CN102863056B - 电喷雾水处理技术及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电喷雾水处理技术，该技术包括：利用静电喷雾将水溶液喷射成带电液滴；所述带电液滴在电场作用下达到瑞利(Rayleigh)极限；所述带电液滴发生变形并诱导出瑞利(Rayleigh)射流；施加外力，使瑞利射流同母液运动方向发生分离；将所述瑞利射流收集，得到纯化水。

Description

电喷雾水处理技术及系统

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及电喷雾水处理技术及系统。

背景技术

淡水资源是人类生存与发展的最重要基本物质基础之一。地球上总水量有约14亿km³，但海水或咸水约占97.5％，仅剩的2.5％的淡水分布也极不均匀，有3/4被冻结在地球的两极和高寒地带的冰川中，其余从分布上看，地下水比地表水多37倍左右。剩下的存在于河流、湖泊可供人类直接利用的淡水已不足全球淡水量的0.26％。

海水淡化逐渐成为解决淡水资源紧缺最重要手段之一。在淡水资源严重匮乏的中东地区，已把海水淡化作为主要的淡水来源。美国、日本、欧洲等发达国家，在二十世纪50年代就开始海水淡化技术研究和产业应用，并提升至战略高度，抢占产业和技术的制高点。经过半个多世纪的发展，海水淡化技术逐步成熟，海水淡化产业作为新兴朝阳产业正蓬勃发展。目前世界海水淡化装置容量增长迅速，正在以10～30％的容量增长，且增长幅度逐渐增大。

海水淡化技术主要分为热法和膜法两大类。从分离过程的角度来看，热法是利用热能使海水蒸发，再通过水蒸汽的冷凝得到淡水。热法主要包括多级闪蒸(Multi Stage Flash，MSF)、多效蒸发(Multi Effect Distillation，ME)、蒸汽压缩(Vapor Compression，VC)等。膜法则是利用分离膜对水和盐的选择透过性，将盐分截留或移走，得到淡水的方法。膜法主要包括反渗透(Reverse Osmosis，RO)和电渗析(Electro Dialysis，ED)等。但这些方法都属于资本密集型和能源密集型过程：热法技术的能耗巨大，一般须与火力发电厂结合进行水电联产，操作温度较高，热能效率和安全等方面因素都需顾及，而膜法技术，其预处理要求较高、初期投资较大且需要高压设备，膜需要定期清洗，综合成本较之热蒸馏技术更为昂贵。

另外海水中还有可能包含各种有机化合物，其中的一些有机化合物可能难以通过常规技术比如萃取或碳床处理移除。

电喷雾技术(见图1)是应用高压静电在喷头与喷雾目标间建立一静电场，待喷雾液体流经喷头发生电离，该方法所得的气溶胶小液滴表面携带过量的电荷，随着溶剂的挥发和小液滴的缩小，表面电荷与表面积的比值就会变大，直到电荷排斥力足以克服表面张力，此时小液滴内部电荷达到了瑞利稳定限的最大值，也就是达到了瑞利(Rayleigh)极限，在小液滴表面发生溅射(所诱导出的小液滴束称为瑞利射流)，此时电荷排斥力等于表面张力，带电小液滴通过喷射出瑞利射流来降低库仑力，随着溶液的不断挥发，小液滴又会重新达到瑞利稳定限，然后又会进一步进行瑞利射流。对于水而言，每一次瑞利射流所喷射出液滴束的量大约为母液的20％。最新的分子动力学研究证明，若由电喷雾方法所得的带电液滴中含有离子，则其所处的位置位于母液滴的内部。

该分裂过程服从瑞利(Rayleigh)稳定限，可用公式表述如下：

$q_{R_y}=8\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\γ}{R}^3\right)}^{\frac{1}{2}}$

式中，q为小液滴的电荷量；R为液滴半径；ε₀为真空介电常数；γ为表面张力。而我们的研究结果表明，水的瑞利射流是不含溶质的，因此可以用来进行水的纯化处理。

静电喷雾虽然需要高压发生装置，但因为产生的是静电，故其回路中的电流只有0.01～0.02mA，实际消耗功率非常有限。

目前，静电喷雾法已广泛的应用到了许多领域：电喷雾质谱、纳米材料、空气净化、静电纺丝以及静电喷涂。但该技术从未应用于水的纯化处理领域。

发明内容

利用电喷雾方法对水溶液进行纯化和处理，尤其是，涉及从海水中有效去除一种或多种目标物质的技术是本发明的主要目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

