CN102863113A - 一种磁场与离子交换膜组成的离子分离装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁场与离子交换膜组成的离子分离装置和方法，所述装置包括磁场，阴离子交换膜和阳离子交换膜、主流体流动隔板、正反向主流体通道和侧面浓溶液通道，可实现阴、阳离子连续分离。同时提供磁场与离子交换膜组成的离子分离方法，该离子分离方法的过程是在磁场存在下，将流动电解质溶液的阴离子通过含有阴离子交换膜和阳离子通过阳离子交换膜，而相邻通道的电解质溶液的阳离子通过含有阳离子交换膜和阴离子通过阴离子交换膜，最后，分别在两侧的高浓度溶液完成电性中和。本发明适用于海水淡化、含电解质溶液溶质和溶剂分离。可连续运行无须再生和脱附操作，具有原位使电解质溶液离子分离、工艺简单、离子分离效率高、可无级提高水溶液电解质淡水回收率。
Description
技术领域
本发明属于电解质溶液离子分离技术领域，特别涉及一种利用选择性透过荷电离子的阴、阳离子交换膜和运动导电流体导体在磁感应下的阴、阳离子反向迁移技术的电磁感应分离原理联合进行离子分离的装置和运行方法。
背景技术
对于水溶液电解质脱盐技术而言，现有主要有两种：一种是将溶剂水从溶液中提取出来，如反渗透技术和热法蒸馏技术。另一种是将溶质从溶液中分离出来，如电吸附，电渗析(ED)和连续电脱盐技术(EDI)。反渗透技术随着膜性能的提高和能量回收装置的应用，市场占有率又来越大；而热法海水淡化技术如多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MED)、压汽蒸馏(VC)已基于成熟。其他相关新技术也不断开发，如正渗透法(FO)，气体水合物法、膜蒸馏、加湿-脱湿法等可以作为电解质水溶液分离的参考技术，但存在能量消耗高，淡水回收率低，工艺相对复杂等技术问题。
由于目前水基溶液脱盐过程大都是将溶剂水从水基溶液中取出，剩下的高浓度溶液作为浓水排放；普遍存在低浓度电解质回收率小于75％，对于更高浓度电解质的离子分离技术，淡水回收率低于50％，如果想进一步将浓溶液离子浓度提高，亦即提高淡水回收率，必须克服渗透压升高、无机难溶沉淀物的结垢和沸点升高带来的一系列问题，渗透压升高直接导致反渗透系统操作压力提高，浓度升高导致结垢趋势严重；沸点升高直接导致多级闪蒸级间或多效蒸发效间温差增大，减少有效造水比和能量有效利用率；无机难溶沉淀物的结垢增大会降低淡水回收率和增加阻垢剂加入量，导致设备和运行成本提高，经济性和环保性变差。电吸附分离分离技术属于将阴、阳离子从水基溶液中富集在电极上使通过的水基溶液中的离子减少得以淡化，富集在电极上的离子通过脱附形成浓水排放。但目前电吸附脱盐主要关注电极板本身的物理特性，只有当电极板具有较高的比表面时，即在通电和电解液存在情况下，电极表现出较大的吸附电容，从而达到吸附大量离子目的。但是，这些工艺对电极性能要求极高，否则吸附能力低，直接限制其应用范围。
寻求可处理兼顾高、浓度电解质溶液的离子分离技术，并有较高低浓度溶液回收率，能连续运行并在经济、技术和环保方面均满意的水基溶液分离方法非常必要。
发明内容
为解决公知技术中存在的技术问题，本发明提供一种磁场与离子交换膜组成的离子分离装置和方法，根据磁场中运动的导体会产生电流的右手定则，流动的含有离子的电解质溶液可以看作无数平行导体连续做切割磁力线运动，因而产生电流，亦即阴、阳离子向相反方向运动，由于主流体流动有隔板隔离，主流体留过隔板后到达端面封头后做反向运动，磁力线方向一样，导体运动方向相反，这样隔板两端的感应电流方向相反，在分离装置内由于配合阴、阳离子运动的分别有阴离子交换膜和阳离子交换膜，一方面起选择通过离子的作用，另一方面起隔离两种流体的作用，结果为相邻隔板两种方向相反流体中的阴、阳离子偶合阳、阴离子分别进入两个侧面的浓流体中，在两侧浓溶液中完成电性中和，实现阴、阳离子连续分离。本发明旨在提供一种具有可连续运行，系统回收率高，离子分离效率高，操作压力低、温度变化影响，耗电量小，浓溶液电解质浓度只受电解质溶解度限制，设备启停方便的装置和方法。具有其他膜法和热法蒸馏淡化无法达到的优点。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是提供一种磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，该装置包括磁极一、磁极二组成的磁场，原溶液通道一两侧设有阴离子交换膜一和阳离子交换膜一，原溶液通道二两侧对应设有阳离子交换膜二和阴离子交换膜二，流动方向相反的原溶液通道一和原溶液通道二中间设有隔板，浓溶液通道一的一侧对应于阴离子交换膜一和阳离子交换膜二，浓溶液通道二对应于阳离子交换膜一和阴离子交换膜二。
本发明同时还提供一种上述离子分离装置的离子分离方法，该离子分离方法的过程是在磁场存在下，将流动电解质溶液的阴离子通过含有阴离子交换膜和阳离子通过阳离子交换膜与相邻通道的电解质溶液的阴离子通过含有阴离子交换膜和阳离子通过阳离子交换膜在分别在两侧的高浓度溶液完成中和，实现连续离子分离。
