專(zhuān)利名稱(chēng)：一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電解質(zhì)溶液離子分離技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用選擇性透過(guò)荷電離子的陰、陽(yáng)離子交換膜和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電流體導(dǎo)體在磁感應(yīng)下的陰、陽(yáng)離子反向遷移技術(shù)的電磁感應(yīng)分離原理聯(lián)合進(jìn)行離子分離的裝置和運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于水溶液電解質(zhì)脫鹽技術(shù)而言，現(xiàn)有主要有兩種一種是將溶劑水從溶液中提取出來(lái)，如反滲透技術(shù)和熱法蒸餾技術(shù)。另一種是將溶質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，如電吸附，電滲析(ED)和連續(xù)電脫鹽技術(shù)(EDI)。反滲透技術(shù)隨著膜性能的提高和能量回收裝置的應(yīng)用，市場(chǎng)占有率又來(lái)越大；而熱法海水淡化技術(shù)如多級(jí)閃蒸(MSF)、多效蒸發(fā)(MED)、壓汽蒸餾(VC)已基于成熟。其他相關(guān)新技術(shù)也不斷開(kāi)發(fā)，如正滲透法(FO)，氣體水合物法、膜蒸餾、加濕-脫濕法等可以作為電解質(zhì)水溶液分離的參考技術(shù)，但存在能量消耗高，淡水回收 率低，工藝相對(duì)復(fù)雜等技術(shù)問(wèn)題。由于目前水基溶液脫鹽過(guò)程大都是將溶劑水從水基溶液中取出，剩下的高濃度溶液作為濃水排放；普遍存在低濃度電解質(zhì)回收率小于75%，對(duì)于更高濃度電解質(zhì)的離子分離技術(shù)，淡水回收率低于50%，如果想進(jìn)一步將濃溶液離子濃度提高，亦即提高淡水回收率，必須克服滲透壓升高、無(wú)機(jī)難溶沉淀物的結(jié)垢和沸點(diǎn)升高帶來(lái)的一系列問(wèn)題，滲透壓升高直接導(dǎo)致反滲透系統(tǒng)操作壓力提高，濃度升高導(dǎo)致結(jié)垢趨勢(shì)嚴(yán)重；沸點(diǎn)升高直接導(dǎo)致多級(jí)閃蒸級(jí)間或多效蒸發(fā)效間溫差增大，減少有效造水比和能量有效利用率；無(wú)機(jī)難溶沉淀物的結(jié)垢增大會(huì)降低淡水回收率和增加阻垢劑加入量，導(dǎo)致設(shè)備和運(yùn)行成本提高，經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性變差。電吸附分離分離技術(shù)屬于將陰、陽(yáng)離子從水基溶液中富集在電極上使通過(guò)的水基溶液中的離子減少得以淡化，富集在電極上的離子通過(guò)脫附形成濃水排放。但目前電吸附脫鹽主要關(guān)注電極板本身的物理特性，只有當(dāng)電極板具有較高的比表面時(shí)，即在通電和電解液存在情況下，電極表現(xiàn)出較大的吸附電容，從而達(dá)到吸附大量離子目的。但是，這些工藝對(duì)電極性能要求極高，否則吸附能力低，直接限制其應(yīng)用范圍。尋求可處理兼顧高、濃度電解質(zhì)溶液的離子分離技術(shù)，并有較高低濃度溶液回收率，能連續(xù)運(yùn)行并在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)保方面均滿(mǎn)意的水基溶液分離方法非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置和方法，根據(jù)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電流的右手定則，流動(dòng)的含有離子的電解質(zhì)溶液可以看作無(wú)數(shù)平行導(dǎo)體連續(xù)做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，因而產(chǎn)生電流，亦即陰、陽(yáng)離子向相反方向運(yùn)動(dòng)，由于主流體流動(dòng)有隔板隔離，主流體留過(guò)隔板后到達(dá)端面封頭后做反向運(yùn)動(dòng)，磁力線方向一樣，導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反，這樣隔板兩端的感應(yīng)電流方向相反，在分離裝置內(nèi)由于配合陰、陽(yáng)離子運(yùn)動(dòng)的分別有陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜，一方面起選擇通過(guò)離子的作用，另一方面起隔離兩種流體的作用，結(jié)果為相鄰隔板兩種方向相反流體中的陰、陽(yáng)離子偶合陽(yáng)、陰離子分別進(jìn)入兩個(gè)側(cè)面的濃流體中，在兩側(cè)濃溶液中完成電性中和，實(shí)現(xiàn)陰、陽(yáng)離子連續(xù)分離。