CN105036263A

CN105036263A - 一种电磁离心式水净化器

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Publication number: CN105036263A
Application number: CN201510403401.6A
Authority: CN
Inventors: 汪金龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Sino American Jiahe Medical Technology Development Group Co Ltd
Priority date: 2015-07-11
Filing date: 2015-07-11
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2035-07-11
Also published as: CN105036263B

Abstract

本发明提供一种电磁离心式水净化器及其净化方法，所述的水净化器主要部件包括：螺旋桨（4）、分离筒（5）、阳极（2），阴极（9），电磁铁N极（1）和电磁铁S极（13）；分离筒（5）顶部设有入水口（8），螺旋桨（4）底端设有浓缩水中心出水口（7），分离筒（5）底部还设有浓缩水外壁出水口（11），净水导流槽（6）和净水出水口（12），在阳极（2）外表面包裹阳极绝缘层（3），在分离筒（5）外壁包裹阴极绝缘层（10）；本发明的水净化方法同时合理利用离心力、电场力和洛伦兹力分离水中的杂质，包括颗粒物，细菌，大分子，重金属，阳离子，阴离子等，将水净化，并通过控制流体转速，径向电场强度，纵向磁场大小三个参量使水净化效果达到最优。为彻底分离阴阳离子，本发明采用两级净化，第二级的电磁场方向与第一级的相反。本发明采用循环水路设计，提高净水效率，降低废水率。

Description

一种电磁离心式水净化器

技术领域

本发明属于水净化技术领域，也可用于空气净化，药物提纯，化学萃取等领域。

背景技术

我国水资源短缺，尤其是饮用水，北方城市水短缺更为严重，另一方面我国经济高速发展的同时，水污染越来越严重，特别是重金属污染。因此像食品安全一样，饮用水的安全卫生也引起人们高度重视。

家用自来水可能含有的污染物及其危害如下表：

类型	大小尺寸	危害
			泥沙、铁锈	肉眼可见	不可食用，危害健康
悬浮物	大于10-4mm	影响口感，危害健康
			胶体	大于10-6mm	影响口感，危害健康
细菌	0.4-0.4μm	影响健康
			病毒	0.02-0.4μm	影响健康
有机污染物	溶解于水	天然有机物，指生物产品、代谢产物和生物残体，主要为碳水化合物、蛋白质和油脂。人工合成有机物，主要有塑料、合成纤维、洗涤剂、溶剂、染料、涂料、农药、食品添加剂和药品等
			重金属（砷，镉，铅等）	离子	含量高时会使蛋白质变性，形成有机重金属，毒性大，影响智力，导致痴呆及中毒
余氯及其消毒副产物	离子	癌症、心脏病、早衰，这些精神上和肉体上的伤害都是氯处理过的水造成的，它使我们在未老时就出现衰老的迹象，如动脉硬化。
			钙镁离子	离子	结垢，水硬度高，不柔和
放射性物质	离子	核污染造成的微量放射性物质，会造成身体细胞及器官癌变。

近几年净水行业蓬勃发展，很多新技术被应用到水净化领域，最成功应用最广泛的是采用吸附、过滤技术。比如活性炭、超滤膜、反渗透膜等。这种技术的缺点是废水率高，出水量小。典型的专利技术可以参考：CN1189405C，CN94222615.1，CN97119082.8，CN103386231A，CN102872639A等。也有采用薄膜蒸馏原理的水净化技术，如CN1104380C。采用光催化磁化净水技术，如CN1283560C。这些技术的共同缺陷是净水效率较低。

以上技术方法的共同缺点是净水效率低，废水率高，水资源利用率不高。

发明内容

本发明的目的在于，为提高净水效率，降低废水率，提高水资源利用率。本发明提供一种电磁离心式水净化器，本发明的水净化方法同时合理利用离心力、电场力和洛伦兹力分离水中的杂质（包括颗粒物，细菌，大分子，重金属，阳离子，阴离子等），并通过控制流体转速，径向电场强度，纵向磁场大小三个参量使水净化效果达到最优。

为实现上述目的，本发明提供一种电磁离心式水净化器，所述的水净化器主要部件包括：螺旋桨、分离筒、阳极、阴极、电磁铁N极和电磁铁S极；螺旋桨带动分离筒中的水旋转，螺旋桨底端设有浓缩水中心出水口，分离筒顶部设有入水口，分离筒底部还设有浓缩水外壁出水口，净水导流槽和净水出水口，在阳极外表面包裹阳极绝缘层，在分离筒外壁包裹阴极绝缘层，如图2所示。

