CN114853103B - 基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置，热利用效率高、运行稳定。本发明的盐溶液水分离装置，包括与分离池(1)、原水池(2)和浓水池(3)，还包括光阳极(4)、对电极(5)、单刀双掷开关(6)及负载(7)；光阳极(4)包括光电转化层(41)和光阳极主体(42)，光阳极竖直段(421)浸入盐溶液中，光阳极水平段(422)紧贴于光电转化层(41)之下，置于盐溶液液面之上；对电极竖直段(511)浸入盐溶液中，对电极水平段(512)置于盐溶液液面之上；光阳极竖直段(421)与对电极竖直段(511)平行；单刀双掷开关(6)及负载(7)与光电转化层(41)和对电极水平段(512)电连接。

Description

基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置

技术领域

本发明属于盐溶液浓缩技术领域，具体涉及一种基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置。

背景技术

随着能源与环境问题的日益严峻，节能减排受到了高度关注。能源创新在实现节能减排中扮演着关键角色，能量利用效率的提高和可再生能源的发展有利于缓解当前能源与环境的压力。海水淡化、除湿溶液再生和工业废水处理等领域都涉及盐溶液与水的分离，如海水淡化领域需要从海水中分离水，分离水后海水变成浓溶液；除湿溶液再生领域需要将吸收水蒸气后变稀的除湿溶液浓缩，稀溶液分离水后变成浓溶液。该过程需要消耗大量的能源。为了实现节能减排的目标，盐溶液与水的高效分离至关重要。

目前，热分离和膜分离是最常见的盐溶液与水分离方法。膜分离方法一般需要消耗高品位的电能，热分离方法则可以利用可再生能源和低品位废热，因此热分离方法受到了更多的关注。对于热分离方法，由于在发生相变之前提高整体水温需要大量热量，传统热分离方法的热利用效率较低。值得注意的是，通过相变被分离的水仅占全部盐溶液的一小部分，而传统热分离方法将全部盐溶液进行加热，导致相当一部分能量被浪费在加热大部分不参与相变的盐溶液。通过针对性地加热释放水蒸气的盐溶液，可以显著提高热分离方法的热利用效率。

局部加热方法通过针对性地加热参与相变的盐溶液，减少了对主体溶液的加热，可以提高盐溶液与水分离的热利用效率。

目前，基于局部加热的盐溶液水分离装置如中国发明专利申请“一种基于表面局部加热的液体蒸发方法”（申请号：CN201510198891.0 公开日：2015-07-22）所述，包括浮动式热源，该热源位于液体的表面，采用表面局部加热的方式将液体表面加热到沸点，不需要将所有液体加热到沸点，实现液体的蒸发。

然而，由于盐溶液具有导热性，热源在加热液体表面时一部分热量会从液体表面传递到主体液体，这部分热损失会影响盐溶液与水分离的热利用效率。此外，为了使蒸汽快速的脱离液面，浮动式热源的表面呈网状或多孔状结构，盐溶液在浮动式热源表面发生相变产生的盐结晶会堵塞多孔结构，影响装置的稳定运行。

总之，现有技术存在的问题是：基于局部加热的盐溶液水分离装置热利用效率低、运行不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置，热利用效率高、运行稳定。

实现本发明目的的技术方案为：

一种基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置，包括与分离池盐水入口相通的原水池和与分离池浓水出口相通的浓水池，还包括光阳极、对电极、单刀双掷开关及负载；所述光阳极包括光电转化层和光阳极主体，光阳极主体为“Г”形，所述光阳极主体的光阳极竖直段浸入盐溶液中，光阳极水平段紧贴于光电转化层之下，置于盐溶液液面之上；所述对电极包括呈“Г”形的对电极主体，所述对电极主体的对电极竖直段浸入盐溶液中，对电极水平段置于盐溶液液面之上；所述光阳极竖直段与对电极竖直段平行，两者间设有间隙；所述光电转化层与单刀双掷开关的动端电连接，对电极水平段与单刀双掷开关的第一不动端电连接，对电极水平段还通过负载与单刀双掷开关的第二不动端电连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、热利用效率高：“Г”形结构的电极主体通过毛细作用将参与相变的盐溶液从主体溶液输送到热源处，针对性地加热释放水蒸气的盐溶液，同时，相变发生处与主体溶液之间的隔热层有效地减少了局部加热区域和主体溶液之间的热传导，热损失的减少显著提高了盐溶液与水分离的热利用效率。

2、运行稳定：带电的电极会排斥盐溶液中相同电性的离子，阻碍相同电性的离子通过毛细作用输送到局部加热区域，抑制局部加热区域产生盐结晶而堵塞多孔结构的情况，有利于装置的长期稳定运行。

3、可再生能源驱动：光充电时，光电转化层将光能转化为电能和热能，具有光热转化特性的电极主体将光能转化为热能，电能使电极带电，热能用于加热溶液以分离盐溶液与水，该装置完全由太阳能驱动，实现了节能减排。