本發(fā)明旨在提供一種具有可連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)回收率高，離子分離效率高，操作壓力低、溫度變化影響，耗電量小，濃溶液電解質(zhì)濃度只受電解質(zhì)溶解度限制，設(shè)備啟停方便的裝置和方法。具有其他膜法和熱法蒸餾淡化無(wú)法達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是提供一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，該裝置包括磁極一、磁極二組成的磁場(chǎng)，原溶液通道一兩側(cè)設(shè)有陰離子交換膜一和陽(yáng)離子交換膜一，原溶液通道二兩側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)有陽(yáng)離子交換膜二和陰離子交換膜二，流動(dòng)方向相反的原溶液通道一和原溶液通道二中間設(shè)有隔板，濃溶液通道一的一側(cè)對(duì)應(yīng)于陰離子交換膜一和陽(yáng)離子交換膜二，濃溶液通道二對(duì)應(yīng)于陽(yáng)離子交換膜一和陰離子交換膜
--O本發(fā)明同時(shí)還提供一種上述離子分離裝置的離子分離方法，該離子分離方法的過(guò)程是在磁場(chǎng)存在下，將流動(dòng)電解質(zhì)溶液的陰離子通過(guò)含有陰離子交換膜和陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離 子交換膜與相鄰?fù)ǖ赖碾娊赓|(zhì)溶液的陰離子通過(guò)含有陰離子交換膜和陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜在分別在兩側(cè)的高濃度溶液完成中和，實(shí)現(xiàn)連續(xù)離子分離。本發(fā)明的效果是磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，主流體在離子分離裝置內(nèi)依次進(jìn)行正向和反向運(yùn)動(dòng)，兩種流向流體的感應(yīng)電流方向相反，這樣同一側(cè)面遷移的荷電離子電性相反，由于陰、陽(yáng)離子交換膜的選擇透過(guò)性和流體隔離性，在兩個(gè)側(cè)面的每個(gè)流體中分別有正反向流體的陰、陽(yáng)離子和陽(yáng)、陰離子電性和當(dāng)量數(shù)中和，正反向流體中的離子遷移到側(cè)面濃液體中，主流體離子濃度變小，通過(guò)循環(huán)和磁場(chǎng)強(qiáng)度大小及流速可以控制離子分離效率。本發(fā)明不受沸點(diǎn)升高和滲透壓升高影響，只受水合離子數(shù)和飽和溶質(zhì)溶解度的影響。離子去除率可連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)整，兩側(cè)濃溶液與原溶液相比，離子濃縮倍數(shù)可達(dá)4倍以上。這是區(qū)別于現(xiàn)有去離子技術(shù)的一個(gè)方面；另一方面，其處理成本能量消耗低。本發(fā)明的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)離子直接從溶液中分離，而非將溶劑提取后剩下濃溶液，與電滲析、連續(xù)電脫鹽不同，無(wú)電極存在實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)離子連續(xù)分離，系統(tǒng)無(wú)氧化還原反應(yīng)發(fā)生；也與電吸附不同，無(wú)需脫附。


圖I為本發(fā)明磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置示意圖；圖2為圖I離子分離室結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2離子分離室A-A和B-B剖面離子交換膜布置圖；圖4為主流體流動(dòng)示意圖；圖5為兩側(cè)濃溶液流動(dòng)示意圖；圖6為二維離子遷移示意圖；圖7為三維離子遷移示意圖。圖中I-磁極一 2-磁極二 3-陰離子交換膜一 4-陽(yáng)離子交換膜一 5-濃溶液通道
一6-原溶液通道一 7-隔板8-原溶液通道二 9-陽(yáng)離子交換膜二 10-陰離子交換膜
