CN102372351B - 一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搅拌絮凝器，特指一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器及其使用方法，所述絮凝器由阵列线圈产生磁场，线圈以硅钢片为芯体，且通直流电，发热量低，无需外加冷却工艺；采用单片机和三极管对磁场的方向加以控制，实现了完全无振动、无噪声搅拌；同时，由于矩形线圈产生的磁场，其磁力线非直线，这在一定程度上可以实现磁粉的上下翻滚运动；另外，整个装置的线圈采用完全外嵌式的安装方法，无需在容器内部安装磁力搅拌棒或旋转搅拌子，则便于容器的清洁工作，结构简单，安装拆卸方便，适合目前各种絮凝容器混合液的搅拌，有较大的应用前景。

Description

一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器及其使用方法

技术领域

本发明涉及搅拌絮凝器，特指一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器及其使用方法，它适合各种搅拌絮凝场合，尤其适合无法在内部放置旋转搅拌子的搅拌絮凝情况，有着发热低、无振动、无噪音及寿命长等诸多优点。

背景技术

作为近些年新研制的磁分离污水净化技术，可用于造纸、化工、医药工业废水以及城市生活污水的净化分离。其物理作用原理就是通过外加磁场产生磁力，把污水中的磁絮凝体吸出，使之与污水分离。随着磁分离设备的发展，特别是高梯度设备的开发和应用，以及由于磁分离法本身的独特分离原理和投资小、运行成本低、反应时间较短及占地面积小等诸多优点，使其成为最有发展前途的新型污水处理技术之一。该项工艺在城镇供水和废水处理的研究以及应用，在国内外都有较大的发展。

在磁分离工艺过程中，污水中的金属离子、金属杂质以及磁性杂质，也通过强磁场直接进行分离。但是污水中除了少量的金属离子、金属杂质和磁性杂质，绝大部分为无磁性的有机物，且有毒、有害物质大多为酸、碱离子、有机物等，污染物本身并没有磁性，因此采用磁分离无法将这些有害物质有效分离。因此，必须首先在污水中加入改性的磁种子颗粒材料，使本身无磁性的有害物质通过氢键、范德瓦尔斯力与经表面官能团修饰的磁种絮接，形成絮凝体，再通过强磁场将其从水中吸出，从而实现超导磁分离净化污水，达到净化的目的。

通常，实现搅拌的一种方式是利用机械式搅拌器搅拌，即将电机装于容器底部，在容器中心处打孔，搅拌器的中心轴伸出此孔并由下面的电机带动从而进行搅拌。这种搅拌在很大程度上会出现漏水现象，同时与电机直接的旋转搅拌子及容器不便于清洁。

实现搅拌的另一种磁力搅拌器，例如专利CN200920008095.6公开了一种磁力搅拌器，它是将磁力搅拌棒或磁力搅拌旋转子定位在容器内，并且磁耦合到容器下方的基础磁体上。使用电机带动基础磁体旋转，则带动了磁力搅拌棒或磁力旋转搅拌子在容器内旋转搅拌。但在实际应用中，搅拌效果并不理想，尤其是当碰到粘度较大、量较多的混合液时，需要更强的基础磁体，而传统的基础磁体通常不能够满足这些状况，因此在许多情况下，基础磁体于搅拌棒或者旋转搅拌子之间会发生耦合失效。另一种不足是由于旋转搅拌子结构的原因，它在混合液中旋转时，液体只是跟着搅拌子在容器底部做圆周运动，并不能实现上下翻滚，因此搅拌效果有限。

实现搅拌的第三种方式是直接将铜线绕于容器周围的线圈电磁搅拌，这种搅拌实现了混合液中磁粉上下翻滚的运动，但由于线圈通交流电，又无芯体，导致发热量大，又必须外加冷却工艺。

