一种利用中和渗析法产生电能的装置及其供电方法与流程

本发明属于化学领域，尤其涉及一种利用中和渗析法产生电能的装置及其供电方法。

背景技术：

随着煤、石油、天然气等非再生能源的日益短缺，以及化石燃料燃烧带来的环境污染，太阳能、风能、潮汐能等各种可再生的清洁能源兴起。除此以外，还有正在兴起的利用盐差能发电的技术，如渗透压能法和反电渗析法。本发明在利用废酸废碱液和对盐溶液的脱盐的基础上进行产能，把装置中产生的化学电位差能经外部电路中的电子元件转化为其他形式的能。

废酸废碱来源复杂、种类多样，酸性废水主要来自钢铁厂、化工厂、染料厂、电镀厂和矿山等，碱性废水主要来自印染厂、皮革厂、造纸厂、炼油厂等。电子行业所产生的含氟废酸、废硫酸、废盐酸、废烧碱，采用通常的中和处理方法，既浪费可利用资源，又增加了生产成本。在水处理工业中，经常用到离子交换树脂制备纯水或软水，经过一段时间运行后，其交换容量渐趋减小，对水的软化效果降低，这时须对树脂进行再生以恢复交换能力。对于阳离子交换树脂再生液一般为盐酸或硫酸，阴离子交换树脂再生液一般为氢氧化钠溶液，因而在再生过程中会产生大量的废酸废碱液，可作为本产能装置的原料加以利用。

本发明的目的在于提供一种利用废碱废酸产生电能的装置及其供电方法，在能够产生清洁无污染的电能的同时，一方面对废酸废碱液进行利用，避免了资源的浪费，减少了废酸废碱液直接排放对环境的污染，另一方面起到了盐水淡化的作用。

技术实现要素：

本发明提出了一种利用中和渗析法产生电能的装置，包括如下组件：酸溶液槽，其用于盛放酸溶液；碱溶液槽，其用于盛放碱溶液；盐溶液槽，其用于盛放盐溶液；阳离子交换膜，其置于所述酸溶液槽与所述盐溶液槽之间，允许两侧溶液中的阳离子进行交换；阴离子交换膜，其置于所述碱溶液槽与所述盐溶液槽之间，允许两侧溶液中的阴离子进行交换；

电极，其分别置于所述酸溶液槽与所述碱溶液槽的两侧；及与所述电极串联连接的用电器；其中，经阴阳离子交换作用提升所述电极两端的电压，向所述用电器提供电能。

本发明提出的所述利用中和渗析法产生电能的装置中，所述电极为石墨、钛合金、活性炭、碳纳米管。

本发明提出的所述利用中和渗析法产生电能的装置中，所述阳离子交换膜的离子交换基团为酸性基团。

本发明提出的所述利用中和渗析法产生电能的装置中，所述阴离子交换膜(5)的离子交换基团为碱性基团。

本发明提出的所述利用中和渗析法产生电能的装置中，进一步包括泵体，其用于将酸溶液、碱溶液和盐溶液分别泵入所述酸溶液槽、所述碱溶液槽和所述盐溶液槽中，泵入方式包括循环式、直通式或两者的结合。

本发明提出的所述利用中和渗析法产生电能的装置中，进一步包括与所述电极并联的电压测量单元，用于测量所述电极的电压。

本发明提出的所述利用中和渗析法产生电能的装置中，进一步包括控制单元及开关；所述开关串联于所述电极与所述用电器之间，所述控制单元于所述电压测量单元连接，根据测得的电压控制所述开关闭合或断开。

