CN109987684B - 一种水中阴阳离子分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水中阴阳离子分离装置，其特征在于：包括分离流道；附集电场正极片；附集电场负极片；分离电场正极片；分离电场负极片；分离流道的出口设有N块与分离电场负极片平行间隔设置的分流隔板，从而将分离流道的出口分为N+1个分流子出口，N的取值为自然数；附集电场上施加的第一外部稳压电源为脉冲式稳压电压。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置附集电场使得阳离子都在附集电场的负极片附近，使得阳离子的初始条件一致，在分离电场的作用下，水中的不同离子会在电场的作用下进行迁移，通过设置分流隔板，使不同比荷的离子从不同的分流子出口流出，达到水中阴阳离子分离目的；该装置不会随着使用时间变长而使分离效率变低。
Description
技术领域
本发明涉及一种水中阴阳离子分离装置，用于对流经该装置中的水中的阴阳离子进行分离。
背景技术
目前净水机的水处理方式主要是依靠膜的形式进行处理，一种膜依靠过滤的方式把污染物截留，如PP棉、活性炭等，另一种膜是过滤后分流，如反渗透、超滤等，把一部分过滤后的水作为净化后的水排出，另外一部分就带着污染物作为废水排出。净水机一般都是通过分多级过滤来完成整个水净化的过程。目前市场上主要的核心过滤膜分为超滤、反渗透这两种膜。超滤膜可以保留水中的矿物质但不能过滤水中的重金属离子，反渗透膜可以过滤掉绝大部分的离子，但没有矿物质离子，变成了或接近纯净水。有部分在使用纳滤，保留一定矿物质离子，但又可以过滤掉大部分重金属离子。但无论是哪一种膜，均具有如下几个共同的特性：
1、过滤的效果是固定的，即膜的孔径决定了膜的过滤效果，而膜一旦成型，也就固定了过滤的孔径，不能适应不同的场合；
2、膜的过滤效果随着膜使用时间会长，效率变得低，孔径变小，随着使用时间加长，可能还会堵塞，最后还可能导致膜失效，需要更换膜；
3、膜是通过微孔过滤的，微孔会形成一定的水阻，孔径越小、水阻越大，一般而言，反渗透膜能过滤全部的离子，形成纯净水，孔径最小，因而水阻也最大，反渗透净水机一般都需要增压泵对进水口进行增压，才能保证一定的出水量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种无论使用时间长短都能保证使用效率的水中阴阳离子分离装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种水中阴阳离子分离装置，其特征在于：包括
分离流道，分离流道包括有入口和出口；
附集电场正极片，设置在分离流道内，靠近分离流道的入口，与第一外部稳压电源的正极电连接；
附集电场负极片，设置在分离流道内，靠近分离流道的入口，与第一外部稳压电源的负极电连接，并与附集电场正极片正对、且平行间隔设置，附集电场正极片和附集电场负极片之间的距离为d；
分离电场正极片，设置在分离流道内，靠近分离流道的出口，与附集电场负极片在同一直线上，与第二外部稳压电源的正极连接，且与附集电场负极片的后端部之间具有D间距，D大于0，可防止附集电场对离子分离电场的影响；
分离电场负极片，设置在分离流道内，靠近分离流道的出口，与附集电场正极片在同一直线上，与第二外部稳压电源的负极连接，且与附集电场正极片的后端部之间具有D间距，D大于0；
分离流道的出口设有N块与分离电场负极片平行间隔设置的分流隔板，从而将分离流道的出口分为N+1个分流子出口，N的取值为自然数；
第一外部稳压电源为脉冲式稳压电压。
为了有效附集和有效释放离子，所述第一外部稳压电源的脉冲式稳压电压中，加压时间小于不加压时间，即脉冲式稳压电压的占空比小于50％。
考虑到附集电场和分离电场的电压过大时，容易导致水的电解，为了不至于使水电解，所述第一外部稳压电源在加压时，正负极之间的电压小于等于2V；第二外部稳压电源正负极之间的电压小于等于2V。
作为优选，分离电场负极片长度与分离电场正极片长度相同，D与分离电场负极片长度相同。
N块分流隔板之间的距离可以相同，即N块分流隔板将分离流道的出口分为N+1个大小相同的分流子出口。
作为优选方案，所述N＝3，其中：
第一块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：其中K为小于1大于0的常数，U为第二外部稳压电源正负极之间的电压，l为分离电场正极片或分离电场负极片的长度，v为水流经分离流道的水流速度，d为分离电场正极片和分离电场负极片之间的距离；/>的范围为1/15～1/8；这样，钙离子、钠离子等比荷在0至1/15～1/8之间的金属阳离子就可以从第一块分流隔板与分离流道内壁之间形成的分流子出口流出；
第二块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：
的范围为1/28～1/20；这样，银离子、镉离子等比荷在1/15～1/8至1/28～1/20之间的金属阳离子就可以从第一块分流隔板与第二块分流隔板之间形成的分流子出口流出；
第三块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：
的范围为：1/45～1/40。钡离子、铅离子、汞离子等比荷在1/28～1/20至1/45～1/40之间的金属阳离子就可以从第二块分流隔板与第三块分流隔板之间形成的分流子出口流出。
作为另一种优选方案，所述N＝4，其中：
第一块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：
其中K为小于1大于0的常数，U为第二外部稳压电源正负极之间的电压，l为分离电场正极片或分离电场负极片的长度，v为水流经分离流道的水流速度，d为分离电场正极片和分离电场负极片之间的距离；/>的范围为1/15～1/8；
第二块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为1/28～1/20；
第三块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为：1/45～1/40；
第四块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为：1/60～1/58，这样不同比荷的阴离子也可以得到分离。
作为再一种优选方案，所述N＝2，其中：
第一块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：其中U为第二外部稳压电源正负极之间的电压，l为分离电场正极片或分离电场负极片的长度，v为水流经分离流道的水流速度，d为分离电场正极片和分离电场负极片之间的距离；的范围为1/15～1/8；
第二块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为1/45～1/40。
所述分离流道的入口设置在附集电场正极片前端部和附集电场负极片前端部之间或附集电场正极片前端部和附集电场负极片前端之间形成所述分离流道的入口；分离电场正极片后端部和分离电场负极片后端部之间形成所述分离流道的出口。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置附集电场和分离电场，在附集电场中，正离子附集在附集电场负极片附近，负离子附集在附集电场正极片附近；附集电场采用脉冲式电压，加电压时，进行离子附集，不加电压时(断电时)让附集在极片附近的离子释放后进入后续离子分离电场；相同的电场对不同的离子迁移能力是不同的，由于之前的附集电场的作用，使得阳离子都在附集电场的负极片附近，使得阳离子的初始条件一致，在分离电场的作用下，水中的不同离子会在分离电场的作用下进行迁移，负离子向分离电场的正极片运动，阳离子会向分离电场负极片运动，但由于不同离子具有不同的比荷，离子的偏移距离也不相同，通过出水口的分流隔板，对水进行分流，使不同比荷的离子从不同的分流子出口流出，达到水中阴阳离子分离目的；该装置不会随着使用时间变长而使分离效率变低。
附图说明
图1为本发明实施例一中水中阴阳离子分离装置的结构示意图。
图2为本发明实施例一中水中阴阳离子分离装置的结构示意图。
图3为本发明实施例一中水中阴阳离子分离装置的结构示意图。
图4为本发明实施例一中水中阴阳离子分离装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一
如图1所示的水中阴阳离子分离装置，其包括
分离流道1，分离流道包括有入口和出口；
附集电场正极片2，设置在分离流道内，靠近分离流道的入口，与第一外部稳压电源的正极电连接；
附集电场负极片3，设置在分离流道内，靠近分离流道的入口，与第一外部稳压电源的负极电连接，并与附集电场正极片正对、且平行间隔设置，附集电场正极片和附集电场负极片之间的距离为d；第一外部稳压电源为脉冲式稳压电压；
分离电场正极片4，设置在分离流道内，靠近分离流道的出口，与附集电场负极片在同一直线上，与第二外部稳压电源的正极连接，且与附集电场负极片的后端部之间具有D间距，D大于0；
分离电场负极片5，设置在分离流道内，靠近分离流道的出口，与附集电场正极片在同一直线上，与第二外部稳压电源的负极连接，且与附集电场正极片的后端部之间具有D间距，D大于0；
分离流道的出口设有N块与分离电场负极片5平行均匀间隔设置的分流隔板6，从而将分离流道的出口分为N+1个容量大小相同的分流子出口，N的取值为自然数，本实施例中N＝3，当然，N可以取自然数中的任意值。
水自分离流道的入口进入，在附集电场的作用下，水中的正离子附集在附集电场负极片附近，水中的负离子附集在附集电场正极片附近；附集电场采用脉冲式电压，加电压时，对水中的离子进行附集，不加电压时(断电时)让附集在附集电场正负极片附近的阴阳离子释放后进入后续离子的分离电场；只要附集电场的强度，脉冲时间，极片的间距，水流速度进行匹配，可以有效的的进行阴阳离子的分离附集，达到所有带电离子的初始位置一致(阳离子在负极片的附近)；由于不同的离子具有不同的电荷和不同的原子量，正常水中主要的阳离子大部分为钙(Ca2+\原子量为20)、镁(Mg2+\离子原子量为20)、钠(Na+\原子量为11)，还有其他一些微量的阳离子；但对于一些污染的水中，特别是重金属污染的水中，包含了大量的重金属离子，如铅(Pb2+\原子量为82)、汞(Hg2+\原子量为80)、银(Ag2+\原子量为47)、钡(Ba2+\原子量为56)、镉(Cd2+\原子量为48)等。不同的离子具有不同的比荷，如钙离子比荷为2/20,镉离子为2/48，铅离子为2/82，因此重金属离子的比荷相对比较小，特别是铅、汞等，而一般水中常见的阳离子如钙镁钠等比荷相对比较大。在相同的分离电场、相同初速度情况下，不同比荷的离子移动的距离关系与比荷比成比例关系，即移动的距离与q/m相关，相同电场下，比荷小的离子移动速度慢，只要确保比荷小的重金属正离子已附集在极片附近，就能保证比荷大的如钙镁离子也完全附集在正极片上，达到完全附集的效果；考虑有效附集和有效释放离子的因素，脉冲式电源附集的时间(加电压附集)<释放时间(不加电压)；考虑过高电压容易导致水的电解，因此优先考虑输入的附集电场电压和分离电场电压不能过大，一般应该低于2V以下。
相同的电场对不同的离子迁移能力是不同的，主要是根据不同的荷电比来决定，在相同均匀电场下，离子在水流的带动下进入分离电场，由于之前的附集电场的作用，使得阳离子都在附集电场负极片附近，使得阳离子的初始条件一致，在分离电场的作用下，水中的不同离子会在分离电场的作用下进行迁移，负离子向分离电场正极片运动，阳离子会向分离电场负极片运动，但由于不同的比荷，不同离子的偏移距离也不相同。水中钙镁离子在出水口附近时到达离子分离电场负极片附近，重金属离子由于比荷比较小，移动速度慢，因此重金属离子还处在了其他地方，通过出水口的分流槽，对水进行分流，从而可以对水中不同的阴阳离子进行分离。
为了防止附集电场对离子分离电场的影响，2个电场需要一定的距离，即分离电场正极片的前端不与附集电场负极片的后端部之间具有D间距，D大于0，分离电场负极片长度与分离电场正极片长度相同，D优选与分离电场负极片长度相同。
实施例二
与实施例一不同的是，三块分流隔板并非均匀间隔分布，参见图2所示，其中
第一块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：其中K为小于1大于0的常数，U为第二外部稳压电源正负极之间的电压，l为分离电场正极片或分离电场负极片的长度，v为水流经分离流道的水流速度，d为分离电场正极片和分离电场负极片之间的距离；/>的范围为1/15～1/8；这样，钙离子、钠离子等比荷在0至1/15～1/8之间的金属阳离子就可以从第一块分流隔板与分离流道内壁之间形成的分流子出口流出；
第二块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为1/28～1/20；这样，银离子、镉离子等比荷在1/15～1/8至1/28～1/20之间的金属阳离子就可以从第一块分流隔板与第二块分流隔板之间形成的分流子出口流出；
第三块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为：1/45～1/40。这样，钡离子、铅离子、汞离子等比荷在1/28～1/20至1/45～1/40之间的金属阳离子就可以从第二块分流隔板与第三块分流隔板之间形成的分流子出口流出。
该实施例可以对不同比荷的阳离子进行精确分离，同时对所有阴离子进行分离。
实施例三
与实施例二不同的是，分流隔板设有四块，参见图3所示，其中第一块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：其中K为小于1大于0的常数，U为第二外部稳压电源正负极之间的电压，l为分离电场正极片或分离电场负极片的长度，v为水流经分离流道的水流速度，d为分离电场正极片和分离电场负极片之间的距离；的范围为1/15～1/8；
第二块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为1/28～1/20；
第三块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为：1/45～1/40；
第四块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为：1/60～1/58，这样，就可以对不同比荷的阴离子进行分离。
