CN107840419A - 一种淡化海水的设备设施 - Google Patents

Abstract

一种淡化海水的设备设施，把海水以一定速度泵入有强电场环境或有强磁场环境的水槽里，海水中的阴阳离子就会在某种力(在电场里受到的是电场力，在强磁场里受到就是洛仑磁力)的作用下分别向不同的方向运动，等离子完成了在某种力作用下的运动，在水槽中间区域就会留下没有离子的淡水，然后再对水槽中间区域的淡水用水槽里的淡水槽来隔离的方法截取出来，尤其是利用磁场来淡化海水的方法，由于利用了磁场中运动中的离子受到洛仑磁力只改变运动方向，不做功的原理，所以淡化的成本很低，几乎为零。

Description

一种淡化海水的设备设施

涉及海水淡化技术领域

背景技术：

目前海水淡化的成本很高，达到每立方米1.50美金左右，这是很多用户是不能承受的，城市居民还可以忍受，但是农村的用户以及农业用户就承受不了这个价格，农业用水量很大，产出又低。全球海水淡化技术超过20余种，包括反渗透法、低多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法、水电联产、热膜联产以及利用核能、太阳能、风能、潮汐能海水淡化技术等等，以及微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺，从大的分类来看，主要分为蒸馏法(热法)和膜法两大类，但这方法都不适合做大量海水淡化的工艺，就是说目前的淡化技术有两大缺点，一个是成本高昂，一个是产量小。

众所周知，海水里是溶解了盐才会变成的，盐在海水里是以离子的形式存在的，这些离子都无时无刻在做布朗运动。这些离子与水分子的大小是可以比拟的，因此靠过滤等方法来淡化就很难，但是如果根据离子带电的特性来淡化，那么就简单多了。

沙漠尤其是靠近海边的沙漠，没有水很可惜，不适合人类居住。但那里是块宝地，只要能够有低成本的海水淡化方法，就可以把这沙漠变成物产富饶的宝地，并且比其它有降雨的地区更好，因为这里将没有干旱，没有洪涝灾害。这里一切将受控于人类，想让这里变成雨季，就可以把这里变成雨季，想把这里变成旱季，就可以把这里变成旱季，季节的变换，只不过人们动一下手里操纵开关而已。

发明内容：

一种淡化海水的设备设施，是把海水以一定速度泵入强电场或强磁场里(也可以同时使用电场和磁场)，海水中的离子就会在电磁力的作用下运动，等离子完成了在电磁力作用下的运动后，在中间区域就会留下没有离子的淡水，然后再用一个淡水槽隔离截取出来就可以了。利用电场和利用磁场来淡化海水是不同的，利用电场的方式是要耗费能量的，但利用磁场的方式在理论上不耗费能量。

现在的强磁环境都能做到很强大的，比如已经有运行的磁悬浮列车，火车都那么重的，都能浮起来的，那么对于把离子分开是可以的。

先以用电场淡化海水来说明，设备设施结构如图1，图2，主要分为电极，水槽等几部分组成，水槽又分为外面大的的咸水槽和里面小的淡水槽。这电极两极的距离可根据电压的大小等情况来定，电压大的距离可以远些。当海水流过放在两个强大电极中间空间的水槽时，这时可以看成有很多阴阳离子在做运动，阴阳离子就会在电场力的作用下分别向两电极运动靠拢，等离子都靠到咸水槽两边去了，在咸水槽中间区域就会留下没有离子的淡水，再通过这个淡水槽(这个淡水槽与咸水槽是同中心的，也就是淡水槽要放置在咸水槽的中心)把淡水与其余的海水分离开来，那么在这个淡水槽外面流动的就是有很多离子的咸水，在淡水槽内流动的就是不带离子或带很少离子的淡水，同时这淡水槽里边外边的水都在水压的作用下向淡水槽的另一端流去，把淡水槽内的水截取收集起来，就可以使用了，淡水槽外的水就可以放归回大海，也可以再进行一次淡化，不过再进行一次淡化效率会低些。淡水槽的端口要比咸水槽的端口要退后一段距离，目的就是等离子在电场力作用下运动完成后再来隔离收集淡水。淡水槽也要在咸水槽的中间，使两边离子运动的距离要相等，淡水槽也要放置一部分到电场里去，这样淡水槽内收集的才是淡水，不然离子又回到中间区域里去了，淡水槽收集到的就不是淡水了。如果这收集起来的淡水达不到要求，就可以再进行一次淡化，过程与上一次相同。这种多个处理单元结构见图3，每个电极两侧流出来的都是只带正电荷或者只带负电荷的离子的水，把这两种水流到一起就成了盐分浓度高一些的海水了.这个设备设施，只有电极板是要用导电的金属来做，其它部分都可以用塑料等材料来做，电极板在使用时也要与海水绝缘，只提供电场就可以了，但又不能导通。所以这个设备设施耐腐蚀等能力强，不需要什么维护。每对电极间可以放一个或多个水槽，都能起一样的作用。因为电场力与海水的初速没有关系，只与离子带电量，电场强度有关，所以这个水槽不需要做的很长，这种设备设施的体积就小，适合在船上使用。