本发明还提出了一种所述利用中和渗析法产生电能的装置的供电方法，包括如下步骤：

步骤一：将酸溶液、碱溶液与盐溶液分别泵入所述酸溶液槽、所述碱溶液槽和所述盐溶液槽中；

步骤二：所述酸溶液和所述盐溶液中的阳离子透过所述阳离子交换膜进行交换，所述碱溶液和所述盐溶液中的阴离子透过所述阴离子交换膜进行交换，所述电极的电压提升；

步骤三：向所述用电器提供电能。

本发明还提出了一种所述利用中和渗析法产生电能的装置的供电方法，包括如下步骤：

步骤一：将酸溶液、碱溶液与盐溶液分别泵入所述酸溶液槽、所述碱溶液槽和所述盐溶液槽中；

步骤二：所述酸溶液和所述盐溶液中的阳离子透过所述阳离子交换膜进行交换，所述碱溶液和所述盐溶液中的阴离子透过所述阴离子交换膜进行交换，所述电极的电压提升；

步骤三：待所述电极两端的电压达到稳定阈值时，所述控制单元闭合所述开关向所述用电器提供电能；

步骤四：待所述电极两端的电压达到下限阈值是，所述控制单元断开所述开关停止向所述用电器提供电能；

步骤五：重复执行步骤三与步骤四。

本发明的有益效果在于：本发明能够产生电能并被电路中的电子元件利用，转化其他形式的能。本发明的优点在于：装置性能稳定，可长时间产生清洁无污染的电能；可对废酸废碱液进行处理，原料来源广泛，减少资源浪费和减轻环境污染；还可以实现盐水脱盐的作用；具有工艺流程短，投资少，生产过程操作简单，生产成本低等优点。

附图说明

图1为本发明利用中和渗析法产生电能的装置的示意图；

图2为实施例中采用利用中和渗析法产生电能的装置产生电压及脱盐的曲线图；

图3为实施例中利用中和渗析法产生电能的装置的用电器电流及功率曲线图。

在图1图2中，1、酸溶液槽；2、碱溶液槽；3、盐溶液槽；4、阳离子交换膜；5、阴离子交换膜；6、电极；7、电阻；8、开关；9、万用表。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

如图1所示，本发明利用中和渗析法产生电能的装置包括：酸溶液槽1、碱溶液槽2、盐溶液槽3、阳离子交换膜4、阴离子交换膜5、电极6及用电器7。酸溶液槽1用于盛放酸溶液，碱溶液槽2用于盛放碱溶液，盐溶液槽3用于盛放盐溶液。阳离子交换膜4，其置于酸溶液槽1与盐溶液槽3之间，允许两侧溶液中的阳离子进行交换；阴离子交换膜5，其置于碱溶液槽2与盐溶液槽3之间，允许两侧溶液中的阴离子进行交换，阳离子交换膜4和阴离子交换膜5，把酸溶液槽1、盐溶液槽3和碱溶液槽2分隔成三个封闭的空间。电极6分别置于酸溶液槽1与碱溶液槽2的两侧，电极6与外部电路中的用电器7相连，在产生的电流流经用电器7时，产生能量。

本发明中，由于需将酸溶液、碱溶液和盐溶液加入到装置中或需使酸溶液、碱溶液和盐溶液在装置中循环流动起来，进一步引入泵体，该泵体将酸溶液、碱溶液和盐溶液分别泵入酸溶液槽1、碱溶液槽2和盐溶液槽3中，泵入方式包括循环式、直通式或两者的结合。

关于循环式和直通式的供液方式，其本质区别在于各溶液中离子浓度是否改变。采用循环式的供液方式，即一定体积的溶液在各溶液槽中循环流动，一段时间后溶液中离子浓度会降低，根据理论推到出的公式，电极两侧的电压与各溶液中离子浓度并不是单纯的正比反比关系，实验表明，使用浓度为0.1摩尔每升的盐酸溶液、氢氧化钠溶液和氯化钠溶液各100毫升，采用循环式的供液方式循环1小时，电极两侧电压呈平稳的上升态势。采用直通式的供液方式，即一定浓度的溶液源源不断地泵入到装置中，出水口处的溶液回收处理，并不循环利用，在合适的流速下，装置各溶液槽中的溶液浓度保持稳定不变，所以，采用直通式的供液方式，电极两端会产生稳定的电压。循环式和直通式的供液方式也可以相结合，即以循环式运行一段时间后，采用直通式的供液方式运行一段时间，可将酸溶液槽1、碱溶液槽2和盐溶液槽3中的溶液全部替换，恢复到初始状态的浓度，以保持产生的电压一直维持在一个相对稳定的区间。