4、储存电能：光充电时，光阳极和对电极分别带正电和负电，电极对相近而不接触的竖直段之间形成电场，溶液中离子受电场影响移动到相反电性的电极表面形成双电层，实现电能的储存。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置的结构示意图。

图2是图1所示盐溶液水分离装置光充电时的工作原理图。

图3是图1所示盐溶液水分离装置暗放电时的工作原理图。

图中，1 分离池，11 分离池盐水入口，12 分离池浓水出口；2 原水池，21 原水池盐水出口；3 浓水池，31 浓水池浓水入口；4 光阳极，41光电转化层，42 光阳极主体，421光阳极竖直段，422 光阳极水平段，43 光阳极隔热层；5 对电极，51 对电极主体，511 对电极竖直段，512 对电极水平段，52 对电极隔热层；6 单刀双掷开关；7 负载。

实施方式

如图1所示，本发明基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置，包括与分离池1盐水入口11相通的原水池2和与分离池1浓水出口12相通的浓水池3。所述分离池1盐水入口11与原水池2盐水出口21相连，分离池浓水出口12与浓水池3浓水入口31相连。

还包括光阳极4、对电极5、单刀双掷开关6及负载7；

所述光阳极4包括光电转化层41和光阳极主体42，光阳极主体42为“Г”形，所述光阳极主体42的光阳极竖直段421浸入盐溶液中，光阳极水平段422紧贴于光电转化层41之下，置于盐溶液液面之上；

所述对电极5包括呈“Г”形的对电极主体51，所述对电极主体51的对电极竖直段511浸入盐溶液中，对电极水平段512置于盐溶液液面之上；

所述光阳极竖直段421与对电极竖直段511平行，两者间设有间隙；

所述光电转化层41与单刀双掷开关6的动端电连接，对电极水平段512与单刀双掷开关6的第一不动端电连接，对电极水平段512还通过负载7与单刀双掷开关6的第二不动端电连接。

待处理的盐水从原水池2盐水出口21经分离池1盐水入口11流入分离池1，通过本发明基于同性离子排斥的局部加热式水分离，盐溶液与空气之间存在热质交换，空气的流动形式可为强制对流、自然对流等。将盐水中的部分水分离出去，浓溶液从分离池1的浓水出口12经浓水池3浓水入口31进入浓水池3，完成一个盐溶液水分离过程。

本发明的核心思想在于：

通过带电的局部加热结构针对性地加热释放水蒸气的溶液而不产生盐结晶，保证装置稳定运行的同时实现能量的高效利用。光充电时，部分太阳能基于半导体的光生伏特效应转化为电能，并储存于电极与溶液界面的双电层中；其余转化为热能的太阳能被通过毛细作用输送到局部加热区域的盐溶液利用，释放水蒸气到空气中。暗放电时，电子从对电极返回光阳极产生电流供负载使用，同时电极表面吸附的离子逐渐解吸到溶液中得到浓溶液。

本发明工作原理如下：

光充电时，如图2所示，通过控制单刀双掷开关6，单刀双掷开关6的动端与第一不动端电连通，使光电转化层41与对电极主体51直接电连接。光阳极4接收太阳辐射形成电子-空穴对。受空间电荷电场的影响，电子和空穴被分离并分别向N区和P区移动，N区的电子通过外部电路到达对电极主体51，带负电的对电极主体51吸附溶液中的阳离子形成双电层实现电能的储存。P区的空穴扩散到光阳极主体42中，带正电的光阳极主体42吸附溶液中的阴离子形成双电层实现电能的储存。光阳极4接收的部分太阳辐射转化为热能；对电极5接收的太阳辐射转化为热能；盐溶液通过毛细作用输送到光阳极4和对电极5的水平段，被转化为热能的太阳能加热，进而将水蒸气释放到空气中。

暗放电时，如图3所示，通过控制单刀双掷开关6，单刀双掷开关6的动端与第二不动端电连通，使光电转化层41通过负载7与对电极主体51电连接。对电极5中储存的电子通过外部电路返回光阳极4形成电流供负载使用，同时光阳极4和对电极5表面吸附的离子逐渐脱附到溶液中得到浓溶液。

作为改进，所述光阳极4还包括光阳极隔热层43；

所述光阳极隔热层43置于光阳极水平段422与盐溶液液面之间。

所述隔热层43由泡沫塑料、空气等隔热材料制成。

作为进一步改进，所述对电极5还包括对电极隔热层52；

所述对电极隔热层52置于对电极水平段512与盐溶液液面之间。

所述隔热层52由泡沫塑料、空气等隔热材料制成。

隔热层的存在减小了局部加热区域与主体溶液之间的热传导，热损失的减少进一步提高了热利用效率。

优选地，所述光电转化层41由亲水性多孔的光电材料制成。

作为一种实施例，所述光电转化层41由半导体材料制成。

当太阳光照射到半导体表面时，基于半导体P-N结的光生伏特效应，一部分光能转化为电能。此外，由于只有能量高于禁带宽度的光子才能转化为电能，大部分光能转化为热能。多孔且亲水的光电转化层41可以通过毛细作用实现溶液在电极中的输送。

