基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置及清洁方法与流程

本发明涉及用于脱盐和废水处理工艺反渗透分离工艺技术领域，特别是一种基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置及方法。

背景技术：

随着社会工业、经济和人口的快速发展，近年来由于各种危险污染物在河水、湖水和地下水等的排放和污染，导致水资源严重短缺。面对这一挑战，发展高效的海水淡化对淡水资源的可持续发展至关重要。目前，海水淡化技术主要有蒸馏法、电渗析法、反渗透法和热膜联产等。膜基海水淡化技术以其高效、低能耗的优点成为解决全球水资源问题的重要手段。此外，随着纳米技术的进步，纳米膜技术被广泛应用于海水淡化、污水处理和燃料电池等领域。然而，由于有机、无机物和胶体成分在工作过程中的积累，具有极细孔的纳米多孔膜往往因孔堵塞而被污染，在这种情况下，膜的透水性及其相应的海水淡化、污水处理效率将严重恶化。因此开发有效的防污方法是膜基海水淡化技术的关键。

交流电动力学包括介电泳，交流电渗透和交流电热学，是在精确控制的交流电压下，在微观和纳米级控制流体流动，操纵粒子行为的技术。介电泳指的是极化粒子在非均匀电场作用下在水溶液中发生的定向迁移。基于电极的介电泳需要通过微/纳制造技术将不同类型的电极集成在一起，以产生不均匀电场。且为了有效控制纳米粒子的行为，补偿纳米粒子因微小尺寸导致的受力较小，基于电极的介电泳需要非常大的电场梯度。因此使用基于电极的介电泳操纵纳米粒子较为困难，成本很高。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置包括，

本体，其包括固定待清洁的纳米多孔膜的固定单元，所述纳米多孔膜可拆卸连接所述固定单元；

第一进口泵，其设在所述本体的第一侧以将第一液体泵入所述本体中；

第二进口泵，其设在所述本体的第一侧以将第二液体泵入所述本体中；

第一电极，其设在所述本体的上表面，

第二电极，其设在所述本体的下表面，所述第二电极和第一电极相对布置，

电源，其连接所述第一电极和第二电极使得本体在第一电极和第二电极之间的区域形成电场，基于所述纳米多孔膜的类型、孔的形状、和/或孔的尺寸，通过调节电源频率和/或功率调节极化颗粒介电特性以及所述电场的电场梯度。

被堵塞纳米多孔膜中的纳米颗粒在具有预定电场梯度的电场中极化，受介电泳力被排出孔，显著提高了清洁效果。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置中，所述固定单元以及连接其上的纳米多孔膜将本体区域分为上半部分和下半部分，所述第一进口泵位于上半部分以将第一液体泵入上半部分，所述第二进口泵位于下半部分以将第二液体泵入下半部分。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置中，所述本体设有用于检测液体浓度的监测装置，当浓度值稳定在预定范围时，电源停止供电以结束清洁。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置中，电加热带包括自限温式电热带，其在两条平行线路中填充ptc材料作为芯线，并在芯带外包裹一层绝缘材料作为保护层，当电源接通时，电流通过一条导线传输到另一条导线形成回路，芯线通电后发出热量。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置中，所述第二进口泵与第一进口泵在本体上呈对角线布置。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置中，所述电源为交流电源或直流电源。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置中，所述电源直流电压或交流电压有效值为10-20v，所述固定单元包括夹持件。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置中，所述电源具有1000-1000000hz交流电源频率。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置中，所述第一液体和/或第二液体包括纯水或含有软化剂的水。

