基于脉冲变压器原理的海水盐离子分离器及海水淡化方法与流程

本发明涉及海水淡化领域，特别涉及一种基于脉冲变压器原理的海水盐离子分离器及海水淡化方法。

背景技术：

人类的淡水资源越来越少，而需求量越来越大。海水淡化是解决水资源短缺的有效途径。

目前，已有海水淡化的专利有很多如渗透法、蒸发法、静电法等等。还有磁场法。具体是把过水管道放在静止强磁场中，海水在管道内高速流动时，海水中的正负离子承受方向相反的罗伦兹力而分离，使水得到淡化。但是，要求管道内的海水的流动速度很高，因而需要的水压很大，能量消耗大，效率低。高速流动时其离子承受的罗伦兹力的受力时间短，因而离子分离的时间短，进一步降低了分离效率。中国专利ZL 201120165739.X 公开的一种“基于旋转磁场的海水淡化器”和“Simulation of Rotating Magnetic Field on Ion Distribution in Saltwater”（13th IEEE Joint International Computer Science and Information Technology Conference，JICSIT 2011）一文中采用旋转稳恒磁场对过水管道内海水中的静止盐离子施加洛沦兹力的方法来分离海水中的盐离子，实现海水淡化的目的。离子受到的洛沦兹力与磁场强度、磁场旋转速度等有关。但目前由于绝缘管道在磁场旋转轴向很短,而且磁场强度、磁场旋转速度都尚不能达到理想水平，所以这种方法离实际应用还有一定距离。

另外，目前存在一种电渗析的海水淡化器。其中的电极距离很小，电极之间的电压很小，对海水中离子的吸附力很有限。而且，需要对电极电压进行正负交变，以释放吸附的离子，降低电极腐蚀程度。释放吸附的离子后，海水浓度提高，应即时排出浓海水。这种电渗析的海水淡化器，电极电压极性的改变和浓海水的排出占用了离子分离时间，降低了海水淡化效率；而且电压极性的改变极大地增加了能耗；电极有一定的腐蚀。

在“Ion Distribution in Saltwater under High-voltage Static Electric Field”,( Advanced Materials Research Vols. 361-363 (2012),pp.865-869)一文中提出了利用高压静电场来分离离子的思想，分析表明在过水管道两端面上，离子浓度极大。中国专利ZL 201110152425.0公开了一种“基于离子反转的高压静电型海水淡化器”，该专利提出将海水中的正负离子反转到一绝缘薄膜两侧面，利用高压静电场和正负离子之间的静电引力的共同作用，来增加离子的聚集浓度，提高海水淡化效率的思想。虽然离子浓度有较大提高，但把离子和淡水实际隔离并取出一直没有较好的方法。中国专利ZL201210042258.9公开了一种“高压静电型离子喷雾式海水淡化器及其海水淡化方法”，该专利提出利用高压静电场将海水中的正负离子分离到不同的水管内，来增加离子的聚集浓度，提高海水淡化效率的思想。虽然可实现正负离子的分离但将水管设置成直线型使得离子经过的水管较短导致离子浓度不大，因此把离子和淡水实际分离并取出一直没有较好的方法。

本发明在脉冲变压器原理的基础上，在原边施加脉冲电流激励，在脉冲变压器副边绕组的首尾两端激励出高浓度正、负盐离子。在附加吸附装置的吸引力作用的基础上，把脉冲变压器副边绕组首尾两端激励出的高浓度正、负盐离子强迫吸引而脱离首尾两端面，实现盐离子与水的分离即还海水淡化。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种能极大地提高离子去除浓度，使海水中的离子与水更容易分离的基于脉冲变压器原理的海水盐离子分离器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的一个技术方案是：提供一种基于脉冲变压器原理的海水盐离子分离器，包括水管、电源转换装置、与所述电源转换装置电连接的脉冲产生装置、与所述脉冲产生装置电连接的脉冲变压器以及与所述脉冲产生装置电连接的离子分离装置；所述水管的一端为海水进水口，另一端为淡水出水口；所述脉冲变压器的包括变压器铁芯、变压器原边绕组以及变压器副边绕组，所述脉冲变压器副边绕组为绝缘水管绕组，在该绝缘细管绕组中间段抽头与所述水管连通，所述绝缘水管绕组内的水在其表面张力下不流出绝缘水管绕组的两端；