本发明的效果是：磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，主流体在离子分离装置内依次进行正向和反向运动，两种流向流体的感应电流方向相反，这样同一侧面迁移的荷电离子电性相反，由于阴、阳离子交换膜的选择透过性和流体隔离性，在两个侧面的每个流体中分别有正反向流体的阴、阳离子和阳、阴离子电性和当量数中和，正反向流体中的离子迁移到侧面浓液体中，主流体离子浓度变小，通过循环和磁场强度大小及流速可以控制离子分离效率。本发明不受沸点升高和渗透压升高影响，只受水合离子数和饱和溶质溶解度的影响。离子去除率可连续无级调整，两侧浓溶液与原溶液相比，离子浓缩倍数可达4倍以上。这是区别于现有去离子技术的一个方面；另一方面，其处理成本能量消耗低。
本发明的特点是：实现溶质离子直接从溶液中分离，而非将溶剂提取后剩下浓溶液，与电渗析、连续电脱盐不同，无电极存在实现阴阳离子连续分离，系统无氧化还原反应发生；也与电吸附不同，无需脱附。
附图说明
图1为本发明磁场与离子交换膜组成的离子分离装置示意图；
图2为图1离子分离室结构示意图；
图3为图2离子分离室A-A和B-B剖面离子交换膜布置图；
图4为主流体流动示意图；
图5为两侧浓溶液流动示意图；
图6为二维离子迁移示意图；
图7为三维离子迁移示意图。
图中：
1-磁极一 2-磁极二 3-阴离子交换膜一 4-阳离子交换膜一 5-浓溶液通道一 6-原溶液通道一 7-隔板 8-原溶液通道二 9-阳离子交换膜二10-阴离子交换膜二 11-浓溶液通道二
具体实施方式
结合附图及实施例对本发明的一种磁场与离子交换膜组成的离子分离装置和方法详细加以说明。
本发明的原理：运动的液体流体导体在磁场作用下，产生感应电流，也就是阴、阳离子相向运动，由于有离子交换膜的隔离作用和离子选择性透过作用，加上主流体的正反向运动，最终在两个侧面完成阴、阳离子中和，这样实现主流体溶解性离子连续被去除。
如图1～图7所示，本发明的一种磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，该装置包括磁极一1、磁极二2组成的磁场，原溶液通道一6两侧设有阴离子交换膜一3和阳离子交换膜一9，原溶液通道二8两侧对应设有阳离子交换膜二4和阴离子交换膜二10，流动方向相反的原溶液通道一6和原溶液通道二8中间设有隔板7，浓溶液通道一5一侧对应于阴离子交换膜一3和阳离子交换膜二4，浓溶液通道二11对应于阳离子交换膜一9和阴离子交换膜二10。
主流体正向和反向流动均为切割磁力线运动，两侧浓流体流动与磁力线平行。
所述同一通道的阴、阳离子分别被转移进两侧的浓液流中，而反向流动通道的对应的相反电性荷电离子被转移进对应侧的浓液流中。
利用上述磁场与离子交换膜组成的离子分离装置的离子分离过程是该离子分离方法的过程是在磁场存在下，将流动电解质溶液的阴离子通过含有阴离子交换膜和阳离子通过阳离子交换膜，而相邻通道的电解质溶液的阴离子通过含有阴离子交换膜和阳离子通过阳离子交换膜，最后，分别在两侧的高浓度溶液完成中和，实现连续离子分离。
实施例1
本发明的一种磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，包括钕铁硼磁铁磁极一1、钕铁硼磁铁磁极二2组成的磁场，原溶液通道一6两侧设有阴离子交换膜一3和阳离子交换膜一9，原溶液通道二8两侧对应设有阳离子交换膜二4和阴离子交换膜二10，流动方向相反的原溶液通道一6和原溶液通道二8中间设有隔板7，浓溶液通道一5一侧对应于阴离子交换膜一3和阳离子交换膜二4，浓溶液通道二11对应于阳离子交换膜一9和阴离子交换膜二10。其中，阴离子交换膜是聚乙烯异相阴离子交换膜，阳离子交换膜为聚乙烯异相阳离子交换膜。主流体做反向切割磁力线运动，两侧浓溶液运动则平行与磁力线，主流体中的离子持续转移到浓溶液中。
实施例2
本发明的一种磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，包括离子分离室外圈电磁线圈感应磁场，原溶液通道一6两侧设有阴离子交换膜一3和阳离子交换膜一9，原溶液通道二8两侧对应设有阳离子交换膜二4和阴离子交换膜二10，流动方向相反的原溶液通道一6和原溶液通道二8中间设有隔板7，浓溶液通道一5一侧对应于阴离子交换膜一3和阳离子交换膜二4，浓溶液通道二11对应于阳离子交换膜一9和阴离子交换膜二10。其中，阴离子交换膜是聚乙烯异相阴离子交换膜，阳离子交换膜为聚乙烯异相阳离子交换膜。主流体做反向切割磁力线运动，两侧浓溶液运动则平行与磁力线，主流体中的离子持续转移到浓溶液中。
实施例3