本发明设计了一种新型磁场强化絮凝器，由阵列线圈产生磁场，线圈以硅钢片为芯体，且通直流电，发热量低，无需外加冷却工艺；采用单片机和三极管对磁场的方向加以控制，实现了完全无振动、无噪声搅拌；同时，由于矩形线圈产生的磁场，其磁力线非直线，这在一定程度上可以实现磁粉的上下翻滚运动；另外，整个装置的线圈采用完全外嵌式的安装方法，无需在容器内部安装磁力搅拌棒或旋转搅拌子，则便于容器的清洁工作，结构简单，安装拆卸方便，适合目前各种絮凝容器混合液的搅拌，有较大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型外嵌式磁场强化搅拌絮凝器，实现无泄漏、低发热、无振动、无噪声的不同于传统旋转搅拌的直线轨迹搅拌，同时在一定程度上解决了传统搅拌无法实现磁粉在混合液中翻滚的问题。

本发明的磁场强化搅拌絮凝器如图1所示，由执行部分的绕组和控制部分的单片机及三极管组成，其特征在于：对若干奇数组绕组在不同时刻通直流电，产生方向不断变化的磁场吸引絮凝容器中的磁粉颗粒按照一定轨迹运动，从而实现与污水中的油滴、颗粒物及胶体等污染物碰撞结合形成絮体；轨迹越复杂，则磁粉在絮凝容器中与污水中的油滴、颗粒物及胶体等污染物碰撞结合形成絮体的几率就越高，絮凝效果越显著。

本发明选用奇数组以硅钢片为芯体的绕组列于絮凝容器周围，为最大限度地利用绕组产生的磁场，绕组应紧贴絮凝容器外壁；利用三极管导通和截止的原理，将单片机信号输出接三极管基极B，单片机按照预先植入的程序发出信号，则控制了三极管以一定次序导通和截止，从而实现按照一定规律对绕组循环轮流通电，所以绕组可产生方向不断变化的磁场；这种搅拌方式不同于传统的旋转搅拌方式，其方向不断变化的磁场带动磁粉在絮凝容器中的按照一定轨迹运动，从而实现磁粉与污水中的油滴、颗粒物及胶体等污染物碰撞结合形成絮体，且采用的绕组组数越多，则磁粉在絮凝容器中运动轨迹越复杂。

本发明的显著优点和效果在于：采用绕组产生磁场，绕组以硅钢片为芯体，且通直流电，发热量低，无需外加冷却工艺；采用单片机和三极管对磁场的方向加以控制，实现了完全无振动、无噪声搅拌；同时，由于绕组产生的磁场，其磁力线非直线，这在一定程度上可以实现磁粉的上下翻滚运动；另外，整个装置的绕组采用完全外嵌式的安装方法，无需在絮凝容器内部安装磁力搅拌棒或旋转搅拌子，则便于容器的清洁工作，结构简单，安装拆卸方便。

附图说明

图1为本发明的总成示意图；

图2为绕组1、2、3、4、5的放大图；

图3为本发明中三极管6、7、8、9、10的放大图；

图4为绕组1、2、3、4、5的芯体18剖视图；

图5为本发明采用5组绕组时，磁粉14的运动图；

图6为本发明采用5组绕组时，磁粉14中单颗磁粒运动轨迹示意图；

图7为本发明实现磁粉颗粒上下翻滚运动轨迹示意图；

图8为本发明采用7组绕组时，磁粉14中单颗磁粒运动轨迹示意图；

图1：1、2、3、4、5绕组，11可调整流电源，11’整流电源，12单片机，6、7、8、9、10三极管，6’、7’、8’、9’、10’单片机各输出端口，13絮凝容器，14磁粉；

图2：17线圈，18芯体；

图3：B基极，C集电极，E发射极；

图4：15硅钢片，16绝缘漆；

图7：19磁力线；

图9：13絮凝容器，14磁粉，20污水，25污水磁粉混合液，21沉淀物，22淤泥池，24磁分离装置，27磁粉回收池，26清洁水。

具体实施方式

绕组(1、2、3、4、5)一般采用80到150片的硅钢片(15)进行叠加作为芯体(18) ，为满足绕组(1、2、3、4、5)所产生的磁场能够穿过整个絮凝容器(13)，且便于安装，硅钢片的宽度a=                                               