这个淡化出来的水的质量是由几个参数决定的(以利用电场来淡化海水来讲)：同一地点的海水成分差别不大，不作为一个参数，1，V，进口海水的流速；2，L1，水槽在垂直两个电极板方向上的距离；3，U，两个电极板间的电压；4，L2，咸水槽进口端到淡水槽进口端的距离；5，L3，淡水槽进口端在垂直两个电极板方向上的距离。由于盐只占海水的百分之三，所以L1比L3大，但不会大太多。因为海水的成分非常复杂，不能用一个公式等方法就能确定这些参数之间的关系和数值。因为W＝QU，同样的电量电压降大能耗也就大。这可以采用先用低电压使小的离子完成运动后再用高电压，减小络合物，螯合物的运动时间，减小这类大分子的运动时间，这就叫分段电压，先低后高的，这样既能做到能量最小能耗，又能提高淡化的速度。每一个参数都会影响淡化的结果，可以协调这五个参数就能做到海水流到淡水进口端前一段距离里已经完成了在电场作用下的运动，为淡水进口里只流进淡水提供必要条件。这五个参数中，有三个参数，L1，L2，L3，是设备设施的参数，是不会变的，设备设施做好后就不会变，有两个参数，是工艺参数，海水的流速V和电极板的电压U，这两个参数随时都有可能变化，这五个参数的设定，可根据实际情况调整。监控这两个参数就能保证淡水的质量，如图4。监控淡化的质量，可以在淡化后的水里放入两个电极，测两个电极之间的电阻值就能知道淡化海水的质量，纯净的水的导电能力很弱，在用这种方法把水里的电解质除去了后，水里就只有很少的能导电的电解质了，导电能力也就很弱了。用多对电极并联就可以更好地测量出淡化质量。这种淡化出来的水，可以直接给农业生产使用，也可以再经过净化后给城市居民使用，因为这水里还有很多海洋生物，海藻以及不带电的杂质等等。还可以调节这几个参数，使大多数的离子除去，把对农业生产有用的离子留下来给农业生产使用。