根据本发明另一方面，一种所述基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的清洁方法包括以下步骤，

纳米多孔膜可拆卸连接固定单元；

第一进口泵将第一液体泵入所述本体中，第二进口泵将第二液体泵入所述本体中；

开启电源，本体在第一电极和第二电极之间的区域形成电场以排出纳米多孔膜中的纳米颗粒，其中，基于所述纳米多孔膜的类型、孔的形状、和/或孔的尺寸，通过调节电源频率和/或功率调节极化颗粒介电特性以及所述电场的电场梯度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于纳米多孔膜的绝缘特性，强化直/交流电场在孔内的强度梯度，极化孔内纳米尺寸的污染物，快速、高效地清除膜内孔堵塞现象，对杂质污染物选择性较低，对大多种类的杂质颗粒均可适用。清洗过程轻柔高效，无机械损耗、化学腐蚀，有利于延长膜的使用寿命。本发明结构简单，除可将膜拆下放入清洗装置中清洗外，还可在不改变膜装置内部结构的情况下，将电极外挂于膜装置上进行清洗，易于组装，成本较低，无额外污染，清洁环保。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的基于绝缘介电泳的膜清洁装置的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，一种基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置包括，

本体8，其包括固定待清洁的纳米多孔膜3的固定单元，所述纳米多孔膜3可拆卸连接所述固定单元；

第一进口泵1，其设在所述本体8的第一侧以将第一液体泵入所述本体8中；

第二进口泵2，其设在所述本体8的第一侧以将第二液体泵入所述本体8中；

第一电极5，其设在所述本体8的上表面，

第二电极6，其设在所述本体8的下表面，所述第二电极6和第一电极5相对布置，

电源7，其连接所述第一电极5和第二电极6使得本体8在第一电极5和第二电极6之间的区域形成电场，基于所述纳米多孔膜的类型、孔的形状、和/或孔的尺寸，通过调节电源频率和/或功率调节极化颗粒介电特性以及所述电场的电场梯度。

本发明中，纳米多孔膜3中的纳米颗粒在电场作用下从纳米多孔膜3中排出，实现了清洁作用，本发明的基于绝缘体的介电泳能够利用纳米尺寸的绝缘障碍物或纳米孔膜产生较大的电场梯度，能够有效的操纵纳米颗粒的定向迁移。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的优选实施例中，所述固定单元以及连接其上的纳米多孔膜3将本体8区域分为上半部分和下半部分，所述第一进口泵1位于上半部分以将第一液体泵入上半部分，所述第二进口泵2位于下半部分以将第二液体泵入下半部分。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的优选实施例中，所述本体8设有用于检测液体浓度的监测装置，当浓度值稳定在预定范围时，电源7停止供电以结束清洁。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的优选实施例中，电加热带包括自限温式电热带，其在两条平行线路中填充ptc材料作为芯线，并在芯带外包裹一层绝缘材料作为保护层，当电源7接通时，电流通过一条导线传输到另一条导线形成回路，芯线通电后发出热量。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的优选实施例中，所述第二进口泵2与第一进口泵1在本体8上呈对角线布置。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的优选实施例中，所述电源7为交流电源7或直流电源7。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的优选实施例中，所述电源7直流电压或交流电压有效值为10-20v，所述固定单元包括夹持件。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的优选实施例中，所述电源7具有1000-1000000hz交流电源7频率。

就该实施例而言，经典电泳力fdep公式如下：

εf：溶液介电常数，rp是纳米颗粒半径，是clausius-mossotti因子的实部部分，为nabla向量微分算子，|e|²为场强e的模的平方，其中，表达式为：其中，为颗粒复介电常数，为溶液复介电常数。

交流电场作用下，溶液和颗粒的介电常数计算公式如下：

其中j为虚部，ω为外加电场信号的角频率，为颗粒复介电常数，为溶液复介电常数，σp为颗粒电导率，σf为溶液电导率。

故通过调节频率，以适应不同的颗粒材料，扩大可清洁颗粒材料的范围。

所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的优选实施例中，所述第一液体和/或第二液体包括纯水或含有软化剂的水。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，一种基于绝缘介电泳的纳米多孔膜3清洁装置包括：被污染的多孔纳米膜，布置在膜两侧的第一电极5和第二电极6，以及连接第一电极5和第二电极6的交/直流电源7，布置在膜两侧，用以驱动膜与两侧电极间流体流动带走被析出杂质的驱动泵。