，R为絮凝容器的半径，n为绕组的组数，宽度单位为毫米，取硅钢片的高度与絮凝容器(13)的高度相同；每个芯体(18)需在取一定数量硅钢片(15)进行叠加时，必须在每两片硅钢片(15)之间涂以绝缘漆(16)；线圈(17)绕于芯体(18)，形成绕组(1、2、3、4、5)，且保证线圈(17)横截面与芯体(18)最大横截面平行；单片机(12)所采用的型号一般为常用的AT89C52，给单片机(12)植入相应程序，以实现绕组(1、2、3、4、5)按照1→4→2→5→3→1的循环顺序分别通直流电；可调整流电源(11)的输出连接绕组(1、2、3、4、5)的一端，即向绕组(1、2、3、4、5)供电，电压大小应保证绕组(1、2、3、4、5)所产生的磁场能够穿过整个絮凝容器(13)；整流电源(11’)的输出接单片机(12)的输入端，即向单片机(12)供电；单片机(12)的各输出端分别接三极管(6、7、8、9、10)的基极B，即利用单片机(12)根据预先植入程序发出的信号，控制各个三极管(6、7、8、9、10)的导通和截止；三极管(6、7、8、9、10)的集电极C分别接绕组(1、2、3、4、5)的另一端，发射极E接地，则实现了由单片机(12)控制各个绕组(1、2、3、4、5)的导通和截止。

工作原理：预先为单片机(12)植入程序，通电后开始工作，当单片机(12)6’端口有输出信号时，三极管(6)饱和，其基极B导通，则绕组(1)通电，产生磁场，且通电持续时间由单片机(12)内置程序控制，为1.5秒，则絮凝容器中磁粉(14)受磁场吸引，集中到a号位置；下一时刻，单片机(12)6’端口中断输出信号，其基极B截止，则绕组(1) 断开，磁场消失，同时单片机(12)9’端口输出信号，三极管(9)饱和，其基极B导通，则绕组(4)通电，产生磁场，则磁粉(14)从a号位被吸引到b号位，在这移动过程中就实现了与污水中的油滴、颗粒物及胶体等污染物碰撞结；再下一时刻，单片机(12)9’端口中断输出信号，其基极B截止，则绕组(4)断开，磁场消失，同时单片机(12)7’端口输出信号，三极管(7)饱和，其基极B导通，则绕组(2)通电，产生磁场，则磁粉(14)从b号位被吸引到c号位，继续与污水中的油滴、颗粒物及胶体等污染物碰撞结；再下一时刻，单片机(12)7’端口中断输出信号，其基极B导通，则绕组(2)断开，磁场消失，同时单片机(12)10’端口输出信号，三极管(10)饱和，其基极B导通，则绕组(5)通电，产生磁场，则磁粉(14)由c号位被吸引到d号位，继续与污水中的油滴、颗粒物及胶体等污染物碰撞结；再下一时刻，单片机(12)10’端口中断输出信号，其基极B导通，则绕组(5)断开，磁场消失，同时单片机(12)8’端口输出信号，三极管(8)饱和，其基极B导通，则绕组(3)通电，产生磁场，则磁粉(14)由d号位被吸引到e号位，继续与污水中的油滴、颗粒物及胶体等污染物碰撞结；再下一时刻，单片机(12)8’端口中断输出信号，其基极B导通，则绕组(3)断开，磁场消失，同时单片机(12)6’端口再次输出信号，三极管(6)饱和，其基极B导通，则绕组(1)通电，产生磁场，则磁粉(14)由e号位被吸引到a号位，继续与污水中的油滴、颗粒物及胶体等污染物碰撞结；如此磁粉(14)则形成了循环运动。

图6为所有磁粉(14)中单颗粒子的运动示意图，由图中可知，磁粉颗粒在容器中做星形运动，路径为a→b→c→d→e→a，在这过程中实现了与污水中有机物、有毒有害物质等碰撞结合；图6采用5组绕组，而图8为采用7组绕组时单颗磁粉颗粒的运动图，其运动路径为a→b→c→d→e→f→g→a，两图对比可知，采用的绕组组数越多，磁粉(14)的运动路径越长，则与有机物、有毒有害物质等的碰撞几率越高；但绕组组数越多，采用的硅钢片(15)越多，成本也就越高；因此在实际应用中可依情况选择绕组数量，同时为实现循环，绕组组数必需为奇数。

