CN109534465B - 一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置，包括主通道和缓冲溶液腔，主通道包括主通道入口和主通道出口。主通道内设置有离子选择性块，离子选择性块由仅供阳离子通过的阳离子选择性渗透膜制成，所述离子选择性块内部沿所述主通道轴线方向开设有若干并行的微米通道。主通道外壁设置缓冲溶液腔，缓冲溶液腔与离子选择性块相连并允许该离子选择性块内的离子进入缓冲溶液腔内，缓冲溶液腔接地设置。主通道入口处和主通道出口处设置均连接可调节电极电势的电源，主通道入口处的电势大于主通道出口处的电势。本装置通过在离子选择性块上打孔来实现对微通道的并行，并且孔的个数对系统的除盐效率几乎没有影响，有利于工业上的应用。

Description

一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置

技术领域

本发明涉及海水淡化设备领域，尤其涉及一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置。

背景技术

世界范围内的人口增加和生活水平要求的提高增加了对人类淡水的消耗，水库、河流和地下淡水资源日益匮乏。据统计，全世界约有36亿人口一年至少有一个月缺乏可使用的淡水资源，淡水紧缺的趋势愈演愈烈。

海水资源，其占据了世界水资源总量的97％左右，通过海水淡化获得淡水是解决淡水缺乏问题的重要途径之一。目前国内外传统海水淡化的方法主要有反渗透、蒸馏和电渗析等。这些方法都涉及大量的时间、场地、能源以及化学试剂的消耗，且在一些偏僻的沿海地区难以实施。

近年来，随着微流控技术的不断发展，基于离子浓差极化的海水淡化研究也成为热门。

专利号为CN201510130271.3的中国专利公开了一种基于微流控技术和离子浓差极化的海水淡化系统，其采用纳米通道与亚微米厚的离子交换膜，在电场作用下实现杂质粒子和淡水的分离。

专利号为CN201710661191.X的中国专利也公开了一种基于离子浓差极化的便携式海水淡化装置，其采用微纳米膜通道，通过供电模块在海水淡化芯片上施加低伏电压，从而实现海水脱盐。

可见，目前基于离子浓差极化效应的海水淡化研究都局限于纳米量级的通道中，这样的通道对工艺的要求高、难度大、设备保养困难，不利于工业上的大规模应用，此外，现有技术还存在检测设备昂贵、提取效率低、成本高、并行困难等问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点和不足，本发明提供了一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置，该装置不仅整体来看是宏观的，其内部的孔也是几微米到一百微米级，还能保证良好的海水淡化效果。

一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置，包括主通道和缓冲溶液腔，所述主通道包括有主通道入口和主通道出口，待淡化的海水溶液由所述主通道入口通入该海水淡化装置，淡化后的淡水溶液由所述主通道出口离开所述海水淡化装置。

所述主通道内设置有离子选择性块，所述离子选择性块由仅供阳离子通过的阳离子选择性渗透膜制成，所述离子选择性块内部沿所述主通道轴线方向开设有若干并行的微米通道。

所述的主通道外壁设置缓冲溶液腔，所述缓冲溶液腔与所述离子选择性块相连并允许该离子选择性块内的离子进入所述缓冲溶液腔内，所述缓冲溶液腔接地设置。

所述主通道入口处处设置第一电极V₁，所述主通道出口处设置第二电极V₂，所述第一电极V₁与第二电极V₂连接可调节电极电势的电源，所述主通道入口处处的电势大于所述主通道出口处的电势。

所述主通道入口处还施加有流体压力P₁。

为完善上述方案，本发明进一步设置为：所述的主通道外壁还设置有缓冲溶液腔管套，所述缓冲溶液腔的腔体位于缓冲溶液腔管套内，所述缓冲溶液腔管套上设置有供溶液流入所述缓冲溶液腔的缓冲溶液入口，所述缓冲溶液腔管套上还设置有供溶液流出所述缓冲溶液腔缓冲溶液出口。

更进一步，所述缓冲溶液入口处施加流体压力P₃，所述缓冲溶液出口处施加流体压力值P₄，所述压力值P₃大于压力值P₄。

优选的，所述离子选择性块的阳离子选择性渗透膜的材料为聚氯乙烯。

优选的，所述微米通道的通道径长为1～100μm。

采用这样的结构以后：由于离子选择性块的离子选择性作用，使得只能阳离子通过，而阴离子和水分子不能通过。由于主通道两端电场的存在，使得阴离子不断远离离子选择性块区域，而阳离子则不断通过离子选择性块到达缓冲溶液腔内(由于缓冲溶液内部和膜之间有电势差，并且由膜指向缓冲溶液池内部)，随着主通道两侧电势差不断增大，此时在离子选择性块附近逐渐形成离子耗尽区。在离子耗尽区内，尤其是离子耗尽区的边缘，电场强度显著增强，对流体中的阴离子产生很大的向左的电场力，因此阴离子不断远离耗尽区，并且在耗尽区前富集。当耗尽区的离子浓度接近于0的时候，会在耗尽区内产生一个空间扩展电荷层，其内部的净电荷在耗尽区切向强电场的作用下，形成定向流动，即第二类电渗流。第二类电渗流和主通道入口处的压力值P₁是本装置的主要驱动力。