电喷雾水处理技术，包括：

利用静电喷雾将水溶液喷射成带电液滴；

所述带电液滴在电场作用下达到瑞利(Rayleigh)极限；

所述带电液滴发生变形并诱导出瑞利(Rayleigh)射流；

施加外力，使瑞利射流同母液运动方向发生分离；

将所述瑞利射流收集，得到纯化水。

所述水溶液可以含有一种或多种无机盐，也可以含有一种或多种有机化合物，也可以既含有无机盐又含有有机化合物。

所述的诱导可以采用电场、负压等方式。

所述电场为静电场。

所述的外力指电场、磁场、气流或重力场。

本发明还提供一种电喷雾水处理系统，包括：

进料系统，所述进料系统用于向电喷雾源内提供水溶液；

电喷雾源，包括带有高压静电的电喷雾细管；电喷雾细管与收集区前端之间有高电位差；经喷雾细管喷出的水流在高电位差间产生瑞利射流；

分离系统，包括有施加给电喷雾细管和收集区之间运动的带电水流力的作用的系统；

收集系统，收集经分离系统分离的瑞利射流和母液。

所述的进料系统为用泵将经过前期处理的水溶液提供给电喷雾源的喷雾细管。

所述的电喷雾源包括有喷头和喷雾目标；所述的喷头包括有带高压静电的电喷雾细管；所述的电喷雾细管提供给经过水流电荷；所述的喷雾目标位于收集区的前端；所述的喷头与喷雾目标间形成一静电场；所述的水流由进料系统经电喷雾细管带电后喷出，水流中带电液滴发生形变，诱导出瑞利射流部分和母液水流部分；所述瑞利射流部分液体颗粒的质量小于母液水流部分颗粒的质量。

所述的分离系统包括有能施加给电喷雾细管和喷雾目标之间运动的带电水流力的作用的装置。

所述的分离系统由能够提供电场、磁场、气流或重力场的装置组成。

所述的收集系统包括有用于收集瑞利射流的集水池和用于收集母液水流的集水池；所述收集母液的集水池将收集的母液通过泵返回到进料系统，循环利用；所述的瑞利射流集水池收集的水为处理后水。

本发明的优点和积极效果

将电喷雾应用于水处理，整个技术工艺过程具有低能耗、无污染、工艺简单、操作简便等诸多优点，与传统的热蒸馏技术和反渗透技术相比，整个处理过程无相态变化、无需高压设备及反渗透膜、常温操作，大幅度的降低了能耗与成本，另外该技术可以同时除去水中的有机和无机化合物。

附图说明

图1，电喷雾水处理装置示意图；

图2，电喷雾水处理技术组成方块图；

图3，电喷雾水处理技术实施例1示意图；

图4，电喷雾水处理技术实施例2示意图；

图5，二甲基亚砜(DMSO)水溶液电喷雾分离前后H¹-NMR谱图；

图6，罗丹明溶液电喷雾分离前后自然光、荧光照片。

图7，为带电液滴在电场作用下的形变示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式，所述实施方式在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

另外，需要说明的是，在本发明的描述中所使用的术语以及关于位置关系的名词仅仅是为了方便本发明的描述，而不能解释为对本发明的限制。

本发明是通过以下技术方案实现的：

电喷雾水处理技术，该技术包括：

利用静电喷雾将水溶液喷射成带电液滴；

所述带电液滴在电场作用下达到瑞利(Rayleigh)极限；

所述带电液滴发生变形并诱导出瑞利(Rayleigh)射流；

施加外力，使瑞利射流同母液运动方向发生分离；

将所述瑞利射流收集，得到纯化水；母液收集后进入再循环。

所述电场为静电场。

所述的诱导可以采用电场、负压等方式。

所述的外力指电场、磁场或气流以及重力场。在本实施例中，选用的外力是电场；而在本发明的其它实施例中，选用磁场、气流或重力场均能实现本发明的目的。

电喷雾技术是应用高压静电在喷头与喷雾目标间建立一静电场，待喷雾液体流经喷头发生电离，该方法所得的气溶胶小液滴表面携带过量的电荷，随着溶剂的挥发和小液滴的缩小，表面电荷与表面积的比值就会变大，直到电荷排斥力足以克服表面张力，此时小液滴内部电荷达到了瑞利稳定限的最大值，也就是达到了瑞利(Rayleigh)极限，在小液滴表面发生溅射，所诱导出的小液滴束称为瑞利射流。在本实施例中，采用一个喷头进行说明，在实际生产中或其它实施例中，喷头的数量会多于1个，数量的多少视需要而确定。