二11-濃溶液通道二
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置和方法詳細(xì)加以說(shuō)明。本發(fā)明的原理運(yùn)動(dòng)的液體流體導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就是陰、陽(yáng)離子相向運(yùn)動(dòng)，由于有離子交換膜的隔離作用和離子選擇性透過(guò)作用，加上主流體的正反向運(yùn)動(dòng)，最終在兩個(gè)側(cè)面完成陰、陽(yáng)離子中和，這樣實(shí)現(xiàn)主流體溶解性離子連續(xù)被去除。如圖I 圖7所示，本發(fā)明的一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，該裝置包括磁極一 I、磁極二 2組成的磁場(chǎng)，原溶液通道一 6兩側(cè)設(shè)有陰離子交換膜一 3和陽(yáng)離子交換膜一 9，原溶液通道二 8兩側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)有陽(yáng)離子交換膜二 4和陰離子交換膜二 10，流動(dòng)方向相反的原溶液通道一 6和原溶液通道二 8中間設(shè)有隔板7，濃溶液通道一 5 —側(cè)對(duì)應(yīng)于陰離子交換膜一 3和陽(yáng)離子交換膜二 4，濃溶液通道二 11對(duì)應(yīng)于陽(yáng)離子交換膜一 9和陰離子交換膜二 10。
主流體正向和反向流動(dòng)均為切割磁力線運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)濃流體流動(dòng)與磁力線平行。所述同一通道的陰、陽(yáng)離子分別被轉(zhuǎn)移進(jìn)兩側(cè)的濃液流中，而反向流動(dòng)通道的對(duì)應(yīng)的相反電性荷電離子被轉(zhuǎn)移進(jìn)對(duì)應(yīng)側(cè)的濃液流中。利用上述磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置的離子分離過(guò)程是該離子分離方法的過(guò)程是在磁場(chǎng)存在下，將流動(dòng)電解質(zhì)溶液的陰離子通過(guò)含有陰離子交換膜和陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜，而相鄰?fù)ǖ赖碾娊赓|(zhì)溶液的陰離子通過(guò)含有陰離子交換膜和陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜，最后，分別在兩側(cè)的高濃度溶液完成中和，實(shí)現(xiàn)連續(xù)離子分離。實(shí)施例I本發(fā)明的一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，包括釹鐵硼磁鐵磁極一 I、釹鐵硼磁鐵磁極二 2組成的磁場(chǎng)，原溶液通道一 6兩側(cè)設(shè)有陰離子交換膜一 3和陽(yáng)離子交換膜一 9，原溶液通道二 8兩側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)有陽(yáng)離子交換膜二 4和陰離子交換膜二 10，流動(dòng)方向相反的原溶液通道一 6和原溶液通道二 8中間設(shè)有隔板7，濃溶液通道一 5 —側(cè)對(duì)應(yīng)于陰離子交換膜一 3和陽(yáng)離子交換膜二 4，濃溶液通道二 11對(duì)應(yīng)于陽(yáng)離子交換膜一 9和陰離子交換膜二 10。其中，陰離子交換膜是聚乙烯異相陰離子交換膜，陽(yáng)離子交換膜為聚乙烯異相陽(yáng)離子交換膜。主流體做反向切割磁力線運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)濃溶液運(yùn)動(dòng)則平行與磁力線，主流體中的離子持續(xù)轉(zhuǎn)移到濃溶液中。實(shí)施例2本發(fā)明的一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，包括離子分離室外圈電磁線圈感應(yīng)磁場(chǎng)，原溶液通道一 6兩側(cè)設(shè)有陰離子交換膜一 3和陽(yáng)離子交換膜一 9，原溶液通道二 8兩側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)有陽(yáng)離子交換膜二 4和陰離子交換膜二 10，流動(dòng)方向相反的原溶液通道一 6和原溶液通道二 8中間設(shè)有隔板7，濃溶液通道一 5 —側(cè)對(duì)應(yīng)于陰離子交換膜一 3和陽(yáng)離子交換膜二 4，濃溶液通道二 11對(duì)應(yīng)于陽(yáng)離子交換膜一 9和陰離子交換膜二 10。