再以用磁场淡化海水来说明，设备设施结构如图5，图6，主要分为磁铁(这个磁铁多以线圈内加铁芯来做)，水槽等几部分组成，水槽又分为外面大的的咸水槽和里面小的淡水槽。这磁铁两极的距离可根据磁场强度的大小等情况来定，磁场强度大的距离可以远些。当海水流过放在这两个强大的磁铁间的水槽时，同样可以看成有很多阴阳离子在做运动，运动着的阴阳离子就会分别在电磁力的作用下也就是在洛仑磁力的作用下分别向两个方向运动，由于洛仑磁力是适用左手定则的，就是张开左手，让磁力线从手心穿过手再到手背，四个手指的方向为水流动的方向，那大拇指指的方向就是洛仑磁力的方向或者是其反方向，阳离子与水流动的方向一致，那么其受力方向就是大拇指指的方向，阴离子受力方向就是大拇指指的反方向，也就是说洛仑磁力垂直于磁力线和离子运动的速度方向，离子运动的方向与电场力里的运动方向是不同的，转了90度的角，也就是磁场里的水槽与电场里的水槽的设置有所不同，但是阴阳离子还是会向两个不同的方向运动，等离子都靠到咸水槽两边去了，在咸水槽中间区域就会留下没有离子的淡水，再通过这个淡水槽(这个淡水槽与咸水槽是同中心的，也就是淡水槽要放置在咸水槽的中心)把淡水与其余的海水分离开来，那么在这个淡水槽外面流动的就是有很多离子的咸水，在淡水槽内流动的就是不带离子或带很少离子的淡水，同时这淡水槽里边外边的水都在水压的作用下向淡水槽的另一端流去，把淡水槽内的水截取收集起来，就可以使用了，淡水槽外的水就可以放归回大海，也可以再进行一次淡化。淡水槽的端口要比咸水槽的端口要退后一段距离，目的就是等离子在洛仑磁力作用下运动完成后再来隔离收集淡水。淡水槽也要放置一部分到磁场里去，这样淡水槽内收集的才是淡水，不然离子做布朗运动又回到中间区域里去了，淡水槽收集到的就不是淡水了。如果这收集起来的淡水达不到要求，就可以再进行一次淡化，过程与上一次相同。这个磁体可以用线圈内加铁芯来做也可以只用磁板来做，见图7，用很多个线圈内加铁芯并排在一起，每个磁铁都有N极和S极，极性要按相同的方向排列，所有S极是一个方向。每两个磁铁间的空间就可以淡化海水了。这种多个处理单元结构见图8，每个电磁体的两侧都是只带正电荷或者只带负电荷的离子的水，把这两种水流到一起就成了盐分浓度高一些的海水了.海水中阴离子一般比阳离子重些大些，可以考虑阳离子向上面运动，阴离子向下面运动。每对磁极间可以放一个或多个水槽，都能起一样的作用，由于多个磁铁并排放置，磁性有相互增加的作用，所以磁力线水平放置，离子做上下运动的较好.特别强调这里的水的流动方向与磁力线的是垂直的，因为垂直时受的磁力最大，F＝QVBsinA，A是水的流动方向与磁力线的夹角，当水的流动方向与磁力线平行时，受力为0，也是A是0度或180度时，故水槽与磁力线不能平行，下面都是在垂直的情况下分析的。

利用磁场淡化海水与利用电场淡化海水是不同的，就电场力和磁场力(也就是洛仑磁力)的不同，磁铁和电极放在同样位置，这两个力相差了90度，所以水槽也相应地转个90度。这个利用磁场力来分离离子淡化水的质量也是由几个参数决定的：海水成分不作为一个参数，1，V，进口海水的流速；2，L1，咸水槽在垂直水流和垂直磁力线方向上的的尺寸；3，E，磁场强度；4，L2，海水进口端到淡水进口端的距离；5，L3，淡水槽在垂直水流和垂直磁力线方向上的的尺寸，淡水槽的中心同样放在咸水槽的中心。由于盐只占海水的百分之三，所以L1比L3大，但不会大太多。因为海水的成分非常复杂，不能用一个公式等方法来确定这些参数之间的关系和数值，但是L1这个值有一个限制，就是要比在这些条件下的离子运动的最小半径要小才好，L1值的范围是从0.501-5.50米。F＝MV^2/R＝QVE(E是电场强度)，R＝MV/QE，V，E是设备参数，M和Q是离子参数，所以最小半径的离子应该是镁离子，锂离子，这两种离子也有可能会在磁场里做圆环运动，调整象电场里的那五个参数(只不过把两个电极板间的电压换成磁场强度)，就可以控制离子按要求进行运动。络合物，螯合物的半径就较大的，控制好运动半径小的离子就可以了。这可以采用先用弱磁场使半径小的离子完成运动后再用强磁场，减小络合物，螯合物的运动半径，减小这类大离子的运动时间，这就叫分段磁场，先弱后强的，不然都用强磁场的话，小离子就会在里面转圈的，到不了边的。每一个参数都会影响淡化的结果，可以协调这五个参数就能做到海水流到淡水进口前一段距离里已经完成了在洛仑磁力作用下的运动，为淡水槽进口里只流进淡水提供必要条件。这五个参数中，有三个参数，L1，L2，L3，是设备设施的参数，是不会变的，设备设施做好后就不会变，有两个参数，是工艺参数，海水的流速V和磁场强度E，这两个参数随时都有可能变化，这五个参数的设定，原理和利用电场方法的相同，可根据实际情况调整。磁力线也可以用竖直方向的，见图9.当洛伦磁力不足够使离子运动时，就可以增大水流速度，这样洛伦磁力就会增大了.