为了显示电极6两端的电压值，本发明还设有并联在电极6两端的电压测量单元9，并进一步引入控制单元及开关8；开关8串联于电极6与用电器7之间，控制单元于电压测量单元9连接，根据测得的电压控制开关8闭合或断开。

本发明优选实施例中，酸溶液槽1中的酸溶液以盐酸为例，盐溶液槽3中的盐溶液以氯化钠溶液为例，碱溶液槽2中的碱溶液以氢氧化钠溶液为例，用电器7以电阻为例，电压测量单元9以万用表为例。

其中，电极6一般由石墨、钛合金、活性炭、碳纳米管等导电性强、耐腐蚀的材料制成；外部电路中的电能提取装置为电阻7或其他电子元件；万用表9用于监测产能装置电极6两端或电阻7两端的电压。

其中，阳离子交换膜4只允许两侧溶液中的阳离子进行交换。阳离子交换膜4的离子交换基团为酸性基团。阳离子交换膜4一般是苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物，其离子交换基团主要是磺酸基。此外还可以使用带有羧基、磷酸基和苯酚基团等的弱酸性基团的离子交换膜。本实施例中，阳离子交换膜4为全氟磺酸离子交换膜。

其中，阴离子交换膜5只允许两侧溶液中的阴离子进行交换。阴离子交换膜5的离子交换基团为碱性基团。阴离子交换膜5的制备方法可由氯甲基苯乙烯和二乙烯基苯制得的共聚物膜与三甲胺反应或者由乙烯基吡啶和二乙烯基苯制得的共聚物膜与烷基卤化物的烷基化反应来实现，阴离子交换膜5还可以采用带有胺基、亚胺基团等弱碱性离子交换基团的阴离子交换膜。本实施例中，阴离子交换膜5采用季铵基团作为离子交换基团的离子交换膜。

关于本发明装置的供电方法，主要包括如下步骤：首先，开关8断开，酸、碱、盐溶液泵入槽中充满装置，由于离子交换膜两侧离子浓度和种类不同，酸溶液和盐溶液中的阳离子透过阳离子交换膜4进行交换，同理，碱溶液和盐溶液中的阴离子透过阴离子交换膜5进行交换，通过电压测量单元9的监测，随着离子的交换，电极6两端的电压逐渐上升，如图2所示。然后，待电极6两端的电压达到288毫伏左右(可根据实际要求选定不同的电压值)，，闭合开关8，时间持续20秒。由于两电极6之间有一定的电压，电子会从电势低的一端转移到电势高的一端，从而形成一个与电子流动方向相反的电流，电流流过用电器7，产生能量，本实施例用电器7以20欧姆电阻为例，则可以通过计算得出20秒内20欧姆电阻上产生的能量大小。这个过程中，随着电子的转移，装置或电阻两端的电压减小为一接近于零的数值，如图2所示。接着，开关8断开，本实施例中为了展示此装置供电的可重复性，设定开路时间均为100秒，闭路时间均为20秒，由于装置的自放电效应以及离子的不断交换，装置中电极6两端的电压逐渐升高，100秒后恢复到开关闭合之前的稳定值约288毫伏，从而可以再次闭合开关8进行下一个产能步骤，图2所示为此发生装置八个循环的电压时间关系。如图2所示，在八个循环的产能步骤中，盐溶液的浓度(电导率)随时间不断降低，900秒时间内，盐溶液的电导率从77.5毫摩尔每升降至73毫摩尔每升，并呈下降趋势，随时间的不断增长，会有更明显的脱盐效果，从而实现了良好的盐水脱盐作用。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。