图7为所有磁粉(14)中单颗粒子在絮凝容器中做上下翻滚运动的轨迹，由于各个绕组(1、2、3、4、5)所产生的磁力线为非直线，处于絮凝容器(13)中最上端的粒子按磁力线轨迹a’→b’→c’→d’运动，处于絮凝容器(13)最下端的粒子按磁力线轨迹e’→f’→g’→h’运动，运动过程中也实现了与污水中有机物、有毒有害物质等碰撞结合，由此实现了磁粉在絮凝容器中做上下翻滚运动。

图9为整个磁分离工艺流程，其过程是先往絮凝池(13)中输入污水(20)，再往其中加入磁粉(14)，形成污水磁粉混合液(25)，并对污水磁粉混合液(25)进行搅拌，即利用本发明的磁场强化搅拌，搅拌工艺完成后，磁粉(14)与污水中的油滴、颗粒物及胶体等污染物碰撞结合形成絮体，其中较大的颗粒会直接沉淀，其余废液通过磁分离装置(24)，磁场将未沉淀的絮体吸附，输出清洁水(26)，这一流程则达到了连续净化污水的目的。分离出来的淤泥进入淤泥池(22)，磁粉(14)可回收进入磁粉回收池(27)。

取校园景观水进行试验，在其他条件相同的情况下，采用两种不同的搅拌方式，即传统的内置旋转搅拌子、外置基础永磁体的搅拌方式和本发明的磁场强化搅拌方式，并对磁分离净化得到的清洁水进行化学测试，得出表1、表2的主要水质指标和处理结果。将两表进行比较，则可以发现，建立在本发明磁场强化搅拌方式下，经过磁分离得到的清洁水，其出水水质不仅达到国家三级排放标准(地表水环境质量标准GB3838-2002)，而且具有更好地净化效果。

表1 内置旋转搅拌子、外置基础永磁体的搅拌方式下的校园景观水水质指标和处理结果

表2 本发明的磁场强化搅拌方式下的校园景观水水质指标和处理结果

Claims (8)

1.一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器，其特征在于：所述絮凝器包括奇数组绕组，可调整流电源，整流电源，单片机，三极管、絮凝容器，可调整流电源分别连接奇数组绕组的一端，奇数组绕组的另一端分别接三极管的集电极C，三极管的基极B分别接单片机的输出端，三极管的发射极E接地，绕组紧贴絮凝容器外壁，均匀分布在絮凝容器的周围，整流电源与单片机相连，用于给单片机供电；可调整流电源为大小可调的直流电源，电压大小应保证绕组所产生的磁场能够穿过整个絮凝容器(13)，则电压U> 

，R为絮凝容器的半径，单位为毫米，同时电压U必须小于所选三极管的保护电压。

2.如权利要求1所述的一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器，其特征在于：所述绕组由线圈和芯体组成，所述芯体采用80~150片的硅钢片叠加而成，硅钢片的宽度a= 

，R为絮凝容器的半径，n为绕组的组数，宽度单位为毫米，硅钢片的高度与絮凝容器的高度相同；每两片硅钢片之间涂以绝缘漆；线圈绕于芯体上，线圈横截面与芯体最大横截面平行。

3.如权利要求1所述的一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器，其特征在于：所述电压范围为6V～80V。

4.如权利要求1所述的一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器，其特征在于：絮凝容器采用1Cr18Ni10Ti不锈钢。

5.如权利要求1所述的一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器，其特征在于：奇数组绕组由第一绕组(1)、第二绕组(2)、第三绕组(3)、第四绕组(4)和第五绕组(5)组成，可调整流电源(11)、整流电源(11’)、单片机(12)以及第一三极管(6)、第二三极管(7)、第三三极管(8)、第四三极管(9)和第五三极管(10)组成控制部分；可调整流电源(11)分别连接第一绕组(1)、第二绕组(2)、第三绕组(3)、第四绕组(4)和第五绕组(5)的线圈一端，即向第一绕组(1)、第二绕组(2)、第三绕组(3)、第四绕组(4)和第五绕组(5)供电；整流电源(11’)连接单片机(12)的电源输入端，即向单片机(12)供电；单片机(12)的第一输出端口（6’）、 第二输出端口（7’）、 第三输出端口（8’）、 第四输出端口（9’）和第五输出端口（10’）分别对应接第一三极管(6)、第二三极管(7)、第三三极管(8)、第四三极管(9)和第五三极管(10)的基极B，第一三极管(6)、第二三极管(7)、第三三极管(8)、第四三极管(9)和第五三极管(10)的集电极C分别对应接第一绕组(1)、第二绕组(2)、第三绕组(3)、第四绕组(4)和第五绕组(5)的线圈的另一端，第一三极管(6)、第二三极管(7)、第三三极管(8)、第四三极管(9)和第五三极管(10)的发射极E分别接地。