这海水里有90％的成分，钠离子，氯离子，钙离子，硫酸根离子，碳酸根离子等等常见离子，因为阳离子几乎都是以水合离子的形式存在的，而每种水合离子性能又不一样，可以根据离子带电的大小，离子体积大小，离子的质量大小等因素影响离子在磁场里的运动速度来设定各个参数。这些离子一般都比较小，都时时刻刻在做高速运动，按照原子量和带电荷的比值，在阳离子里，镁离子的运动半径是12，钙离子20，钠离子23，这些都是占大份额的阳离子。

因为离子的质量很小，离子运动半径，R＝MV/QE，以钾离子为例，钾离子的质量为6.5×10^-26kg，带电荷为1.6021892x10^-19库仑，假定磁场强度为1特斯拉，要想离子运动半径为0.01M的话，那么离子运动的速度约为5x10^5M/S，这个运动速度很大，炸药爆炸的速度是8000M/S，这个算出来的速度是爆炸速度的100倍，这是不可能做到的，所以只有减小磁场了，那就以平常速度1M/S来算，那么磁场强度大概是5x10^-5特斯拉，而这个值差不多就是地球磁场的强度。考虑到阳离子都是水合离子的形式存在的，所以实际的半径会大些，这里离子的运动是个很复杂的运动，因为洛伦磁力是变方向的，所以离子的运动不能用一个简单公式来表达，这里只说方法思路。所以磁场强度可以用当地的地球磁场强度，为优选地。海水速度可以在50.001M/S--500M/S。这个水槽可以是方形的，也可以做成其它形状的，如图10，也可以做成圆形的，圆形的更好，因为其它形状的如果发生扭转，就会影响生产的效果，其内腔直径为0.501米-5.50米，如图11，如果用的是方形的水槽或是其它形状的水槽，那么水槽内腔截面在垂直水流和垂直磁力线的方向的宽度也就是图4里的那个L1尺寸，也就是在垂直水流和垂直磁力线方向上的尺寸，同样可以要求在0.501-5.50米，这个距离等于那个水管的直径，如果是使用地球磁场，那么在水槽内腔的重力方向(也就是竖直方向)的尺寸要在0.501-5.50米。因为水流的速度大，那么水槽的长度可能就是500米，也可能是2000米，也可能更长，可以用塑料挤出机挤出塑料异形材来做，长度就可以设定在0.50-3000.0米吧，更好的是直接用塑料水管来做，圆形水管扭转几下都不会对淡化产生影响。所以利用磁场淡化海水的设备设施体积就会较大。制作设备设施时，如果是利用地球磁场来淡化，那么把水管按照垂直地球磁力线放置就可以了，基本上就是按东西方向放置。

保证水流初速的办法，可以做成类似输液样的，用高处设置一个水箱，用水泵向水箱注水，水多了就溢出，这样水箱的高度不变，就能保证水箱和水槽的高度差不变，就能保证水流的初速。还可以用水泵来提供恒定的速度，用泵的功率和水槽或水管的内腔端口面积可以算出水流的速度，见图12，这个也是很常用的结构形式。

这两种海水淡化方法的特点就是设备简单，投资小，不用维护，没有副产品(可以做到有副产品)，不会破坏酸碱平衡，很环保，同时产量大。这种只把海水从设备设施里流过去就能淡化的方法，比膜法慢慢渗透，比蒸馏法慢慢加热传热都要快的多，产量大的多。驱动离子运动的力，可以是电场力，也可以是电磁力，所以有电极和电磁体等两种。

这种根据海水里的盐的离子带电的特性来淡化，理论上可以做到彻底地淡化，因为离子都会在电磁力作用下运动。按这个方法可做成千上万个这样的处理单元，就可以做成很大的海水淡化处理设施，用来对某个地区，某个城市，某个国家供水，也可以做成很小型的海水淡化处理设备，放在船上，为在海里航行的船提供淡水，船再也不用携带大量的淡水出航了，这也节省了燃料成本，也不用因为淡水问题要到陆地进行补给了。