所述电源转换装置用于将交流电转换为直流电，为脉冲产生装置提供稳定的电源；所述脉冲产生装置用于先后产生交流信号至脉冲变压器和加速脉冲信号至离子分离装置，所述交流信号用于激励所述脉冲变压器原边绕组，使所述脉冲变压器副边绕组内产生脉冲电场，从而使得该脉冲变压器副边绕组内的盐离子在脉冲电场的作用下向脉冲变压器副边绕组两端分别聚集，并对水管中的海水的正、副离子进行抽取和初步分离；所述加速脉冲信号用于使离子分离装置对脉冲变压器副边绕组两端的正、负离子进行强迫吸附，从而使所述正、副离子脱离所述脉冲变压器副边绕组的两端。

进一步的，所述脉冲变压器副边绕组为两端内径为毫米级的绝缘水管绕组。

进一步的，在所述绝缘细管绕组的1/2处抽头与所述水管连通。

进一步的，所述电源转换装置为整流器。

进一步的，所述离子分离装置包括离心分离器、与所述脉冲产生装置电连接且与所述脉冲变压器副边绕组的两端对准的离子吸引电极，所述离心分离器包括位于所述离子吸引电极与脉冲变压器副边绕组之间的离心分离盘；

所述离子吸引电极正对所述脉冲变压器副边绕组的两端，当正、负离子分别位于所述脉冲变压器副边绕组的首、尾端时，所述离子吸引电极的负极与所述脉冲变压器副边绕组的首端对准，正极与所述脉冲变压器副边绕组的尾端对准，当负、正离子分别位于所述脉冲变压器副边绕组的首、尾端时，所述离子吸引电极的正极与所述脉冲变压器副边绕组的首端对准，负极与所述脉冲变压器副边绕组的尾端对准；

所述离子吸引电极用于根据所述加速脉冲信号进行工作，以对所述脉冲变压器副边绕组两端感应出的正、负离子进行吸引，使所述正、负离子脱离所述脉冲变压器副边绕组的两端并向离心分离盘方向运动，所述离心分离盘用于拦截绕组首尾两端排出的阴、阳离子流，同时该离心分离盘旋转，利用离心力实现正、负离子流的脱离。

进一步的，还包括离子收集器以及能量回收变流器，所述离子收集器包括两弧形壁围合呈圆筒状，其中，一个弧形壁为电源正极，另一个弧形壁为电源负极，两极间绝缘，所述能量回收变流器的输入端与两弧弧形壁电连接，输出端与所述脉冲产生装置电连接，用于能量回收；

所述离心分离盘及离子吸引电极均位于所述离子收集器内，所述离心分离盘利用离心力将其上的正、负离子甩离至所述离子收集器的内壁上，从而使得所述离子收集器的正极吸附负离子，负极吸附正离子，正、负离子与所述离子收集器的内壁接触之后会产生电荷的中和电荷的交换，其电能量由能量回收变流器反馈至脉冲产生装置。

进一步的，所述离心分离盘采用憎水绝缘材料制作而成。

进一步的，所述脉冲产生装置还用于在产生交流信号至所述脉冲变压器之后，并且在当所述脉冲变压器副边绕组两端的正、负盐离子达到最大浓度时，施加至离子吸引电极的加速脉冲也达到最大值。

为解决上述技术问题，本发明所采用的一个技术方案是：提供一种利用所述的海水盐离子分离器进行海水淡化的方法，包括以下步骤：

S1、将水管的海水进水口与海水接通，以使海水能够流入并充满水管；

S2、脉冲产生装置产生交流信号至脉冲变压器；

S3、脉冲变压器副边绕组产生电场，使得流经进水管中海水的盐离子经抽头流向脉冲变压器副边绕两端；

S4、当脉冲变压器副边绕组两端的离子达到最大浓度时，脉冲产生装置产生高速脉冲信号至离子分离装置；

S5、离子分离装置根据高速脉冲信号进行工作，从而吸引脉冲变压器副边绕组两端的正、负离子，以使得所述正、负离子脱离所述脉冲变压器副边绕组的两端，并返回S2步骤直至结束。