参照图7用以说明带电液滴瑞利射流过程：带电液滴a在不平衡力的作用下由最初的球形逐渐变为中部圆两端尖的梭形带电液滴b；梭形液滴b的尖端是电荷集中部位，在电荷静电排斥力的作用下，液滴的尖端部被拉伸，逐渐诱导出流体c；带电液滴发生的上述变形及诱导流体的过程非常迅速，在带电液滴凝固之前即可完成；诱导出的流体c截面半径较小，表面积较大，带电量和质量与母液有较大区别；喷射出的流体带走大量电荷，当液滴内电荷不足以维持尖端流体的拉伸时，液滴在表面张力的作用下又逐渐变为球形液滴d。

实现电喷雾水处理技术的系统包括：

进料系统，所述进料系统用于向电喷雾源内提供水溶液。

电喷雾源，包括带有高压静电的电喷雾细管；电喷雾细管与收集区前端之间有高电位差；经喷雾细管喷出的水流在高电位差间产生瑞利射流；

分离系统，包括有能施加给电喷雾细管和喷雾目标之间运动的带电水流力的作用的装置；

收集系统，收集经分离系统分离的瑞利射流和母液。

所述的进料系统为用泵将经过前期处理的水溶液提供给电喷雾源的喷雾细管。

在本发明的实施例中，所述水溶液可以含有一种或多种无机盐，也可以含有一种或多种有机化合物，也可以既含有无机盐又含有有机化合物。在实际生产中，不论是海水、江河水或地下水，经过前期的沉降、除砂等步骤后即可以进入进料系统。

所述的电喷雾源包括有喷头和喷雾目标；所述的喷头包括有带高压静电的电喷雾细管；所述的电喷雾细管提供给经过水流电荷；在本实施例中，选用的电喷雾细管处提供3.2kV电压，在本发明的其它实施例中，所选用的电压为从2.0kV至5.0kV的不同范围，均能得出相同的实验结果。

所述的喷雾目标位于收集系统的前端；所述喷雾目标处电压为1.0kV，而在本发明的其它实施例中，喷雾目标处所带电荷也随喷雾细管处的电荷进行相应调整，对两处的电位差由2.0kV到5.0kV进行了多段位实验，如在2.5kV、3.0kV、3.5kV、4.0kV、4.5kV等情况下均能实现本发明目的。所述的喷头与喷雾目标间形成一静电场；所述水流由进料系统经电喷雾细管带正电后喷出，水流中带电液滴发生形变，诱导出瑞利射流；所述瑞利射流部分液体颗粒的质量小于母液水流部分颗粒的质量。

所述的分离系统包括有能施加给电喷雾细管和喷雾目标之间运动的带电水流力的作用的装置。

所述的分离系统由能够提供电场、磁场、气流或重力场的装置组成。在本实施例中选用的是电场，在其它实施例中选用了磁场、气流、重力场，也能实现本发明的目的。

所述的收集系统包括有用于收集瑞利射流的集水池和用于收集母液水流的集水池；所述收集母液的集水池将收集的母液通过泵返回到进料系统，循环利用；所述的瑞利射流集水池收集的水为处理后水。

以下是进行其它实施例以对本申请的适用性验证实例，这些验证只是要证实本申请的适用性，而不是限制本申请的保护范围。

实施例1

如图3所示，在一20cm×10cm×20cm封闭容器中，底部中央有一金属电极，电喷雾毛细管位于容器一侧的顶部且与水平面呈30°-45°，容器底部有两个接收容器，分别接收母液与瑞利射流。向储液箱中加入一定量10v/v％二甲基亚砜(DMSO)溶液，开启高压电源，设置电压为3.2kV，设置储液腔内去注射速度为0.0942mL/min，底部金属电极电压为1.0kV，该金属电极在本实施例中既起到分离瑞利射流和母液的作用同时也是实行诱导的方式；30min后收集接收器腔体内的溶液，参见图5所示为本实施例分离前后水溶液H¹-NMR谱图，由图5可知按照本实施例的方法可有效分离有机物与水。