本发明的优点在于：只需要把微米通道的尺寸控制在几微米到一百微米之间，对于主通道的直径大小没有限制。每一个微米通道前都会有相应的泵作用，因此随着并行的个数增加，并不会影响系统的水流速度以及除盐率，在工业上的利用率也随之增加，可大规模应用。利用微流控技术实现对海水的高度淡化，不仅效率高，可行性大，并且并行方法简单不用消耗化学试剂，十分绿色环保，相较传统的方法而言是一种可靠性高的方法。

以下结合附图对本发明进行更进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明的装置立体视角的透视图；

图2为本发明的装置主视视角的透视图；

图3本发明的装置侧视视角的透视图；

图4本发明的装置剖视视角的工作原理图；

图5为本发明的微米通道排布示意图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的原件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

本发明所提到的方向和位置用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶部”、“底部”、“侧面”等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

不同于以往的单通道微流控装置或者直接将微通道并行的微流控装置，本发明通过在离子选择性块上打微米孔，实现并行效果。以下提供实施例1：

实施例1：

如图1、图2所示海水淡化装置包括主通道3和缓冲溶液腔4。主通道3为管道状圆柱形通道，有一个主通道入口1和一个主通道出口7。待淡化的海水原液从主通道入口1处通入主通道3，经淡化处理后，从通道出口7处流出淡水溶液并离开所述淡化装置。

主通道3中间位置设置有离子选择性块5，所述离子选择性块5为贴合主通道3内壁形状的圆柱状。离子选择性块5内沿所述主通道3轴线方向开设有若干并行的微米通道6，所述微米通道6的开设方向与水流流向相同，微米通道6的尺寸为微米级至一百微米级别，优选的为1～100μm。该微米通道6根据使用者需求进行排布。如图3、图5所示，其截面可排布为棋盘状、同心圆状、阿基米德螺旋线状。如排布为阿基米德螺旋线形状的微米通道，能够分散施加在离子选择性块5上的水压，保证离子选择性块5的使用寿命。

离子选择性块5由仅供阳离子通过的阳离子选择性渗透膜制成，该渗透膜只允许阳离子通过，不允许阴离子和水分子通过，并且膜材料的导电性良好，能够确保每个微米通道6周围电势值差异不大。

缓冲溶液腔4设置在主通道3外壁的外侧并包裹主通道3。如图3所示，缓冲溶液腔4的截面与主通道3的截面形成类同心圆形状。

缓冲溶液腔4外有缓冲溶液腔管套41包裹，所述缓冲溶液腔管套41上设置有供溶液流入缓冲溶液腔4的缓冲溶液入口2，缓冲溶液腔管套41上还设置有供溶液流出所述缓冲溶液腔4缓冲溶液出口8。缓冲溶液入口2处施加流体压力P₃，所述缓冲溶液出口8处施加流体压力值P₄，所述压力值P₃大于压力值P₄，促使缓冲溶液带着阳离子流向缓冲溶液出口8，将回收高浓度的阳离子溶液导出缓冲溶液腔4，保证系统稳定运行。

也即，主通道3和缓冲溶液腔4之间间隔着缓冲溶液腔管套41，缓冲溶液腔4与离子选择性块5之间相连并允许离子通过并，离子选择性块5内的离子能穿过二者间的管套进入所述缓冲溶液腔4内。

本装置是基于离子浓差极化效应的产物，为此，在主通道入口1和主通道出口7处分别设置第一电极V₁和第二电极V₂，第一电极V₁与第二电极V₂连接可调节电极电势的电源，使得通道入口处1处的电势大于所述主通道出口7处的电势。缓冲溶液腔4接地设置，主通道入口1处还施加有流体压力P₁。

实施例2：

一种如实施例1所述的并行海水淡化装置，区别点在于：主通道3外的缓冲溶液腔4截面形状不再要求是环状结构。该缓冲溶液腔4设置缓冲溶液入口2和缓冲溶液腔出口8，通过流动的缓冲溶液将阳离子溶液导出缓冲溶液腔4，即可以保证系统稳定运行。

此时，在主通道3的主通道入口1处插入第一电极V₁，其电势为Φ₁，在主通道3的主通道出口7处插入第二电极V₂，其电势为Φ₂，在此处，要求Φ₂<Φ₁，主通道3两端的电势差用于产生覆盖于主通道3方向的第一场强E₁。