其中，陰離子交換膜是聚乙烯異相陰離子交換膜，陽(yáng)離子交換膜為聚乙烯異相陽(yáng)離子交換膜。主流體做反向切割磁力線運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)濃溶液運(yùn)動(dòng)則平行與磁力線，主流體中的離子持續(xù)轉(zhuǎn)移到濃溶液中。實(shí)施例3一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離方法，將含有導(dǎo)電離子的電解質(zhì)水溶液以一定速度依次正反向通過(guò)配有永磁磁場(chǎng)中，原溶液通道一 6兩側(cè)設(shè)有陰離子交換膜一 3和陽(yáng)離子交換膜一 9，原溶液通道二 8兩側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)有陽(yáng)離子交換膜二 4和陰離子交換膜二 10，流動(dòng)方向相反的原溶液通道一 6和原溶液通道二 8中間設(shè)有隔板7，濃溶液通道一 5 —側(cè)對(duì)應(yīng)于陰離子交換膜一 3和陽(yáng)離子交換膜二 4，濃溶液通道二 11對(duì)應(yīng)于陽(yáng)離子交換膜一 9和陰離子交換膜二 10。其中，陰離子交換膜是聚乙烯異相陰離子交換膜，陽(yáng)離子交換膜為聚乙烯異相陽(yáng)離子交換膜。離子去除過(guò)程在O. 3MPa壓力下，將60000mg/L的氯化鈉水溶液送入主流體通道，兩側(cè)濃液流體積為主流體體積的1/3，主體溶液做完全閉路循環(huán)流動(dòng),5分鐘后，主流體含鹽量降為500mg/L。實(shí)施例4一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離方法，將含有導(dǎo)電離子的電解質(zhì)水溶液以一定速度依次正反向通過(guò)配有線圈感應(yīng)磁場(chǎng)中，原溶液通道一 6兩側(cè)設(shè)有陰離子交換膜一3和陽(yáng)離子交換膜一 9，原溶液通道二 8兩側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)有陽(yáng)離子交換膜二 4和陰離子交換膜二 10，流動(dòng)方向相反的原溶液通道一 6和原溶液通道二 8中間設(shè)有隔板7，濃溶液通道一 5 —側(cè)對(duì)應(yīng)于陰離子交換膜一 3和陽(yáng)離子交換膜二 4，濃溶液通道二 11對(duì)應(yīng)于陽(yáng)離子交換膜一9和陰離子交換膜二 10。其中，陰離子交換膜是聚乙烯異相陰離子交換膜，陽(yáng)離子交換膜為聚乙烯異相陽(yáng)離子交換膜。離子去除過(guò)程在O. 2MPa壓力下，將30000mg/L的氯化鈉水溶液送入主流體通道，兩側(cè)濃液流體積為主流體體積的1/5，主體溶液有3/4體積流量循環(huán)流動(dòng)，7分鐘后，主流體含鹽量降為200mg/L。本實(shí)施例具有所述的離子分離效率高，工藝簡(jiǎn)單，能量消耗低等優(yōu)點(diǎn)和積極效果。
權(quán)利要求
1.一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是該裝置包括磁極一(I)、磁極二(2)組成的磁場(chǎng)，原溶液通道一(6)兩側(cè)設(shè)有陰離子交換膜一(3)和陽(yáng)離子交換膜一(9)，原溶液通道二(8)兩側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)有陽(yáng)離子交換膜二(4)和陰離子交換膜二(10)，流動(dòng)方向相反的原溶液通道一(6)和原溶液通道二(8)中間設(shè)有隔板(7)，濃溶液通道一(5) —側(cè)對(duì)應(yīng)于陰離子交換膜一(3)和陽(yáng)離子交換膜二(4)，濃溶液通道二(11)對(duì)應(yīng)于陽(yáng)離子交換膜一(9)和陰離子交換膜二(10)。
2.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是磁場(chǎng)可以是永磁場(chǎng)，也可以是線圈感應(yīng)磁場(chǎng)。
3.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是主流體流向切割磁力線。
4.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是主流體可以多次依次正向、反向做切割磁力線運(yùn)動(dòng)。