一种磁场与离子交换膜组成的离子分离方法，将含有导电离子的电解质水溶液以一定速度依次正反向通过配有永磁磁场中，原溶液通道一6两侧设有阴离子交换膜一3和阳离子交换膜一9，原溶液通道二8两侧对应设有阳离子交换膜二4和阴离子交换膜二10，流动方向相反的原溶液通道一6和原溶液通道二8中间设有隔板7，浓溶液通道一5一侧对应于阴离子交换膜一3和阳离子交换膜二4，浓溶液通道二11对应于阳离子交换膜一9和阴离子交换膜二10。其中，阴离子交换膜是聚乙烯异相阴离子交换膜，阳离子交换膜为聚乙烯异相阳离子交换膜。
离子去除过程：在0.3MPa压力下，将60000mg/L的氯化钠水溶液送入主流体通道，两侧浓液流体积为主流体体积的1/3，主体溶液做完全闭路循环流动，5分钟后，主流体含盐量降为500mg/L。
实施例4
一种磁场与离子交换膜组成的离子分离方法，将含有导电离子的电解质水溶液以一定速度依次正反向通过配有线圈感应磁场中，原溶液通道一6两侧设有阴离子交换膜一3和阳离子交换膜一9，原溶液通道二8两侧对应设有阳离子交换膜二4和阴离子交换膜二10，流动方向相反的原溶液通道一6和原溶液通道二8中间设有隔板7，浓溶液通道一5一侧对应于阴离子交换膜一3和阳离子交换膜二4，浓溶液通道二11对应于阳离子交换膜一9和阴离子交换膜二10。其中，阴离子交换膜是聚乙烯异相阴离子交换膜，阳离子交换膜为聚乙烯异相阳离子交换膜。
离子去除过程：在0.2MPa压力下，将30000mg/L的氯化钠水溶液送入主流体通道，两侧浓液流体积为主流体体积的1/5，主体溶液有3/4体积流量循环流动，7分钟后，主流体含盐量降为200mg/L。
本实施例具有所述的离子分离效率高，工艺简单，能量消耗低等优点和积极效果。
Claims (15)
1.一种磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：该装置包括磁极一(1)、磁极二(2)组成的磁场，原溶液通道一(6)两侧设有阴离子交换膜一(3)和阳离子交换膜一(9)，原溶液通道二(8)两侧对应设有阳离子交换膜二(4)和阴离子交换膜二(10)，流动方向相反的原溶液通道一(6)和原溶液通道二(8)中间设有隔板(7)，浓溶液通道一(5)一侧对应于阴离子交换膜一(3)和阳离子交换膜二(4)，浓溶液通道二(11)对应于阳离子交换膜一(9)和阴离子交换膜二(10)。
2.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：磁场可以是永磁场，也可以是线圈感应磁场。
3.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：主流体流向切割磁力线。
4.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：主流体可以多次依次正向、反向做切割磁力线运动。
5.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：两侧浓溶液流动与磁力线平行。
6.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：主流体可以部分或全部循环流动。
7.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：在每个主流体通道中阴离子交换膜和阳离子交换膜在两侧布置。
8.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：相邻的两个相反方向的的同一侧依次放相反电性的离子交换膜。
9.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：将离子从电解质溶液向侧面的通道的液流中转移的离子转移装置相对方向转移相反电性的荷电离子。
10.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：所述同一通道的阴、阳离子分别被转移进两侧的浓液流中，而反向流动通道的对应的相反电性荷电离子被转移进对应侧的浓液流中。
11.按照权利要求1所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离装置，其特征是：可以用于电解质溶液主流体离子去除，也可用于电解质溶液主流体离子浓缩。
12.一种根据权利1要求的磁场与离子交换膜组成的离子分离方法，其特征是：该离子分离方法的过程是在磁场存在下，将流动电解质溶液的阴离子通过含有阴离子交换膜和阳离子通过阳离子交换膜，而相邻通道的电解质溶液的阴离子通过含有阴离子交换膜和阳离子通过阳离子交换膜。最后分别在两侧的高浓度溶液完成中和，实现连续离子分离。
13.按照权利要求12的方法，所述方法包括流动液体导体在磁场中实现阴、阳离子反向迁移的步骤。
14.按照权利要求12的方法，所述方法包括提供既适于转移阴离子又适于转移阳离子的装置的步骤。
15.根据权利要求12所述的磁场与离子交换膜组成的离子分离方法，其特征是：所述方法包括阳离子和阴离子在高浓度溶液侧完成电性中和的步骤。
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