-12所示的分离装置，离心力场下渐进式约束的热驱动溶液分离装置包括中空主轴1，所述中空主轴1的两端分别设置支撑轴承2，所述中空主轴1的一端设有传动轮3，所述中空主轴1能够通过电机连接传动轮3而被驱动转动，所述中空主轴1的两端分别设有换热液入口11和换热液出口12，所述换热液入口和所述换热液出口分别通过轴封100和换热液管道13连通。所述中空主轴1内的中空部分可以通入换热液，在本实施例中，换热液可以如图中虚线所示的方向流动，例如由上而下。

所述中空主轴1的外侧设有能够随之转动的转筒4，所述转筒4内沿轴向均布设置换热液通道5，如图11所示，换热液通道5可以从中空主轴1向转筒4的周向呈发散状布置，所述换热液通道5与所述中空主轴1在内部连通，使得换热液能够从中空主轴1沿换热液通道如图11中的虚线方向流动，从而向转筒4内的其他位置传递热量(进行热交换)。所述转筒4的两端分别设置溶液出口41和溶液入口42，为了更好地实现热交换，所述溶液的通入方向可以与所述换热液的通入方向相反，如图12所示。所述溶液入口41和所述溶液出口42分别通过轴封100连接溶液接入管道43和溶液接出管道44。

在转筒4内，相邻的所述换热液通道5之间设有渐进式约束单元6，所述渐进式约束单元包括柔性多孔材料和导热外壳，所述导热外壳可以采用导热性较好的密封的材料，例如金属或者非金属的密闭的导热材料，做成较薄的外壳层，对柔性多孔材料进行包裹，导热外壳设置在所述柔性多孔材料的外侧，但是留出水分子的入口和纯水出口这两侧的空隙，柔性多孔材料的作用是用于对水分子进行如前所述的渐进约束，柔性多孔材料可以选用能够允许水分子通过的半透型多孔材料，并且，柔性多孔材料内设有前述的能够约束或者吸附水分子的材料或者结构，这些材料或者结构被按照一定的层级顺序固定在柔性多孔材料内，为了适应不同半径位置的压力变化，选用柔性材料为宜，因热量交换需要以及避免渐进式约束单元的其他位置上发生液体交换，所以柔性多孔材料的外部采用导热外壳包裹后可以使得所述渐进式约束单元整体上呈扇形块状(径向两端不包裹)，这样，外壳包裹内为多孔材料，外壳外流过换热液，为分离过程提供必要的热能。

另，如图11所示，基于前述压力调整的缘故，所述渐进式约束单元6在沿所述转筒4的径向方向的内侧设有刚性支撑半透膜结构7，在刚性支撑半透膜结构7能够允许水分子通过，且能够将溶液中的溶质分子阻隔，刚性支撑半透膜结构7的内侧和中空主轴1之间的空间形成溶液通道8，所述刚性支撑半透膜结构7可以如图8和10所示地设有能够允许水分子通过的膜孔。

此外，所述渐进式约束单元6分层布置，由于溶液在整个分离过程中其浓度是逐渐升高的，如图9所示，所以在其沿轴向流过众多导热材料包裹的多孔材料时，每一块都需要向轴心方向增加适当的尺寸，以适应不同浓度下都能有合适的如图10中所示的p1值。

通过本发明设计的上述结构，需要分离或提纯的溶液可以从溶液入口41进入转筒4后经由所述渐进式约束单元6进行分离，再从所述溶液出口42被排出，相应地，在所述转筒4上靠近溶液出口的位置外壁上设有排水口45，所述排水口45在内部与所述渐进式约束单元6连通，用于接收渐进式约束单元6分离出的纯水，所述排水口45在外部可以连接排水管道46，将渐进式约束单元6分离出的纯水排出。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例的所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。