将缓冲溶液腔4接地后有跨越阳离子选择性渗透膜的第二场强E₂，其场强方向由缓冲溶液腔4指向微米通道6内部，使得阳离子得以穿过选择性渗透膜到达缓冲溶液10中。另外，第一电极V₁、第二电极V₂均连接可调节电极电势的直流电源，由此可以通过改变Φ₁、Φ₂的大小来改变第一场强E₁和第二场强E₂的大小。

进一步设置是在通过主通道入口1处施加流体压力P₁(主通道出口7处压力值P₂设定为0)，通过调节P₁的大小来控制通道内部的压强，提高流体流动的速度，在主通道出口得到淡化溶液9；

在图1所示的装置中，由于离子选择性块5的离子选择性作用，使得只能阳离子通过，而阴离子和水分子不能通过，由于切向电场E₁的存在，使得阴离子不断远离离子选择性块5区域，而阳离子则不断通过离子选择性块5到达缓冲溶液腔4内，此时在离子选择性块5附近逐渐形成离子耗尽区。在离子耗尽区内，尤其是离子耗尽区的边缘，电场强度显著增强，对流体中的阴离子产生很大的向左的电场力，因此阴离子则在离子选择性块5前富集。当E₂逐渐增强时，离子选择性块的离子选择性效应更加显著，会在离子选择性块5附近产生扩展空间电荷层，其内所含的电荷量在E₁的作用下定向流动，形成第二类电渗流。第二类电渗流和主通道入口1处的压力值P1是本装置的主要驱动力。在此基础上，每一个微米通道6前都会有相应的泵作用，因此随着并行的个数增加，并不会影响系统的水流速度以及除盐率，在工业上的利用率也随之增加，可大规模应用。

本发明摒弃了以往传统的海水淡化能耗高、设备昂贵并且设备大的缺点，选择了基于离子浓差极化效应的并行海水淡化方法。由于传统的微通道尺寸较小，即流体的通量很小，因此系统的效率很低。在现有的应用离子浓差极化效应的海水淡化方法，并且提出了一种新的并行方式。我们通过在圆柱形的选择性渗透膜上打孔来实现并行，即用打满孔的圆柱形选择性渗透膜连接两个通道，来实现系统的并行，大大的提高了系统通道中流体的通量，在很大程度上提高了系统的效率。

该装置通过在用离子选择性膜制成的离子选择性块上打孔来实现并行，并且在孔的加工方面，孔的直径大小误差一般在要求在几微米到一百微米之间即可。这种直接在膜上打孔来并行的方法相较以往的并行模式也大大的简化了加工难度。在本次设计中主通道直径理论上没有限制，只需保证膜上打的孔的直径为在一百微米量级即可，因此这种简单有效的并行方式也大大增加了流体通量，增加了系统的效率。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置，其特征在于：所述海水淡化装置包括有主通道（3）和缓冲溶液腔（4），所述主通道（3）包括有主通道入口（1）和主通道出口（7），待淡化的海水溶液由所述主通道入口（1）进入该海水淡化装置，淡化后的淡水溶液由所述主通道出口（7）离开所述海水淡化装置；

所述主通道（3）内设置有离子选择性块（5），所述离子选择性块（5）由仅供阳离子通过的阳离子选择性渗透膜制成，所述离子选择性块（5）内部沿所述主通道（3）轴线方向开设有若干并行的微米通道（6），所述微米通道（6）截面排布为棋盘状、同心圆状或阿基米德螺旋线状；

所述的主通道（3）外壁设置缓冲溶液腔（4），所述缓冲溶液腔（4）与所述离子选择性块（5）相连并允许该离子选择性块（5）内的离子进入所述缓冲溶液腔（4）内，所述缓冲溶液腔（4）接地设置；

所述主通道入口（1）处设置第一电极V ₁，所述主通道出口（7）处设置第二电极V ₂，所述第一电极V1与第二电极V ₂连接可调节电极电势的电源，所述主通道入口（1）处的电势大于所述主通道出口（7）处的电势；

所述主通道入口（1）处还施加有流体压力P ₁；

所述的主通道（3）外壁还设置有缓冲溶液腔管套（41），所述缓冲溶液腔（4）的腔体位于缓冲溶液腔管套（41）内，所述缓冲溶液腔管套（41）上设置有供溶液流入所述缓冲溶液腔（4）的缓冲溶液入口（2），所述缓冲溶液腔管套（41）上还设置有供溶液流出所述缓冲溶液腔（4）缓冲溶液出口（8）。

2.根据权利要求1所述的一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置，其特征在于：所述缓冲溶液入口（2）处施加流体压力P ₃，所述缓冲溶液出口（8）处施加流体压力值P ₄，所述压力值P ₃大于压力值P ₄。

3.根据权利要求1中所述的一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置，其特征在于：所述离子选择性块（5）的阳离子选择性渗透膜的材料为聚氯乙烯。

4.根据权利要求1至3中任一所述的一种基于离子浓差极化效应的并行海水淡化装置，其特征在于：所述微米通道（6）的通道径长为1~100μm。

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