优选地，所述光阳极主体42由亲水性多孔、具有光热转化特性的电极材料制成。

作为一种实施例，所述光阳极主体42由碳基材料制成。

由于光阳极主体42与光电转化层41接触，光生空穴会扩散到导电性良好的电极材料中。多孔的电极材料为离子吸附提供了大量的吸附位点，显著提高了装置的储电容量。具有光热转化特性的光阳极主体42将未被光电转化层41吸收的光能转化为热能用于盐溶液与水的分离。多孔且亲水的光阳极主体42可以通过毛细作用实现溶液在电极中的输送。

优选地，所述对电极主体51由亲水性多孔、具有光热转化特性的电极材料制成。

作为一种实施例，所述对电极主体51由碳基材料制成。

光生电子通过外部电路到达导电性良好的电极材料中。多孔的电极材料为离子吸附提供了大量的吸附位点，显著提高了装置的储电容量。具有光热转化特性的对电极主体51将接收的太阳辐射转化为热能用于盐溶液与水的分离。多孔且亲水的对电极主体51可以通过毛细作用实现溶液在电极中的输送。

本发明基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置，在光充电时，光电转化层和电极主体将部分太阳能转化为热能，“Г”形结构的电极主体将参与相变的溶液通过毛细作用输送到热源处，形成了局部加热区域，避免加热不参与相变的溶液，提高了热利用效率。此外，隔热层的存在减小了局部加热区域与主体溶液之间的热传导，热损失的减少进一步提高了热利用效率。

光充电时，光电转化层将部分太阳能转化为电能，光生空穴和光生电子分别转移到光阳极主体和对电极主体中，带电的电极主体排斥相同电性的离子，阻碍相同电性的离子通过毛细作用输送到局部加热区域，抑制局部加热区域产生盐结晶而堵塞多孔结构的情况，有利于实现装置的长期稳定运行。

光电转化层将太阳能转化为电能和热能，光阳极主体和对电极主体将太阳能转化为热能，电能和热能共同作用实现盐溶液与水的分离，该装置完全由作为可再生能源的太阳能驱动，实现了节能减排。

光充电时，光阳极主体和对电极主体分别带正电和负电，相近而不接触的位置关系在电极间形成较强的电场，盐溶液中离子在电场的影响下移动到相反电性的电极表面形成双电层，实现电能的储存。

上述实施例仅用来说明本发明的技术方案，而不是对本发明具体实施方式的限制，凡在本发明的精神和原则内所做的等同替换、改进等，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于同性离子排斥的局部加热式盐溶液水分离装置，包括与分离池（1）盐水入口（11）相通的原水池（2）和与分离池（1）浓水出口（12）相通的浓水池（3），其特征在于：

还包括光阳极（4）、对电极（5）、单刀双掷开关（6）及负载（7）；

所述光阳极（4）包括光电转化层（41）和光阳极主体（42），光阳极主体（42）为“Г”形，所述光阳极主体（42）的光阳极竖直段（421）浸入盐溶液中，光阳极水平段（422）紧贴于光电转化层（41）之下，置于盐溶液液面之上；

所述对电极（5）包括呈“Г”形的对电极主体（51），所述对电极主体（51）的对电极竖直段（511）浸入盐溶液中，对电极水平段（512）置于盐溶液液面之上；

所述光阳极竖直段（421）与对电极竖直段（511）平行，两者间设有间隙；

所述光电转化层（41）与单刀双掷开关（6）的动端电连接，对电极水平段（512）与单刀双掷开关（6）的第一不动端电连接，对电极水平段（512）还通过负载（7）与单刀双掷开关（6）的第二不动端电连接。

2.根据权利要求1所述的盐溶液水分离装置，其特征在于：

所述光阳极（4）还包括光阳极隔热层（43）；

所述光阳极隔热层（43）置于光阳极水平段（422）与盐溶液液面之间。

3.根据权利要求1所述的盐溶液水分离装置，其特征在于：

所述对电极（5）还包括对电极隔热层（52）；

所述对电极隔热层（52）置于对电极水平段（512）与盐溶液液面之间。

4.根据权利要求1所述的盐溶液水分离装置，其特征在于：

所述光电转化层（41）由亲水性多孔的光电材料制成。

5.根据权利要求4所述的盐溶液水分离装置，其特征在于：

所述光电转化层（41）由半导体材料制成。

6.根据权利要求1所述的盐溶液水分离装置，其特征在于：

所述光阳极主体（42）由亲水性多孔、具有光热转化特性的电极材料制成。

7.根据权利要求6所述的盐溶液水分离装置，其特征在于：

所述光阳极主体（42）由碳基材料制成。

8.根据权利要求1所述的盐溶液水分离装置，其特征在于：

所述对电极主体（51）由亲水性多孔、具有光热转化特性的电极材料制成。

9.根据权利要求8所述的盐溶液水分离装置，其特征在于：

所述对电极主体（51）由碳基材料制成。