作为上述技术方案的基本原理，所述的水净化器分离筒内水作匀速圆周运动，角速度为，筒轴心为阳极，筒侧壁为阴极，正负极电压为，两电极之间形成电场，轴向方向有磁场，如图3所示。分离筒任意截面上的电磁场分布如图4所示。磁场均匀分布，方向为沿轴向向上，而电场强度为：

（1）

电场方向为径向，其中为分离筒两极之间的电容，为分离筒高度，为真空介电常数，从公式可以看出，电场强度随正负极电压增加而增加，随半径增大而减小，在圆心附近场强最大，如图5所示。

含有各种成分的液体在圆通内旋转不仅受到离心力，由于电场的极化作用，分子发生极化，受到洛伦兹力的作用，金属阳离子，阴离子同时受到电场力和洛伦兹力的作用，本发明充分利用这三种力，分离水中的有害成分。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的水净化器分离对象为大颗粒杂质时，包括泥沙、铁锈、悬浮物、胶体、细菌、病毒以及大分子团，它们共同的特点是质量或者体积较大，受到的离心力较大，将沿着径向向分离筒筒壁或者轴心运动。达到分离的效果。

图6为大颗粒杂质受力示意图，包括两个部分，径向水压和离心力。在分离筒内，水可以看作一种均匀介质，密度为，以匀角速度逆时针旋转，大颗粒杂质质量为，密度为，体积为，尺寸大小为，位于处，该处的径向水压为：

（2）

大颗粒杂质受到的径向压力为：

（3）

忽略第二项的二阶小量，得到径向压力为：

（4）

从公式可以看出，径向压力的本质还是离心力产生的，因此也归类为离心力。负号表示径向压力与方向相反，即指向筒圆心。注：为方便计算，公式推导过程中均采用标量。

大颗粒杂质受到的离心力为：

（5）

大颗粒杂质在旋转水中受到的合力为：

（6）

其中，从公式（6）可以看出当时，即密度较大的颗粒，比如金属颗粒，泥沙，部分细菌、病毒等，将向分离筒筒壁运动；当时，即密度比水小的颗粒，比如某些悬浮物、胶体、细菌、病毒等，将向筒轴心运动。只要颗粒物与水密度不同，都可以利用离心力实现净水能。若某种有机分子密度与水相同，则离心力无法实现分离。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的水净化器分离对象为阳离子时，阳离子的电场力和洛伦兹力受力示意图如图7所示，此时的电场力和洛伦兹力方向与离心力方向一致。若阳离子质量为，带电量为，受到的电场力为：

（7）

洛伦兹力为：

（8）

阳离子体积较小，可以不考虑水的径向压力，因此阳离子在旋转液体中受到的合力为：

（9）

对于离子一般小于1，从公式（9）可以看出，只要电极电压，电场强度，液体旋转速度足够大，阳离子将很快“沉淀”到分离筒筒壁上。对于阴离子，为使电场力和洛伦兹力方向与离心力方向一致，只需要改变电极和磁场方向，如图8所示。因此，从原理设计考虑，本技术至少需要两级净化。

因此，离子在旋转液体中受到的合力通用表达式为：

（10）

作为上述技术方案的进一步改进，所述的水净化器分离对象为分子时,分子在外电场影响下，正、负电荷重心发生相对位移，使分子发生变形，产生的这种偶极叫诱导偶极，此过程称之为分子极化。极化偶极矩的大小，与外电场强度有关，比例系数为分子极化率：

（11）

按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率（两者合称变形极化率）和取向极化率：

（为永久偶极矩）（12）

因此，极性分子极化率为：，非极性分子极化率为：。分子极化效果如图9。每个分子的极化偶极矩可以由史劳修斯—莫索提—德拜方程求得：

（13）

其中为分子组成物质的介电常数，为分子量，为物质在温度时的密度，为阿佛加得罗常数。下面分析极化分子在旋转液体中的受力情况，如图10。分子极化后，在电磁场中正电荷部分（，，）受力为，：

（14）

（15）

负电荷部分（，，）受力为，：

（16）

（17）

其中，负号表示力的方向朝向轴心。在旋转液体里还受到离心力：

（18）

极化分子受到的合力为：

（19）

分子被极化后，有，上式变为：

（20）

又，，，上式改写为：

（21）

将（13）带入（21）得到：

（22）

一般小于1，当时适当增加磁场强度可以使极化分子向分离筒筒壁移动，完成分离。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的水净化器为彻底分离阴阳离子，本发明采用两级净化，第二级的电磁场方向与第一级的相反。并且本发明采用循环水路设计，含杂质成分的浓缩水回流到入水口重复净化，以实现提高净水效率，降低废水率。第一级净化水中还含有部分阴离子，经第二级净化，可以得到品质较高的净化水，如图11所示。从水路设计图中可以看出，理论上讲，电磁离心水净化器废水率为0。为提高水质，可以无限增加级数，也可以减少入口水通量。

