专利名称：电－磁海水淡化方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海水淡化方法及其装置，特别是电磁海水淡化方法及其装置，适合于海水、卤水、苦咸水淡化及污水处理。
背景技术：
海水淡化即脱除海水中的大部分盐份，使处理后的海水达到淡水或生活用水标准。早期的设施是小容量的蒸馏淡化设备，至今已有百年的历史。目前海水淡化技术的种类虽然很多，归纳起来不过是电渗析、反渗透、热蒸馏和冷冻法四种原理的利用。蒸馏淡化技术又分为低温多效蒸发、多级闪蒸和压汽蒸馏三种。达到商业规模，适用于较大规模海水淡化的方法有反渗透法、多级闪蒸法和低温多效蒸馏法。其中，以膜法为基础的反渗透法只适宜于海岛等小范围的用水，要大规模地生产淡水，必须采用蒸馏法。目前国际上海水淡化中，膜法占约23％，蒸馏法约占77％。此外，苦咸水淡化主要用反渗透法。最近也有成功利用电渗析法进行海水淡化的报道。
海水淡化技术推广的障碍主要在于成本高、规模小、能耗大。据报道，我国年需求淡水总量为7千亿吨，而年供水量只有4600亿吨，缺口达2400亿吨，规模和成本的决定性意义显而易见。反渗透技术不仅不便于大规模生产，而且成本高。目前我国海水淡化用反渗透膜、高压泵和能量回收装置都依赖进口，是制约反渗透技术产业化的关键因素。我国正在运行的生产纯净水的小型淡化装置用膜，90％都是进口的，而且进口的膜二三年就要更换，成本较高。而蒸馏法海水淡化技术是电老虎，电价占总成本的70-80％。耗电成本按目前比较先进的每吨5度电计算，生产1千亿吨淡化水需耗电5千亿度，占我国目前总发电量的一半还多。此外，设备投资更加惊人，一个日产千吨(按年产30万吨计)的海水淡化设备一次性投入要近千万元。要达到年产1千亿吨淡水则需要3.3万亿元的设备投资，比建50个三峡工程的投资还多。可见，反渗透法和蒸馏法海水淡化技术在我国的推广和应用的规模受到我国国情、技术的成本和技术本身特点的限制，不可能成为根本解决我国的淡水资源短缺问题的技术途径。近年来太阳能和核能海水淡化技术方面的研究和论证正在国内如火如荼地进行，迄今为止并没有解决成本和规模两大问题的迹象。当然，一旦未来太阳能利用效率若能大幅提高，或者受控热核聚变技术能实现商用，大量生产和应用淡化海水就可能成为现实。但是，一方面这个“未来”究竟有多远殊难预测，尤其是要实现商用化恐怕更远。另一方面，即使有关技术问题得到解决，太阳能的缺乏稳定性和所需要的高功率核能的安全性问题都是值得认真考虑的。
除上述主流海水淡化方法外，与电和磁有关的海水淡化技术方面，有在我国申请专利的“磁力海水淡化装置”(专利申请号88217795.8，简称文献1)、“磁流体发电技术的改进及应用”(专利申请号99118265.0，简称文献2)、“一种海水淡化方法及装置”(专利申请号95112245.2，简称文献3)和“电磁式海水淡化装置”(专利申请号92219235.9，简称文献4)。这四项专利申请分别是用电或磁，或两者的结合来进行海水淡化。但是，迄今为止并未见到有关的实际应用报道或设备产品信息。其中，文献1和2仅利用磁力，均是使海水流经磁场，试图利用海水中盐份离子在磁场中运动所受到的洛仑兹力将阴、阳离子分开并与水分离，达到盐、水分离，实现海水淡化的目的。但是，由于这时盐份离子在磁场中运动所受到的洛仑兹力很小，不足以克服海水中阴阳离子间的电荷引力，所以达不到有效淡化海水的目的。尤其是后者所宣称的“根据磁流体发电技术的要求，用电解质溶液取代高温的离子流。设计合适的磁场通道，使电解质溶液在高速通过磁场通道时，阳离子与阴离子在磁场作用下，相互分离”在现实条件下是不可能实现的，只能是一相情愿的设想。文献3单纯利用电极电场来使海水中的阴阳离子分离，在电极附近收集盐水，在两电极的中间收集淡水。该方法效率低、耗电多、电极易受腐蚀、而且伴随不利的电化学反应及其产物。文献4虽然是将电和磁对离子分离的原理进行了结合，但是，电场和磁场是在同一工作区域使用，电场的作用只是用来加速阴阳离子向两极的运动。因此，该方法只不过是单纯电场法和单纯磁场法的简单迭加。由于对原理利用不当，装置的结构设计复杂而且不合理，而且没有解决电-磁场下阴、阳离子脱离水体的关键制约因素问题，致使其海水淡化的效果很差。