进一步的，所述离子分离装置包括离心分离器、与所述脉冲产生装置电连接且与所述脉冲变压器副边绕组的两端对准的离子吸引电极，所述离心分离器包括位于所述离子吸引电极与脉冲变压器副边绕组之间的离心分离盘；

在所述S5步骤中，所述离子吸引电极根据高速脉冲信号进行工作，吸引脉冲变压器副边绕组两端的正、负离子，以使得所述正、负离子脱离脉冲变压器副边绕组向离子吸引电极方向运动；位于脉冲变压器副边绕组与离子吸引电极之间的离心分离盘旋转，拦截所述正、负离子，从而防止正、负离子继续向离子吸引电极方向运动、拉弧。

本发明的基于脉冲变压器原理的海水盐离子分离器及海水淡化方法，与现有技术相比，具有如下优点：

（1）、本发明的海水离子分离器，由于采用了脉冲变压器的工作原理，来对海水中数量占少数的离子进行直接分离操作，而不对占比重极大的水分子进行操作，效率高。

（2）、本发明利用具有憎水绝缘板隔离含高浓度正负离子流，并使用离心分离器进行最终分离，充分利用了憎水绝缘表面的憎水与绝缘性能，使得其表面带电液滴的不连续，实现了正负离子海水的实际分离，阻断了正负离子之间复合、拉弧放电的产生，更安全。

（3）、在离心分离器外沿设置离子收集器，便可以利用磁流体相似技术进行能量回收；回收阴、阳离子流在离开分离器表面后的复合能量，进一步提高了能量效率。

此模型的特点是：原理科学，结构简单、可靠，易于实现并且本发明不仅能大幅度提高离子浓度利于海水淡化，而且还能实现能量的回收利用。对海水淡化的发展具有重大现实意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于脉冲变压器原理的海水盐离子分离器一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1是本发明基于脉冲变压器原理的海水盐离子分离器一实施例的结构示意图。本实施例的基于脉冲变压器原理的海水盐离子分离器包括水管10、电源转换装置12、与所述电源转换装置12电连接的脉冲产生装置14、与所述脉冲产生装置14电连接的脉冲变压器16以及与所述脉冲产生装置14电连接的离子分离装置18；所述水管10的一端为海水进水口，另一端为淡水出水口；所述脉冲变压器16的包括脉冲变压器铁芯161、脉冲变压器原边绕组162以及脉冲变压器副边绕组163，所述脉冲变压器副边绕组163为绝缘水管10绕组，在该绝缘细管绕组中间段抽头与所述水管10连通，所述绝缘水管10绕组内的水在其表面张力下不流出绝缘水管10绕组的两端；所述电源转换装置12用于将交流电信号转换为直流电以为脉冲产生装置14提供稳定的电源；所述脉冲产生装置14用于先后产生交流信号至脉冲变压器16和加速脉冲信号至离子分离装置18，所述交流信号用于激励所述脉冲变压器原边绕组162，使所述脉冲变压器副边绕组163内产生电场，从而使得该脉冲变压器副边绕组163的两端分别聚集进水管10中的海水的正、副离子；所述加速脉冲信号用于使离子分离装置18对正、负离子进行吸附，从而使所述正、副离子脱离所述脉冲变压器副边绕组163的两端。具体地：

所述电源转换装置12为一整流器，所述脉冲产生装置14为逆变器。所述整流器用于将交流电源转换为脉冲产生装置14所需要的直流电源，即整流器把市电转变为高质量直流，为下一步逆变器提供稳定直流。

本实施例中，所述脉冲变压器副边绕组163为内径为毫米级的绝缘水管10绕组，在所述绝缘细管绕组的1/2处抽头与所述水管10连通，如此可以使得水管10中的盐离子（正、负离子）更均衡的分布至脉冲变压器副边绕组163两端，进一步使得海水淡化效果更好。

所述脉冲变压器16为脉冲变压器16，逆变器把直流电逆变为一定波形的交流信号，用于激励脉冲变压器原边绕组162；脉冲变压器副边绕组163由绝缘细水管10绕制而成，并非金属绕组，绕组1/2处设置中间抽头，引入进出水管10，绕组首尾两端同长度并且对准离子分离装置18（本实施例中，所述脉冲变压器副边绕组163的首尾两端向下）。