本发明的一种电磁离心式水净化器的优点在于：综合利用了离心力，电场力和洛伦兹力，分离水中的各种杂质成分，以纯物理的方式完成水净化；可以通过控制流体转速，径向电场强度，纵向磁场大小三个参量使水净化效果达到最优；采用循环水路设计，以实现提高净水效率，降低废水率；采用多级净化，彻底分离水中的阴阳离子。

附图说明

图1是电磁离心式水净化器装配图。

图2是电磁离心式水净化器剖面图。

图3是电磁离心式水净化方法原理图。

图4是分离筒内电磁场分布图。

图5是电场强度分布。

图6是大颗粒杂质受力示意图。

图7是阳离子的电场力和洛伦兹力受力示意图。

图8是阴离子的电场力和洛伦兹力受力示意图。

图9是分子极化图。

图10是极化分子受力示意图。

图11是电磁离心水净化器水路设计图。

附图标记

1、电磁铁N极2、阳极3、阳极绝缘层4、螺旋桨

5、分离筒6、净水导流槽7、浓缩水中心出水口8、入水口

9、阴极10、阴极绝缘层11、浓缩水外壁出水口12、净水出水口

13、磁铁S极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的电磁离心式水净化器及其净化方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种电磁离心式水净化器，所述净化器为圆筒结构，外形尺寸为高500mm，直径300mm，图2是电磁离心式水净化器的剖面图，主要部件包括：螺旋桨4、分离筒5、阳极2、阴极9、电磁铁N极1和电磁铁S极13；分离筒5内径为250mm，分离筒5顶部设有入水口8，螺旋桨4底端设有浓缩水中心出水口7，分离筒5底部还设有浓缩水外壁出水口11，净水导流槽6和净水出水口12，在阳极2外表面包裹阳极绝缘层3，在分离筒5外壁包裹阴极绝缘层10。

基于上述实施例，所述的水净化方法同时合理利用离心力、电场力和洛伦兹力，分离水中的杂质，包括颗粒物，细菌，大分子，重金属，阳离子，阴离子等，达到水净化的目的。

基于上述实施例，所述的杂质受到的离心力是由于螺旋桨4带动分离筒5中的水逆时针旋转，杂质也将以同样的角速度旋转产生，杂质质量为，密度为，体积为，位于分离筒径向位置处，本实施例中螺旋桨动力来源为一个转速可控的电机，杂质所受离心力大小为：

同时杂质还受到径向水压力：

其中为水密度，则杂质在旋转水中受到的合力为：

其中，当时，即密度较大的杂质，比如金属颗粒，泥沙，部分细菌、病毒等，将向分离筒筒壁运动；当时，即密度比水小的杂质，比如某些悬浮物、胶体、细菌、病毒等，将向筒轴心运动。只要杂质与水密度不同，都可以利用离心力实现净水功能。若某种有机分子密度与水相同，仅用离心力无法实现分离。

基于上述实施例，所述的阳极2置于分离筒5的中心，为一根棒状良好导体，本实施例使用铜柱，由阳极绝缘层3包裹，本实施例中绝缘层采用高电阻材料，所述的阴极9为一薄片圆筒形良好导体，本实施例中采用铜板，厚度为3mm,分离筒5外壁包裹阴极绝缘层10，以防止漏电或高电压时发生击穿现象。阴阳极之间加电压为，本实施例中电压可调，调节范围为0-500V，两电极之间的分离筒内5形成径向的电场，该电场有两个作用，离子在电场中受到电场力，完成分离，同时使非极性分子极化。若离子质量为，带电量为，则受到的电场力为：

其中为分离筒两极之间的电容，为分离筒筒高度，为离子径向位置，为真空介电常数。

基于上述实施例，所述的电磁铁N极和电磁铁S极之间的分离筒5内形成均匀磁场，带电量为，位于径向处的离子受到洛伦兹力为：

其中为螺旋桨旋转角速度，本实施例中磁场可调范围为0-1T。

基于上述实施例，当所述的分离对象为阳离子时，螺旋桨4逆时针旋转，电场力、洛伦兹力方向与离心力方向一致。阳离子体积较小，可以不考虑水的径向压力，因此阳离子在旋转液体中受到的合力为：