在一个实施例中，所述电源7直流电压或交流电压有效值为10-20v，电源7类型由膜中杂质的主要种类及其介电常数决定。面对杂质种类单一，且杂质和溶液物性随温度变化不敏感的情况，可使用直流电源7进行清洁。而面对杂质种类复杂，杂质和溶液物性随温度变化敏感的情况，为了在利用交流电热效应软化纳米多孔膜3内杂质的同时，避免局部高温破坏膜孔结构，可采用1000-1000000hz交流电源7频率。

在一个实施例中，纳米多孔膜3为绝缘膜，其孔径和孔形状直接影响清洁效果。孔径越小，孔径随深度方向变化越大，孔内堵塞的杂质受力越大，清洁效果越好。

在一个实施例中，第一、第二电极6及其连接的电源7可置于被污染膜的工作装置外侧对被污染膜进行清洁，亦可将被污染膜拆卸并固定在纳米多孔清洁装置中进行清洁。

在一个实施例中，一种基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置包括：被污染的纳米多孔膜3，布置在膜两侧的第一电极5和第二电极6，以及连接第一电极和第二电极的交/直流电源7，布置在膜两侧，用以驱动膜与两侧电极间流体流动带走被析出杂质的第一进口泵1和第二进口泵2。

在一个实施例中，所述电源7直流电压或交流电压有效值为10-20v，电源类型由膜中杂质的主要种类及其介电常数决定。面对杂质种类单一，且杂质和溶液物性随温度变化不敏感的情况，可使用直流电源进行清洁。而面对杂质种类复杂，杂质和溶液物性随温度变化敏感的情况，为了在利用交流电热效应软化纳米多孔膜内杂质的同时，避免局部高温破坏膜孔结构，可采用1000-1000000hz交流电源频率，纳米多孔膜3为绝缘膜，其纳米孔4孔径和孔形状直接影响清洁效果。孔径越小，孔径随深度方向变化越大，孔内堵塞的杂质受力越大，清洁效果越好。第一电极5和第二电极6及其连接的电源7可置于被污染膜的工作装置外侧对被污染膜3进行清洁，亦可将被污染膜3拆卸并固定在纳米多孔清洁装置中进行清洁。

一种所述基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置的清洁方法包括以下步骤，

纳米多孔膜3可拆卸连接固定单元；

第一进口泵1将第一液体泵入所述本体8中，第二进口泵2将第二液体泵入所述本体8中；

开启电源7，本体8在第一电极5和第二电极6之间的区域形成电场以排出纳米多孔膜3中的纳米颗粒，其中，基于所述纳米多孔膜的类型、孔的形状、和/或孔的尺寸，通过调节电源频率和/或功率调节所述电场的电场梯度。

在一个优选的具体实施方式中，清洁方法包括，

将被污染膜所处装置中的污水排尽，或将被污染膜于工作装置中拆卸并固定在纳米多孔清洁装置中，打开第一进口泵1和第二进口泵2，向装置中通入适当纯水或添加了软化剂的清洁水，让被污染膜在溶液中充分浸透、软化。

打开电源7开关，在被清洁膜的深度方向添加直流或交流电场，电场在被清洗膜的孔内形成较大的电场梯度，极化孔内堵塞的纳米颗粒，极化后的纳米颗粒在电场力的驱动下被排出。

打开第一进口泵1和第二进口泵2，向装置中持续通入纯水或添加了软化剂的清洁水，带走被排出的纳米颗粒。

监测装置排出液的杂质浓度，适当调整电源7电压或交流频率，当装置排出液杂质浓度不再变化时，关闭电源7，排空装置内溶液，清洗完毕。

本发明装置结构和清洗流程简单，清洗手段温和，对膜无机械损伤和化学污染，具有显著社会效益和循环经济效益，可广泛应用于污水处理、海水淡化等领域。

工业实用性

本发明所述的基于绝缘介电泳的纳米多孔膜清洁装置及方法可以在脱盐和废水处理工艺反渗透分离工艺领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。