所述脉冲产生装置14还用于在产生交流信号至所述脉冲变压器16之后，并且在当所述脉冲变压器副边绕组163两端的正、负盐离子达到最大浓度时，施加至离子分离器的加速脉冲亦达到最大值，离子分离器据此进行离子分离工作，即吸引脉冲变压器副边绕组163首尾两端的正、负离子，以使阴、阳离子分别由脉冲变压器16绕组首尾两端排出；从而完成本次离子分离工作。本方案中，通过试验可以得到脉冲变压器16被施加交流信号后，脉冲变压器16负边绕组两端的正、负离子达到最大浓度的时间，从而计算施加加速脉冲信号的时间，即计算逆变器先后产生交流信号和脉冲信号的时间间隔，以此来实现上述的当离子达到最大浓度时，施加加速脉冲信号至离子分离器的功能。所述逆变器以此循环，不断的先后施加交流信号、加速脉冲信号工作，从而进行海水盐离子分离，达到海水净化，净化后的

本实施例中，所述离子分离装置18具体包括：离心分离器、与所述逆变器电连接且与所述脉冲变压器副边绕组163的两端对准的离子吸引电极181，所述离心分离器包括位于所述离子吸引电极181与脉冲变压器副边绕组163之间的离心分离盘182，离心分离盘182的转动由电机驱动，所述离心分离盘182采用憎水绝缘材料制作而成。

所述离子吸引电极181正对所述脉冲变压器副边绕组163的两端，当正、负离子分别位于所述脉冲变压器副边绕组163的首、尾端时，所述离子吸引电极181的负极与所述脉冲变压器副边绕组163的首端对准，正极与所述脉冲变压器副边绕组163的尾端对准，当负、正离子分别位于所述脉冲变压器副边绕组163的首、尾端时，所述离子吸引电极181的正极与所述脉冲变压器副边绕组163的首端对准，负极与所述脉冲变压器副边绕组163的尾端对准；所述离子吸引电极181用于根据所述加速脉冲信号进行工作，以对所述脉冲变压器副边绕组163两端的正、负离子进行吸引，使所述正、负离子脱离所述脉冲变压器副边绕组163的两端并向离心分离盘182方向运动，所述离心分离盘182用于拦截绕组首尾两端排出的阴、阳离子流，同时该离心分离盘182旋转，利用离心力实现正、负离子流的脱离。

本实施例中，所述海水盐离子分离器还包括离子收集器11以及能量回收变流器13，所述离子收集器11包括两弧形壁围合呈圆筒状，其中，一个弧形壁为电源正极，另一个弧形壁为电源负极，所述能量回收变流器13的输入端与两弧弧形壁电连接，输出端与所述脉冲产生装置14电连接；所述离心分离盘182及离子吸引电极181均位于所述离子收集器11内，所述离心分离盘182利用离心离将其上的正、负离子甩离至所述离子收集器11的内壁上，从而使得所述离子收集器11的正极吸附负离子，负极吸附正离子，正、负离子与所述离子收集器11的内壁接触之后，进行电荷的转移和交换，把电荷携带的电能转移到离子收集器11上。

本发明的海水盐离子的工作原理如下：首先，使海水从水管10的进水口进入水管10；逆变器先产生交流或者高频率脉冲序列,用于激励脉冲变压器原边绕组162, 在脉冲前沿(上升沿)期间(即每个脉冲刚开始0时刻到最大峰值Im的时间段),脉冲变压器16副边水管绕组10内则产生强电场,在水管10绕组首/尾端,则产生高浓度离子(首/尾端两端一边正离子一变负离子)，当在脉冲后沿(从峰值Im到0),在脉冲变压器16副边水管绕组10内也产生强电场(与前沿极性相反), 则也能产生高浓度离子(与前沿时的极性相反)。若脉冲电流强、控制脉冲前沿和后沿非常陡,则分离效果更明显。