成本，利用电场来淡化海水的成本，因为离子在电场力下做功，所以会有能耗，但是也比其它的方法低一点，因为这个过程比它简单；利用磁场来淡化海水的成本，这个成本应该很低的，首先假定磁场强度不变的话，离子在磁场里运动是不需要外力的，洛仑磁力是不做功的，只改变离子运动方向，那么就只需要把海水用水泵泵入磁场里，再从另一端收集淡水就可以了，成本应该接近于零了，几乎为零了。如果不是用地球磁场时，电磁场的强度可能会有变化，有能耗，但可以相信比其它的方法要小。电磁场的强度损耗，可以线圈内加磁铁的电磁极来做磁极，这样电磁场的强度损耗就可以由电能补充进去，以便能够持续地淡化海水。如选用地球磁场为所要的磁场的话，就不存在磁场变化的问题了。

如果利用磁场来淡化海水对有些离子不大有用，可先用磁场把这里大部分离子除去，只留下少数的离子，这时就可以用电场来再次淡化，因为电场分离没有运动半径的问题，电场力的方向不变的。这样先用磁场后用电场就能把所有的离子除去，能耗也不大，因为这时离子已经很少了。这样用两种方法相结合，就可以把带电的离子除干净，为农业，居民生活，工业提供用水。

综上所述，海水淡化，要从离子的特性入手，把海水置于磁场或电场中，海水就会在中间区域留下没有离子的淡水区域，再把这部分的淡水隔离开来就可以了，所以等海水里的离子完成了在电磁力作用下的运动后再进行隔离截取也是这个方法这个设备设施的特点。这也是这两个方法与电渗析法的不同，比它好的地方，尤其是利用磁场来分离离子的方式，能耗要远远低于其它的方法，很低，几乎为零，产量又大，值得推广，其中利用电场的方法能耗大但设备设施体积小，携带方便；利用磁场的方法能耗小但设备设施水槽长体积大，各有优缺点，可根据具体情况选用。

高中物理课本上就说，洛仑磁力在任何情况下都不做功。因为磁场里的洛仑磁力对离子不做功，只改变离子运动方向，所以就可以充分利用这点来淡化海水，利用这个特点来尽力地降低海水淡化的成本，是对目前海水淡化成本高昂问题来讲是一个很有效果降低成本的措施，这也是这个淡化海水的方法比其它方法好的地方，也是这个方法值得推广的地方。对于有些离子用磁场分离，效果不是很好的，就可以用电场来分离的方法作为补充办法。如果成本只在于提供水流初速10M/S的话，那么成本只有40分之一度电的成本，一度电按0.40元算，那么每立方米淡水的淡化成本只有0.01元，几乎接近零了，比目前5元要低很多，这还不算副产品价值。

附图说明：

图1：单个电场处理单元前视图。

图2：单个电场处理单元后视图及内部结构图。

图3：多个电场处理单元图。

图4：单个电场处理单元分析图。

图5：单个磁场处理单元前视图及内部结构图。

图6：单个磁场处理单元后视图。

图7：磁铁加线圈示意图。

图8：多个磁场处理单元图。

图9：磁力线为竖直方向的水槽示意图。

图10：其它形状的水槽简略图。

图11：圆形水槽简略图。

图12：圆形水槽和置于高处的水箱简略图(常用的海水淡化形式)。

Claims (3)

1.一种淡化海水的设备设施，其特征在于在利用磁场来分离海水中离子的方法里，利用了放置在磁场中的水槽里(水槽与磁力线不能平行)运动着海水中的阴阳离子受到洛仑磁力而分开来淡化海水。

2.如权利要求1所述，一种淡化海水的设备设施，其特征在于所述海水的速度为50.001M/S-500.000M/S，M/S是米/每秒。

3.如权利要求1所述，一种淡化海水的设备设施，其特征在于所述水槽是圆形的其直径为0.501米-5.500米或者水槽为其它形状的水槽在垂直水流和垂直磁力线方向(如果用地球磁场，则就是重力方向，也就是竖直方向)的宽度为0.501米-5.500米。