实施例2

利用实施例1相同的装置，向储液箱中加入2.7×10^-4mol/L罗丹明溶液，开启高压电源，设置电压为3.2kV，设置储液腔内去注射速度为0.0942mL/min，底部金属电极电压为1.0kV，该金属电极在本实施例中既起到分离瑞利射流和母液的作用同时也是实行诱导的方式；30min后收集接收器腔体内的溶液，参见图6所示为本实施例分离前后自然光、荧光照片，三个水滴从左到右依次为去离子水、纯化处理后收集的水和处理前的罗丹明溶液。A为自然光照片，可以看到，左侧水滴的曝光度最小，是因为理论上去离子水近似于纯净水，因此在照片上显示的颜色最浅；中间水滴的曝光度略高于左侧的水滴，但较右侧的水滴的颜色浅的很多，这也就说明经纯化处理后收集的水组成接近去离子水；最右侧的水滴曝光度最高，可知按照本实施例的方法可有效分离有机物与水；B为荧光照片，可以看到在此照片中，仅有最右侧水滴有荧光反射，而去离子水和纯化后处理的水荧光反射很弱也很相近，这也说明纯化后处理的水的特征近似于去离子水，同样可知按照本实施例的方法可有效分离有机物与水。

实施例3

如图4所示，Φ20cm×20cm的圆柱形封闭容器，桶底部为储液腔并安装有若干电喷雾毛细管，桶顶部接地，距桶顶部3cm处外接一抽气口，连接一抽气泵与水冷凝富集器。分别加入一定浓度NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂溶液，开启高压电源，设置电压为3.2kV，开启抽气泵，保持桶内压强为0.1MPa，在此实施例中是采用压力来实现诱导的，目的是加速母液的挥发，达到诱导Rayleigh射流的作用；冷凝装置温度为0℃，30min后收集接收器腔体内的溶液，利用原子发射光谱测量纯化前后的溶液离子浓度(见表1)，由图可知按照本实施例的方法可有效分离无机盐与水。

表1.电喷雾水处理前后浓度变化

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换或变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.电喷雾水处理方法，其特征在于，包括：

利用静电喷雾将水溶液喷射成带电液滴；

所述带电液滴在电场作用下达到瑞利Rayleigh极限；

所述带电液滴发生变形并诱导出瑞利Rayleigh射流；

施加外力，使瑞利射流同母液运动方向发生分离；

将所述瑞利射流收集，得到纯化水。

2.根据权利要求1所述的电喷雾水处理方法，其特征在于，所述水溶液含有一种或多种无机盐，或者含有一种或多种有机化合物，或者既含有无机盐又含有有机化合物。

3.根据权利要求1所述的电喷雾水处理方法，其特征在于，所述电场为静电场。

4.根据权利要求1所述的电喷雾水处理方法，其特征在于，所述的外力指电场、磁场、气流或重力场。

5.一种电喷雾水处理系统，其特征在于，包括：

进料系统；所述进料系统用于向电喷雾源内提供水溶液；

电喷雾源；包括带有高压静电的电喷雾细管；电喷雾细管与收集区前端之间有高电位差；经喷雾细管喷出的水流在高电位差间产生瑞利射流；

分离系统，包括有能施加给电喷雾细管和喷雾目标之间运动的带电水流力的作用的系统；

收集系统，收集经分离系统分离的瑞利射流和母液。

6.根据权利要求5所述的电喷雾水处理系统，其特征在于，所述的电喷雾源包括有喷头和喷雾目标；所述的喷头包括有带高压静电的电喷雾细管；所述的电喷雾细管提供给经过加压水流电荷；所述的喷雾目标位于收集区的前端；所述的喷头与喷雾目标间形成一静电场；所述水流由进料系统经电喷雾细管带电后喷出，水流中带电液滴发生形变，诱导出瑞利射流。

7.根据权利要求5所述的电喷雾水处理系统，其特征在于，所述的分离系统包括有能施加给电喷雾细管和喷雾目标之间运动的带电水流力的作用的装置。

8.根据权利要求5所述的电喷雾水处理系统，其特征在于，所述的分离系统由能够提供电场、磁场、气流或重力场的装置组成。

9.根据权利要求5所述的电喷雾水处理系统，其特征在于，所述的收集系统包括有用于收集瑞利射流的集水池和用于收集母液水流的集水池；所述收集母液的集水池将收集的母液通过泵返回到进料系统，循环利用；所述的瑞利射流集水池收集的水为处理后水。