当脉冲变压器副边绕组163首尾两端的正、负离子达到最大浓度（可预设）前，施加脉冲高压电场使离子吸引电极181吸引所述脉冲变压器副边绕组163首尾两端的正、负离子，从而使脉冲变压器副边绕组163首尾两端的正、负离子达到最大浓度（可预设）时，施加脉冲高压电场也达最大，使离子脱离脉冲变压器副边绕组163首尾两端，向位于脉冲变压器副边绕组163首尾两端下方的离心分离盘182运动，所述离心分离盘182用于拦截绕组首尾两端排出的正、负离子流；并且该离心分离盘182旋转，利用离心力实现离子的脱离；当离子浓度下降后，脉冲吸引电场消失；由离心分离盘182甩出的离子流汇集到离子收集器11的内壁，然后由能量回收变流器13回收离子中和的能量，进行变流后反馈回逆变器或者整流器。若脉冲变压器原边绕组162脉冲激励强度高、变化快、吸引电极配合脉冲电压的电压幅度和时刻等配合良好、离心分离器转速合适，则能更好的进行盐水中盐离子的分离。

本发明采用的绝缘细水管10内的水带一定的水压，并使绕组首尾两端的水在只有其表面张力下不流出；而当其离子浓度达最大时刻，在离子吸引电极181的脉冲电场引力下，离子会被迫脱离绕组首尾两端，并呈不连续的滴状；以便绕组首尾两端不发生拉弧。

本发明中的脉冲变压器16副边水管10绕组出口内径很小（毫米级），带离子的水滴呈雾状喷射，可以保证了雾滴直径极小，而其比表面极大（面积/体积），使得喷射出来的雾滴的离子体积浓度可以极大，分离效率极高。

本发明的基于脉冲变压器16原理的海水盐离子分离器，与现有技术相比，具有如下优点：

（1）、本发明的海水离子分离器，由于采用了脉冲变压器的工作原理，只对海水中数量占少数的盐离子进行直接分离操作，而不对占比重极大的水分子进行操作，效率高。

（2）、本发明利用具有憎水绝缘板隔离含高浓度正负离子流，并使用离心分离器进行最终分离，充分利用了憎水绝缘表面的憎水与绝缘性能，使得其表面带电液滴不连续，实现了正负离子海水的实际分离，阻断了正负离子之间复合、拉弧放电的产生。

（3）、在离心分离盘外沿设置离子收集器11，便可以利用磁流体相似技术进行能量回收；回收阴、阳离子流在离开分离器表面后的复合能量，进一步提高了整体能量效率。

此模型的特点是：原理科学，结构简单、可靠，易于实现并且本发明不仅能大幅度提高离子浓度利于海水淡化，而且还能实现能量的回收利用。对海水淡化的发展具有重大现实意义。

本发明还公开了一种海水盐离子分离器进行海水淡化的方法，利用上述实施例所描述的海水盐离子分离器进行海水淡化，所述方法包括以下步骤：

S1、将水管10的海水进水口与海水接通，以使海水能够流入水管10内；

S2、脉冲产生装置14产生交流信号至脉冲变压器16；

S3、脉冲变压器16副边绕组产生电场，使得流经进水管10中海水的盐离子经抽头流向脉冲变压器16副边绕两端；

S4、当脉冲变压器16副边绕组两端的离子达到最大浓度时，脉冲产生装置14产生高速脉冲信号至离子分离装置；

S5、离子分离装置根据高速脉冲信号进行工作，从而吸引脉冲变压器16副边绕组两端的正、负离子，以使得所述正、负离子脱离所述脉冲变压器16副边绕组的两端。

所述离子分离装置包括离心分离器、与所述脉冲产生装置14电连接且与所述脉冲变压器16副边绕组的两端对准的离子吸引电极，所述离心分离器包括位于所述离子吸引电极与脉冲变压器16副边绕组之间的离心分离盘；

在所述S5步骤中，所述离子吸引电极根据高速脉冲信号进行工作，吸引脉冲变压器16副边绕组两端的正、负离子，以使得所述正、负离子脱离脉冲变压器16副边绕组向离子吸引电极方向运动；位于脉冲变压器16副边绕组与离子吸引电极之间的离心分离盘旋转，拦截所述正、负离子，从而防止正、负离子继续向离子吸引电极方向运动。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。