5.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是兩側(cè)濃溶液流動(dòng)與磁力線平行。
6.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是主流體可以部分或全部循環(huán)流動(dòng)。
7.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是在每個(gè)主流體通道中陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜在兩側(cè)布置。
8.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是相鄰的兩個(gè)相反方向的的同一側(cè)依次放相反電性的離子交換膜。
9.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是將離子從電解質(zhì)溶液向側(cè)面的通道的液流中轉(zhuǎn)移的離子轉(zhuǎn)移裝置相對(duì)方向轉(zhuǎn)移相反電性的荷電離子。
10.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是所述同一通道的陰、陽(yáng)離子分別被轉(zhuǎn)移進(jìn)兩側(cè)的濃液流中，而反向流動(dòng)通道的對(duì)應(yīng)的相反電性荷 電離子被轉(zhuǎn)移進(jìn)對(duì)應(yīng)側(cè)的濃液流中。
11.按照權(quán)利要求I所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置，其特征是可以用于電解質(zhì)溶液主流體離子去除，也可用于電解質(zhì)溶液主流體離子濃縮。
12.一種根據(jù)權(quán)利I要求的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離方法，其特征是該離子分離方法的過(guò)程是在磁場(chǎng)存在下，將流動(dòng)電解質(zhì)溶液的陰離子通過(guò)含有陰離子交換膜和陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜，而相鄰?fù)ǖ赖碾娊赓|(zhì)溶液的陰離子通過(guò)含有陰離子交換膜和陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜。最后分別在兩側(cè)的高濃度溶液完成中和，實(shí)現(xiàn)連續(xù)離子分離。
13.按照權(quán)利要求12的方法，所述方法包括流動(dòng)液體導(dǎo)體在磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)陰、陽(yáng)離子反向遷移的步驟。
14.按照權(quán)利要求12的方法，所述方法包括提供既適于轉(zhuǎn)移陰離子又適于轉(zhuǎn)移陽(yáng)離子< 的裝置的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離方法，其特征是所述方法包括陽(yáng)離子和陰離子在高濃度溶液側(cè)完成電性中和的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離裝置和方法，所述裝置包括磁場(chǎng)，陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜、主流體流動(dòng)隔板、正反向主流體通道和側(cè)面濃溶液通道，可實(shí)現(xiàn)陰、陽(yáng)離子連續(xù)分離。同時(shí)提供磁場(chǎng)與離子交換膜組成的離子分離方法，該離子分離方法的過(guò)程是在磁場(chǎng)存在下，將流動(dòng)電解質(zhì)溶液的陰離子通過(guò)含有陰離子交換膜和陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜，而相鄰?fù)ǖ赖碾娊赓|(zhì)溶液的陽(yáng)離子通過(guò)含有陽(yáng)離子交換膜和陰離子通過(guò)陰離子交換膜，最后，分別在兩側(cè)的高濃度溶液完成電性中和。本發(fā)明適用于海水淡化、含電解質(zhì)溶液溶質(zhì)和溶劑分離。可連續(xù)運(yùn)行無(wú)須再生和脫附操作，具有原位使電解質(zhì)溶液離子分離、工藝簡(jiǎn)單、離子分離效率高、可無(wú)級(jí)提高水溶液電解質(zhì)淡水回收率。
文檔編號(hào)C02F9/12GK102863113SQ201210382278
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者蘇潤(rùn)西 申請(qