CN111099704B - 基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，其主要可分为三个模块：阳极室、除盐室和阴极室。其中本装置的并行体现在两个方面，第一，除盐室腔内以离子选择性膜为材料的微米孔的并行；第二，除盐室的并行。为了完整地描述本装置，我们也增加了阴极室和阳极室，详细地描述了整个装置中阴阳离子的去向以及系统电中性的保持。整个装置可以长时间的稳定操作，三个单元执行不同的功能:阳极室负责中和系统内多余的阴离子，阴极室负责中和系统内多余的阳离子，除盐室则通过阳离子选择性膜的选择透过性，实现海水淡化的功效。该装置提供了一种完整全面的海水淡化并行方法，可以灵活地应用到各种规模的海水淡化产业中。

Description

基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置

技术领域

本发明属于海水淡化设备领域，具体是指一种基于离子浓差极化效应的海水淡化的并行装置。

背景技术

随着人口的增长和经济的发展，世界范围内的水资源短缺问题日益严峻。由于海水资源约占据了水资源总量的97％，因此将海水淡化为淡水是解决水资源短缺的主要手段之一。现有的海水淡化技术主要分为两种：膜法和蒸馏法，其中膜法主要分为电渗析法和反渗透法，蒸馏法可以分为多效闪蒸法和多效蒸馏技术。反渗透技术是当今最为主流的海水淡化技术，占据了市场份额的60％左右。但其面临着浓度越高反渗透压越大、膜污染等问题。

近年来，由于独特的优势，基于离子浓差极化效应的海水淡化技术开始兴起。由于微流控设备的规模限制，提高设备的产量是一大难题。因此有必要对此进一步改进。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，该并行装置基于微流控技术实现对海水的高效淡化，克服现有技术膜污染、设备体积较大、产量少等问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是包括有阳极室、阴极室、以及多个并行设置于阳极室和阴极室之间的除盐单元；

所述的阳极室的内腔两侧设置有电解液阳极入口和电解液阳极出口；

在阴极室的内腔两侧设置有电解液阴极入口和电解液阴极出口，阳离子选择性膜，

所述的除盐单元包括有淡化腔室、浓缩室和淡水腔室，淡化腔室上设置有海水溶液入口和阳离子选择性膜I，在阳离子选择性膜I上轴向开设有多道并排的微米孔，该微米孔的外端与淡水腔室相通，该阳离子选择性膜I的周缘外侧通过该阳离子选择性膜I与浓缩室连通；浓缩室上两侧设置有缓冲溶液出口；

在海水溶液进入到淡化腔室内后，由于阳离子选择性膜I的选择透过性，阳离子经由阳离子选择性膜I进入到浓缩室，而经淡化后的海水溶液则通过微米孔进入到淡水腔室，淡水腔室的外端还连接用于将淡水引出的淡水溶液出口；

在浓缩室与邻接的除盐单元的淡水腔室之间设置了微滤膜；

所述阳极室的内腔与邻接的除盐单元的淡化腔室之间设置有阴离子选择性膜，该阴离子选择性膜只允许阴离子选择性透过，不能透过阳离子和水分子；

所述阴极室的内腔与邻接的除盐单元的浓缩室之间设置有阳离子选择性膜II，该阳离子选择性膜II只允许阳离子选择性透过，不能透过阳离子和水分子；

在阳极室内部插入第一电极(V₁)，其电势为Φ₁，在阴极室内插入第二电极(V₂)，其电势为Φ₂，Φ₁＞Φ₂，第一电极(V₁)和第二电极(V₂)的电势差用于产生覆盖于整个阳极室、阴极室和多个并行的除盐单元的第一场强(E₁)。

进一步设置是所述的除盐单元的阳离子选择性膜I的后端连接固定有支撑板。

进一步设置是所述的阳极室、阴极室中通入的电解液均为Na₂SO₄溶液。

进一步设置是通过在阳极室的电解液阳极入口施加流体压力P₁，以及在电解液阳极出口处施加压力P₂，实现电解液的阳极室的流入和流出，将阳极室内过酸的电解液有效地排出。

进一步设置是通过在阴极室的电解液阴极入口施加压力P₆，以及在电解液阴极出口处施加压力P₇，实现电解液的流入和流出，将阴极室内过碱的电解液有效地排出；

进一步设置是通过在淡化腔室内的海水溶液入口处施加压力P₃，保证海水溶液的充分有效供给，通过在淡水腔室的淡水出口施加压力P₅，使得淡水溶液快速流出；通过在浓缩室内两侧缓冲溶液出口处的流体压力值P₄，，实现缓冲溶液的快速稳定流出，将高浓度缓冲溶液导出浓缩室。

进一步设置是所述的微米孔的孔径为1-100μm。

进一步设置是第一电极(V₁)和第二电极(V₂)均连接可调节电极电势的直流电源，通过改变Φ₁和Φ₂的大小来改变第一场强(E₁)的大小，从而系统的电场强度可以有效地得到控制。

本发明的创新机理和有益效果是：

采用这样的结构以后：在除盐单元内的淡化腔室和浓缩室是相连的，中间有着微滤膜，维持水流的稳定流动。具体来说，在淡化腔室内，海水溶液从海水溶液入口进入到淡化腔室，在向右的切向电场作用下，一部分Na⁺离子从阳离子选择性膜I内进入到浓缩室内，剩下的Na⁺则留在淡化腔室内，与Cl^-离子中和，在淡化腔室内多余的Cl^-离子与上一个邻接的除盐单元的浓缩室内的Na⁺离子中和，其中通过阳离子选择性膜I内的Na⁺离子数量与上一个淡化腔室内多余的Cl^-数量是相同的。在靠近电解液的除盐单元，多余的Cl^-则需要通过阳极室内的电解液来中和。在阳极室内的阴离子选择性膜可以通过Cl^-离子，而H⁺不可以通过，这样保证了除盐室内不会因为水分解而产生的H⁺影响除盐室的pH值。在阴极腔室内，与之相连的是浓缩室。通过上一个除盐单元的淡化腔室的阳离子选择性膜I进入到浓缩室内的Na⁺离子则通过阴极室内的阳离子选择性膜进入到阴极腔室内，与OH^-以及SO₄ ^2-相中和。此处阳离子选择性膜的设定，也避免了OH^-和SO₄2-进入到除盐单元内，影响其pH值。其中在除盐单元内，淡水室则收集从并行微米孔中到达下游的淡水溶液。

本发明的优点在于：首先，系统的并行方式有两种，除盐单元内淡化腔室、浓缩室和淡水腔室所组成的单元可以有效地提高设备的产量，可以大规模应用。不同于以往的海水淡化设备，由于系统内只有一种极性的离子可以通过离子选择性膜到达缓冲溶液中，另一种极性的离子则会留在系统内，因此长时间运作的情况下，系统内往往会出现pH值的转变(电极腔室水分解产生H⁺，OH^-)。而在本系统内，在淡化室内，多余的阴离子可以和上一个单元的阳离子相中和，靠近电极的淡化腔室和浓缩室则相应地有缓冲溶液进行中和，使得系统能够有效地运行。本系统并行方法简单并且规模大小能够主动控制，相对传统方法而言是一种可靠性高的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1本发明工作原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

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。

如图1所示，为本发明实施例中，如图1展示了系统的二维布局图。本发明系统主要由三部分组成：阳极室1、阴极室14和除盐室18。所述的除盐室18由多个并行的除盐单元整体构成。

该装置基本完整地描述了海水淡化系统的物理机制。阳极室1腔内在上下分别设置了电解液阳极入口20和电解液阳极出口2。在阳极室1腔内还附有阴离子选择性膜3，该材料只允许阴离子选择性透过，不能透过阳离子和水分子，主要防止H⁺的泄露。本实施例在阴极室14的腔内在上下分别设置了电解液阴极入口15和电解液阴极出口13。本实施例所述的电解液优选为Na₂SO₄。此外，在阴极室腔内14则附有阳离子选择性膜II 16，该材料只允许阳离子选择性透过，不能透过阳离子和水分子，主要防止OH^-离子进入到除盐室18。所述的除盐腔室18，图中展示了4个完整的并行的除盐单元，每一个除盐单元主要有三个部分组成：淡化腔室7、浓缩室5、淡水腔室9。淡化腔室内设置了海水溶液入口6、阳离子选择性膜11，在阳离子选择性膜11上设置有孔径为1-100μm的微米孔，在海水溶液进入到淡化腔室7内后，由于阳离子选择性膜I11的选择透过性，阳离子经由阳离子选择性膜I11进入到浓缩室5，而经淡化后的海水溶液则进入到淡水腔室9。浓缩室5内通入缓冲溶液，缓冲溶液优选与电解液一致，缓冲溶液经缓冲溶液入口4进入到浓缩室5，由缓冲溶液出口19排出浓缩室5外。在浓缩室5和淡水腔室9之间设置了微滤膜17，缓解两侧因浓度不同导致的压力不均等，使得系统水流失稳。在阳离子选择性膜I11后，设置了支撑板10，使得阳离子选择性膜11在水流速度较快时，足够稳固，提高离子选择性膜的寿命。

本实施例在阳极室1内部插入第一电极V₁，其电势为Φ₁，在阴极室14内插入第二电极V₂，第一电极V₁与第二电极V₂连接可调节电极电势的电源。第一电极V₁和第二电极V₂的电势差用于产生覆盖于整个阳极室1、阴极室14和除盐室18的第一场强E₁。在电解液阳极入口20和电解液阳极出口2分别设置了压力P₁，P₂，在海水溶液入口6设置了压力P₃，在缓冲溶液入口4和缓冲溶液出口19分别设置了压力P₄，P₅，以及在淡水溶液出口设置了压力P₆。通过调节压力值，来操控系统的各个腔室内的流体流速。

对于本发明系统内部，离子如何有效地中和也得到了有效解决。在淡化腔室7内，一部分Na⁺离子从阳离子选择性膜内进入到浓缩室内，剩下的Na⁺则留在淡化腔室内，与Cl^-离子中和，在淡化腔室内多余的Cl^-离子与上一个浓缩室内的Na⁺离子中和，其中进入到离子选择性膜内的Na⁺离子数量与淡化腔室内多余的Cl^-数量是相同的。在靠近电解液的除盐单元，多余的Cl^-则需要通过阳极室内的电解液来中和。该种方式使得本系统的大部分离子能够自行进行内部中和，少数进入到电极腔室内进入中和，使得系统能够得到稳定有效地运行。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤组合为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。还应当注意，根据本发明的两个或更多装置的特征和功能可以在一个装置中具体化。反之，上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步划分为由多个装置来具体化。

Claims (8)

1.一种基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，其特征在于：包括有阳极室、阴极室、以及多个并行设置于阳极室和阴极室之间的除盐单元；

所述的阳极室腔内在上下分别设置了电解液阳极入口和电解液阳极出口；阳极室腔内附有阴离子选择性膜；

所述的阴极室腔内在上下分别设置了电解液阴极入口和电解液阴极出口；阴极室腔内附有阳离子选择性膜II；所述的除盐单元包括有淡化腔室、浓缩室和淡水腔室，淡化腔室上设置有海水溶液入口和阳离子选择性膜I，在阳离子选择性膜I上轴向开设有多道并排的微米孔，该微米孔的外端与淡水腔室相通，该阳离子选择性膜I的周缘外侧通过该阳离子选择性膜I与浓缩室连通；浓缩室上设置有缓冲溶液出口；

在海水溶液进入到淡化腔室内后，由于阳离子选择性膜I的选择透过性，阳离子经由阳离子选择性膜I进入到浓缩室，而经淡化后的淡水溶液则通过微米孔进入到淡水腔室，淡水腔室的外端还连接用于将淡水引出的淡水溶液出口；

在浓缩室与邻接的除盐单元的淡化腔室之间设置了微滤膜；所述阳极室的内腔与邻接的除盐单元的淡化腔室之间设置有阴离子选择性膜，该阴离子选择性膜只允许阴离子选择性透过，不能透过阳离子和水分子；

所述阴极室的内腔与邻接的除盐单元的浓缩室之间设置有阳离子选择性膜II，该阳离子选择性膜II只允许阳离子选择性透过，不能透过阴离子和水分子；

在阳极室内部插入第一电极(V ₁)，其电势为Φ ₁，在阴极室内插入第二电极(V ₂)，其电势为Φ ₂，Φ ₁＞Φ ₂，第一电极(V ₁)和第二电极(V ₂)的电势差用于产生覆盖于整个阳极室、阴极室和多个并行的除盐单元的第一场强(E₁)。

2.根据权利要求1所述的一种基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，其特征在于：所述的除盐单元的阳离子选择性膜I的后端连接固定有支撑板。

3.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，其特征在于：所述的阳极室、阴极室中通入的电解液均为Na₂SO₄溶液。

4.根据权利要求1所述的一种基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，其特征在于：通过在阳极室的电解液阳极入口施加流体压力P ₂，以及在电解液阳极出口处施加压力P ₁，实现电解液的阳极室的流入和流出，将阳极室内过酸的电解液有效地排出。

5.根据权利要求1所述的一种基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，其特征在于：通过在阴极室的电解液阴极入口施加压力P ₆，以及在电解液阴极出口处施加压力P ₇，实现电解液的流入和流出，将阴极室内过碱的电解液有效地排出。

6.根据权利要求1所述的一种基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，其特征在于：通过在淡化腔室内的海水溶液入口处施加压力P ₃，保证海水溶液的充分有效供给，通过在淡水腔室的淡水溶液出口施加压力P ₅，使得淡水溶液快速流出；通过在浓缩室内的缓冲溶液出口处的流体压力值P ₄，实现缓冲溶液的快速稳定流出，将高浓度缓冲溶液导出浓缩室。

7.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，其特征在于：所述的微米孔的孔径为1-100μm。

8.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，其特征在于：第一电极(V ₁)和第二电极(V ₂)均连接可调节电极电势的直流电源，通过改变Φ ₁和Φ ₂的大小来改变第一场强(E₁)的大小。

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