该实施例可以对不同比荷的阴阳离子进行精确分离。
实施例四
与实施例二不同的是，分流隔板设有二块，参见图4所示，其中：
第一块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：其中K为小于1大于0的常数，U为第二外部稳压电源正负极之间的电压，l为分离电场正极片或分离电场负极片的长度，v为水流经分离流道的水流速度，d为分离电场正极片和分离电场负极片之间的距离；/>的范围为1/15～1/8；
第二块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：的范围为1/45～1/40。
该实施例可以对不同比荷的阳离子进行精确分离，同时对所有阴离子进行分离。
Claims (4)
1.一种水中阴阳离子分离装置，其特征在于：包括
分离流道，分离流道包括有入口和出口；
附集电场正极片，设置在分离流道内，靠近分离流道的入口，与第一外部稳压电源的正极电连接；
附集电场负极片，设置在分离流道内，靠近分离流道的入口，与第一外部稳压电源的负极电连接，并与附集电场正极片正对、且平行间隔设置，附集电场正极片和附集电场负极片之间的距离为d；
分离电场正极片，设置在分离流道内，靠近分离流道的出口，与附集电场负极片在同一直线上，与第二外部稳压电源的正极连接，且与附集电场负极片的后端部之间具有D间距，D大于0；
分离电场负极片，设置在分离流道内，靠近分离流道的出口，与附集电场正极片在同一直线上，与第二外部稳压电源的负极连接，且与附集电场正极片的后端部之间具有D间距，D大于0；分离电场负极片长度与分离电场正极片长度相同，D与分离电场负极片长度相同；
分离流道的出口设有N块与分离电场负极片平行间隔设置的分流隔板，从而将分离流道的出口分为N+1个分流子出口，N的取值为自然数；
第一外部稳压电源为脉冲式稳压电压；
其中N＝2或者N＝3或者N＝4；
当N＝3时，第一块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：其中K为小于1大于0的常数，U为第二外部稳压电源正负极之间的电压，l为分离电场正极片或分离电场负极片的长度，v为水流经分离流道的水流速度，d为分离电场正极片和分离电场负极片之间的距离；/>的范围为1/15～1/8；
第二块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为： 的范围为1/28～1/20；
第三块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为： 的范围为：1/45～1/40；
当N＝4时，第一块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：其中K为小于1大于0的常数，U为第二外部稳压电源正负极之间的电压，l为分离电场正极片或分离电场负极片的长度，v为水流经分离流道的水流速度，d为分离电场正极片和分离电场负极片之间的距离；/>的范围为1/15～1/8；
第二块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为： 的范围为1/28～1/20；
第三块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为： 的范围为：1/45～1/40；
第四块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为： 的范围为：1/60～1/58；
当N＝2时，第一块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为：其中K为小于1大于0的常数，U为第二外部稳压电源正负极之间的电压，l为分离电场正极片或分离电场负极片的长度，v为水流经分离流道的水流速度，d为分离电场正极片和分离电场负极片之间的距离；/>的范围为1/15～1/8；
第二块分流隔板与分离电场正极片之间的距离为： 的范围为1/45～1/40。
2.根据权利要求1所述的水中阴阳离子分离装置，其特征在于：所述第一外部稳压电源的脉冲式稳压电压中，加压时间小于不加压时间，即脉冲式稳压电压的占空比小于50％。
3.根据权利要求1所述的水中阴阳离子分离装置，其特征在于：所述第一外部稳压电源在加压时，正负极之间的电压小于等于2V；第二外部稳压电源正负极之间的电压小于等于2V。
4.根据权利要求1所述的水中阴阳离子分离装置，其特征在于：所述分离流道的入口设置在附集电场正极片前端部和附集电场负极片前端部之间或附集电场正极片前端部和附集电场负极片前端之间形成所述分离流道的入口；分离电场正极片后端部和分离电场负极片后端部之间形成所述分离流道的出口。
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