6.如权利要求1所述的一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器的使用方法，其特征在于：利用三极管导通和截止的原理，将单片机信号输出接三极管基极B，单片机按照预先植入的程序发出信号，控制三极管以一定次序导通和截止，从而实现按照一定规律对绕组循环轮流通电，绕组产生方向不断变化的磁场；其方向不断变化的磁场带动磁粉在絮凝容器中的按照一定轨迹的运动，从而实现磁粉与污水中的污染物碰撞结合形成絮体，且采用的绕组组数越多，则磁粉在絮凝容器中运动轨迹越复杂，则磁粉在絮凝容器中与污水中的污染物碰撞结合形成絮体的几率就越高，絮凝效果越显著。

7.如权利要求6所述的一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器的使用方法，其特征在于：预先为单片机(12)植入程序，使得第一绕组(1)、第二绕组(2)、第三绕组(3)、第四绕组(4)和第五绕组(5)按照第一绕组(1)→第四绕组(4)→第二绕组(2)→第五绕组(5)→第三绕组(3)→第一绕组(1)的循环顺序分别通直流电，通电后开始工作，当单片机(12) 的第一输出端口（6’）有输出信号时，第一三极管(6)饱和，其基极B导通，则第一绕组(1)通电，产生磁场，则絮凝容器中磁粉(14)受磁场吸引，集中到a号位置；下一时刻，单片机(12)的第一输出端口（6’）中断输出信号，其基极B截止，则第一绕组(1)断开，磁场消失，同时单片机(12)的第四输出端口（9’）端口输出信号，第四三极管(9)饱和，其基极B导通，则第四绕组(4)通电，产生磁场，则磁粉(14)从a号位被吸引到b号位，在这移动过程中就实现了与污水中的污染物碰撞结；再下一时刻，单片机(12) 的第四输出端口（9’）端口中断输出信号，其基极B截止，则第四绕组(4)断开，磁场消失，同时单片机(12) 的第二输出端口（7’）端口输出信号，第二三极管(7)饱和，其基极B导通，则第二绕组(2)通电，产生磁场，则磁粉(14)从b号位被吸引到c号位，继续与污水中的污染物碰撞结；再下一时刻，单片机(12)的输第二出端口（7’）端口中断输出信号，其基极B导通，则第二绕组(2)断开，磁场消失，同时单片机(12) 第五输出端口（10’）端口输出信号，第五三极管(10)饱和，其基极B导通，则第五绕组(5)通电，产生磁场，则磁粉(14)由c号位被吸引到d号位，继续与污水中的污染物碰撞结；再下一时刻，单片机(12)的第五输出端口（10’）端口中断输出信号，其基极B导通，则第五绕组(5)断开，磁场消失，同时单片机(12)的第三输出端口（8’）端口输出信号，第三三极管(8)饱和，其基极B导通，则第三绕组(3)通电，产生磁场，则磁粉(14)由d号位被吸引到e号位，继续与污水中的污染物碰撞结；再下一时刻，单片机(12)的第三输出端口（8’）端口中断输出信号，其基极B导通，则第三绕组(3)断开，磁场消失，同时单片机(12)的第一输出端口（6’）端口再次输出信号，第一三极管(6)饱和，其基极B导通，则第一绕组(1)通电，产生磁场，则磁粉(14)由e号位被吸引到a号位，继续与污水中污染物碰撞结；如此磁粉(14)则形成了a→b→c→d→e→a的循环运动。

8.如权利要求7所述的一种外嵌式磁场强化搅拌絮凝器的使用方法，其特征在于：所述第一绕组(1)、第四绕组(4)、第二绕组(2)、第五绕组(5)和第三绕组(3)的通电持续时间由单片机(12)内置程序控制，均为1.5秒。

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