对于离子，一般小于1，因此，只要电极电压，电场强度，液体旋转速度足够大，阳离子将很快“沉淀”到分离筒5内壁上。

基于上述实施例，当所述的分离对象为阴离子时，为使电场力和洛伦兹力方向与离心力方向一致，需要改变电极和磁场方向，因此，从原理设计考虑，本水净化方法至少需要两级净化。第二级电磁场方向与第一级相反，其余设置不变。

基于上述实施例，当所述的分离对象为分子时，利用所述的电场将分子极化，极化分子诱导偶极矩受到洛伦兹力，另外分子还受到离心力作用，合力为：

其中为分子组成物质的介电常数，为分子量，为物质在温度时的密度，为阿佛加得罗常数。一般小于1，当时适当增加磁场强度可以使极化分子向分离筒5筒壁移动，完成分离。

基于上述实施例，所述的净化器每一级均采用循环水路设计，浓缩水中心出水口7和浓缩水外壁出水口11与入水口8连通，将浓缩水多次净化。

最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种电磁离心式水净化器，其特征在于，所述的水净化器主要部件包括：螺旋桨（4）、分离筒（5）、阳极（2），阴极（9），电磁铁N极（1）和电磁铁S极（13）；螺旋桨（4）将带动分离筒（5）中的水旋转，螺旋桨（4）底端设有浓缩水中心出水口（7），分离筒（5）顶部设有入水口（8），分离筒（5）底部还设有浓缩水外壁出水口（11），净水导流槽（6）和净水出水口（12），在阳极（2）外表面包裹阳极绝缘层（3），在分离筒（5）外壁包裹阴极绝缘层（10）。

2.根据权利要求1所述的一种电磁离心式水净化器，其特征在于，所述的水净化方法同时合理利用离心力、电场力和洛伦兹力，分离水中的杂质，包括颗粒物，细菌，大分子，重金属，阳离子，阴离子等，达到水净化的目的。

3.根据权利要求1和2所述的一种电磁离心式水净化器，其特征在于，所述的杂质受到的离心力是由于螺旋桨（4）带动分离筒（5）中的水逆时针旋转，杂质也将以同样的角速度旋转而受到离心力，密度较大的杂质，比如金属颗粒，泥沙，部分细菌、病毒等，将向分离筒筒壁运动；密度比水小的杂质，比如某些悬浮物、胶体、细菌、病毒等，将向筒轴心运动，只要杂质与水密度不同，都可以利用离心力实现净水功能。

4.根据权利要求1-3所述的一种电磁离心式水净化器所实现的净化方法，其特征在于：

步骤1）阳极（2）置于分离筒（5）的中心，为一根棒状良好导体，如铜柱，由阳极绝缘层（3）包裹，所述的阴极（9）为一薄片圆筒形良好导体，如铜片，分离筒（5）外壁包裹阴极绝缘层（10），以防止漏电或高电压时发生击穿现象，阴阳极之间加电压为，两电极之间的分离筒内（5）形成径向的电场，该电场有两个作用，离子在电场中受到电场力，完成分离，同时使非极性分子极化；若离子质量为，带电量为，则受到的电场力为：

；

步骤2）电磁铁N极（1）和电磁铁S极（13）之间的分离筒（5）内形成均匀磁场，带电量为，位于径向处的离子受到洛伦兹力；当分离对象为阳离子时，螺旋桨（4）逆时针旋转，电场力、洛伦兹力方向与离心力方向一致，阳离子体积较小，可以不考虑水的径向压力，因此阳离子在旋转液体中受到的合力为：

；

对于离子，一般小于1，因此，只要电极电压，电场强度，液体旋转速度足够大，阳离子将很快“沉淀”到分离筒（5）内壁上；当分离对象为阴离子时，为使电场力和洛伦兹力方向与离心力方向一致，只需要改变电极和磁场方向，因此，从原理设计考虑，本水净化方法至少需要两级净化，第二级电磁场方向与第一级相反，其余设置不变；

步骤3）当分离对象为中性分子时，利用步骤1）的电场将分子极化，极化分子诱导偶极矩受到洛伦兹力，另外分子还受到离心力作用，合力为：

一般小于1，当时适当增加磁场强度可以使极化分子向分离筒（5）筒壁移动，完成分离。

5.根据权利要求1-6之一所述电磁离心式水净化器，其特征在于，所述的净化器每一级均采用循环水路设计，浓缩水中心出水口（7）和浓缩水外壁出水口（11）与入水口（8）连通，将浓缩水多次净化。