发明内容
本发明的一个目的是根据海水中盐份的离子特性，提出一种将电场分离技术与磁场分离技术链接在一起的海水淡化方法。本发明的再一个目的是设计一种实现该方法的海水淡化装置。
为此，本发明采用以下技术方案一种电-磁海水淡化方法，其特征是它采用以下步骤a.注入海水-将海水加压后注入电离室，以便使海水持续稳定地进入电离室；b.电离海水-给电离室内的两个电极施以直流电压，使电离室内产生电场，以使通过该电场的海水中的阴、阳离子分开并分别富集在对应的电极附近；c.分离水、盐-给分离室外周的电磁铁施以直流电压，使分离室内产生磁场，使电离室中富集阴、阳离子的水分别经各自的液柱喷射口喷入分离室，所述磁场的方向与所述液柱喷射的方向正交，以使海水中的阴、阳离子受所述磁场作用而偏离喷射液柱，而海水中的淡水则保持喷射液柱方向的运动，从而分离海水中的淡水和盐；d.收集淡水和浓缩盐水-将海水中偏离喷射液柱的阴、阳离子汇入浓盐水收集室并自浓缩盐水出口导出，通过淡水接入口承接沿喷射液柱方向运动的淡水并自淡水出口导出。
此外所述步骤b中，电离可以电解方式进行，其电离电压为4-56伏；也可以纯电场作用方式进行，此时其电离电压为30-150伏。
所述步骤c中，分离室的磁场强度在20高斯以上。
所述步骤c中，喷射液柱流经的磁场空间路径为10厘米以上。
所述步骤c中，除在分离室内产生磁场外，还可以辅以与该磁场正交的电场，以增加阴阳离子的受力，其电势差在10-100伏。
一种电-磁海水淡化装置，它包括一直流电源，用于为盐水电离室中的电离电极及水盐分离室的电磁铁提供电力；一盐水电离部件，用于使海水中的阴、阳离子分开并分别富集在两个电离电极附近，其由电离室和装在该电离室内的两个电离电极组成，所述电离室设有海水注入口，所述两个电离电极中空、一端开口、外表有孔隙，所述两个电离电极分别与所述直流电源的正负极电连接；一水、盐分离部件，用于将电离后的海水分离成淡水和浓缩盐水，其由分离室、电磁铁、两个液柱喷嘴组成，所述分离室与所述电离室联接，所述电磁铁设于分离室外周，所述两个液柱喷嘴的一端分别与所述两个电离电极的开口端相联接，另端伸入所述分离室内；一浓缩盐水收集部件，用于收集海水经分离后得到的浓缩盐水，其由与所述分离室联接的浓缩盐水收集室构成，该浓缩盐水收集室的底部设浓缩盐水出口；一淡水收集部件，用于收集海水经分离后得到的淡水，其由淡水收集室和两个淡水承接口构成，所述淡水收集室与所述浓缩盐水收集室联接，其底部设淡水出口，所述两个淡水承接口与所述淡水收集室相通联接并与所述两个液柱喷射管分别相对。
此外所述电离电极的外形呈柱形、球形、半球形之一。
所述液柱喷嘴的出口处可设有空气接入孔，以便引入气体而使喷出的液柱密度降低。
所述淡水承接口为倒漏斗形管状体，其大口部与所述淡水收集室联接，其小口部向外突起。
在海水淡化过程中海水经注入口进入电离室，在两个电离电极产生的电场作用下，海水中的阴、阳离子分开并分别富集在两个电极的周围。这些富集阴、阳离子的水进入电极内部，经由两个液柱喷嘴喷入分离室。在分离室的电磁铁的磁场作用下，这些水中的离子将受力而偏离喷射液柱，这些水中的淡水则保持喷射液柱方向的运动，从而将海水中的盐和淡水分离开来。已经分离开的淡水，经淡水承接口进入淡水收集室并流至淡水储运系统。已经分离开的离子则在浓缩盐水收集室中汇集成浓缩盐水并流至浓缩盐水储运系统。
本发明区别于冰冻法、蒸馏法、电渗析法、反渗透法以及单纯电场法和磁场法等现有海水淡化方法。本发明将电场分离技术与磁场分离技术链接在一起，通过电场将海水中的阴、阳离子分开并富集，利用运动的电荷粒子在电磁场中受力的原理，使其分别以一定流速通过磁场，从而实现水、盐分离的海水淡化。本发明具有工艺简单，效率高、能耗小、成本低的特点。适合大、中、小各种规模的海水、卤水、苦咸水淡化以及污水处理中阴阳离子的祛除。
下面结合附图作进一步说明。
图1为原理性结构示意图。
具体实施例方式
本发明根据海水中盐份的离子特性，将电场分离技术与磁场分离技术链接在一起，通过电场将海水中的阴、阳离子分开并富集，利用运动的电荷粒子在电磁场中受力的原理，使其分别以一定流速通过磁场，使得水、盐分离，从而实现海水淡化。
本发明方法通过以下步骤实现a.注入海水将海水加压后注入电离室，以便使海水持续稳定地进入电离室。
给海水加压可以采用各种适合的水泵，也可以通过水柱的自身压力或其它加压的方式(如气体加压)来提供水流的动力。
b.电离海水给电离室内的两个电极施以直流电压，使电离室内产生电场，以使通过该电场的海水中的阴、阳离子分开并分别富集在对应的电极附近；c.分离水、盐给分离室外周的电磁铁施以直流电压，使分离室内产生磁场，使电离室中富集阴、阳离子的水分别经各自的液柱喷射口喷入分离室，磁场的方向与所述液柱喷射的方向正交，以使海水中的阴、阳离子受磁场作用力而偏离喷射液柱，而海水中的淡水则保持喷射液柱方向的运动，从而分离海水中的淡水和盐；d.收集淡水和浓缩盐水将海水中偏离喷射液柱的阴、阳离子汇入浓盐水收集室并自浓缩盐水出口导出，通过淡水接入口承接沿喷射液柱方向运动的淡水并自淡水出口导出。
请参阅图1，实现本方法的装置由以下主要部件构成直流电源(未示)。用于为盐水电离室中的电极及水、盐分离室的电磁铁提供电力。其电压和电流负荷可根据需要变化。可以直接使用合适的现有市售直流电源，也可以根据需要专门制作。
盐水电离部件。该部件的作用是使海水中的阴、阳离子在电场作用下分开，并分别富集在两个电极的内部及其周围，为使其通过分离室5的磁场时从水体中分离出来作准备。其由电离室2和装在其内的两个电离电极3组成，电离室设有海水注入口1，两个电离电极3中空、一端开口、外表有孔隙，两个电离电极3分别与所述直流电源的正负极电连接。
水、盐分离部件。该部件的作用是为水、盐分离提供磁场，将电离后的海水分离成淡水和浓缩盐水。其由分离室5、电磁铁(未示)、两个液柱喷嘴4组成，分离室5与电离室2联接，电磁铁设于分离室5外周，两个液柱喷嘴4的一端分别与两个电离电极3的下开口端相联接，液柱喷嘴4的另端伸入分离室5内。
浓缩盐水收集部件。该部件的作用是收集海水经分离后得到的浓缩盐水并导入盐水储运系统。其由与分离室5联接的浓缩盐水收集室9构成，浓缩盐水收集室9的底部设浓缩盐水出口10。
淡水收集部件。该部件的作用是收集海水经分离后得到的淡水并导入淡水储运系统。其由淡水收集室7和两个淡水承接口6构成，淡水收集室7与浓缩盐水收集室9联接，其底部设淡水出口8，两个淡水承接口6与淡水收集室相通联接并与两个液柱喷射管4分别相对。
动力系统(未示)。该系统的作用是为海水在本发明装置中流动提供动力及控制流速，以及将淡水和浓缩盐水分别从各自的出口排入储运系统。它可以采用各种适合的水泵，也可以通过水柱的自身压力或其它加压的方式(如气体加压)来提供水流的动力。
本发明装置的工作程序如下1.启动直流电源，给电离电极3施以直流电压。对于电极不做表面绝缘处理，以电解方式进行电离时，电离电压以4-56V为佳；当电极进行了表面绝缘处理，以纯电场作用方式进行电离时，电压可以根据水流大小在30-150V变化。
2.启动分离室中的电磁铁系统。分离室工作区有效磁场强度应在20高斯以上，水柱流速高则磁场强度需相应加大，理论上磁场强度越大越好。
3.启动动力系统，使海水持续稳定地进入电离室2，并以稳定的流速从液柱喷嘴4射出，穿过分离室5，进入淡水、浓缩盐水收集部件与储运系统。
在此过程中海水在动力系统驱动下，经注入口1持续稳定地进入电离室2；在电离室中两个电离电极3产生的电场作用下，海水中的阴、阳离子分开并分别富集在两个电极3的内部及其周围。这些富集阴、阳离子的水经电极3外表的孔隙进入中空的电极内部，并经由两个液柱喷嘴4喷入分离室5；在分离室5的电磁铁产生的磁场作用下，富集阴、阳离子的水中的离子将受力而偏离喷射液柱，富集阴、阳离子的水中的淡水则不受力而保持喷射液柱方向的运动，从而将海水中的淡水和盐分离开来；上述已经分离开的淡水，经与两个液柱喷射管4分别相对的两个淡水承接口6，进入淡水收集室7并从底部的淡水出口8流至淡水储运系统；上述已经分离开的离子在淡水承接口6外与散射出来的淡水一起在浓缩盐水收集室9中汇集成浓缩盐水并从底部的浓缩盐水出口10流至浓缩盐水储运系统。
在本发明的其它实施例中在电离部件中电极3可用金属、合金、石墨等导电材料制作，也可进行防腐蚀处理。电极3的外表面必须有孔隙供水和离子通过，或可做成网状结构，其表面可以做绝缘处理，其外形可做成柱状、球状、半球状等形状，但必须有液体导流管部分能与液柱喷嘴4连接。电极3上所施加的电压，与电极3的形状、尺寸、规格、所用材料、相对距离以及其表面是否进行绝缘处理有关，且需要根据淡化水的质和量的需要而改变。电离室2应耐压和耐腐蚀，并且不导电，可做成柱状、球状等形状。
在分离室5中液柱喷嘴4的作用是将富集阴、阳离子的水导入水、盐分离室，并控制喷出液柱的大小和形状，以实现盐、水有效分离。其形状可以不同，可用导电或不导电的材料制作，可进行防腐蚀处理。也可在适当部位引入气体物质(如在液柱喷嘴4的出口处设有可引入气体的空气接入孔)，使喷出的液柱密度降低，以提高水、盐分离效果。液柱喷嘴4喷出的水柱流经的有效磁场空间路径，即液柱喷射管4的末端至淡水承接口6始端的距离，以10-25厘米为佳；单个液柱喷射管4的截面积以1×10-5-2×10-4m2为宜，流速一般控制在每分钟2-50升。产生磁场的部件除了采用电磁铁，也可用永久磁铁来提供磁场。除在分离室内产生磁场外，并且可以辅以一定电势的电场，该电场和磁场的方向相互垂直(正交)，并且均与盐水喷射的方向垂直为佳，以增加阴阳离子的受力。其电势差以10-100伏为宜。分离室5的形状、结构和尺寸可因情况而异，也可进行防腐蚀处理，但用于水、盐分离的有效磁场空间必须保证由液柱喷嘴4喷出的液柱的顺利通过和水、盐的有效分离。分离室的磁场和电场强度可因通过其中的水柱的流量而变，但要尽可能均匀，并保证提供实现盐、水有效分离的足够强的磁场强度。
在淡水收集部件中淡水承接口6可采用倒漏斗形管状体并向外突起的结构，其大口部与所述淡水收集室联接，其小口部向外突起。这种结构用于防止海水中已经分离开的离子进入淡水收集室。淡水承接口6的形状和大小应与液柱喷嘴4喷出的液柱的形状和大小相匹配。单个淡水承接口6的截面积以2×10-5-3×10-4m2为宜。
本发明方法可以有效解决当前已有海水淡化技术所面临的成本高和规模小的难题，将克服当前已有海水淡化技术在实现大规模生产上所面临电力供应障碍问题，提供实现大规模海水淡化的可能。利用30万千瓦的电功率就能达到日产淡水720万立方米的能力，即年产淡水26亿立方米，可以填补北京市2010年水平的全市年淡水供需缺口；同时，按当前市场和物价水平计算，预计生产每立方米淡化水的总成本不高于2.0元人民币，远低于国际上公认的每立方米淡化水0.5美元的低成本标准。
权利要求
1.一种电-磁海水淡化方法，其特征是它采用以下步骤a.注入海水将海水加压后注入电离室，以便使海水持续稳定地进入电离室；b.电离海水给电离室内的两个电极施以直流电压，使电离室内产生电场，以使通过该电场的海水中的阴、阳离子分开并分别富集在对应的电极附近；c.分离水、盐给分离室外周的电磁铁施以直流电压，使分离室内产生磁场，使电离室中富集阴、阳离子的水分别经各自的液柱喷射口喷入分离室，所述磁场的方向与所述液柱喷射的方向正交，以使海水中的阴、阳离子受所述磁场作用而偏离喷射液柱，而海水中的淡水则保持喷射液柱方向的运动，从而分离海水中的淡水和盐；d.收集淡水和浓缩盐水将海水中偏离喷射液柱的阴、阳离子汇入浓盐水收集室并自浓缩盐水出口导出，通过淡水接入口承接沿喷射液柱方向运动的淡水并自淡水出口导出。
2.如权利要求1所述的电-磁海水淡化方法，其特征在于所述步骤b中，电离以电解方式进行，其电离电压为4-56伏。
3.如权利要求1所述的电-磁海水淡化方法，其特征在于所述步骤b中，电离以纯电场作用方式进行，其电离电压为30-150伏。
4.如权利要求1所述的电-磁海水淡化方法，其特征在于所述步骤c中，分离室的磁场强度在20高斯以上。
5.如权利要求1所述的电-磁海水淡化方法，其特征在于所述步骤c中，喷射液柱流经的磁场空间路径为10厘米以上。
6.如权利要求1所述的电-磁海水淡化方法，其特征在于所述步骤c中，除在分离室内产生磁场外，还可以辅以与该磁场正交的电场，以增加阴阳离子的受力，其电势差在10-100伏。
7.一种电-磁海水淡化装置，其特征在于它包括一直流电源，用于为盐水电离室中的电离电极及水盐分离室的电磁铁提供电力；一盐水电离部件，用于使海水中的阴、阳离子分开并分别富集在两个电离电极附近，其由电离室和装在该电离室内的两个电离电极组成，所述电离室设有海水注入口，所述两个电离电极中空、一端开口、外表有孔隙，所述两个电离电极分别与所述直流电源的正负极电连接；一水、盐分离部件，用于将电离后的海水分离成淡水和浓缩盐水，其由分离室、电磁铁、两个液柱喷嘴组成，所述分离室与所述电离室联接，所述电磁铁设于分离室外周，所述两个液柱喷嘴的一端分别与所述两个电离电极的开口端相联接，另端伸入所述分离室内；一浓缩盐水收集部件，用于收集海水经分离后得到的浓缩盐水，其由与所述分离室联接的浓缩盐水收集室构成，该浓缩盐水收集室的底部设浓缩盐水出口；一淡水收集部件，用于收集海水经分离后得到的淡水，其由淡水收集室和两个淡水承接口构成，所述淡水收集室与所述浓缩盐水收集室联接，其底部设淡水出口，所述两个淡水承接口与所述淡水收集室相通联接并与所述两个液柱喷射管分别相对。
8.如权利要求7所述的电-磁海水淡化装置，其特征在于所述电离电极的外形呈柱形、球形、半球形之一。
9.如权利要求7所述的电-磁海水淡化装置，其特征在于所述液柱喷嘴的出口处可设有空气接入孔，以便引入气体而使喷出的液柱密度降低。
10.如权利要求7所述的电-磁海水淡化装置，其特征在于所述淡水承接口为倒漏斗形管状体，其大口部与所述淡水收集室联接，其小口部向外突起。
全文摘要
本发明公开一种根据海水中盐份的离子特性，将电场分离技术与磁场分离技术链接在一起，通过电场将海水中的阴、阳离子分开并富集，利用运动的电荷粒子在电磁场中受力的原理，使离子分别以一定流速通过磁场，从而实现水、盐分离的海水淡化方法及其装置。本发明是区别于冰冻法、蒸馏法、电渗析法、反渗透法以及单纯电场法和磁场法等现有方法的新型海水淡化方法。具有工艺简单，效率高、能耗小、成本低的特点。适合大、中、小各种规模的海水、卤水、苦咸水淡化以及污水处理中阴阳离子的祛除。
文档编号C02F103/08GK1730404SQ20041007019
公开日2006年2月8日 申请日期2004年8月6日 优先权日2004年8月6日
发明者汪双清, 黄怀曾, 徐爱玲, 鲁延武 申请人:汪双清, 黄怀曾, 徐爱玲, 鲁延武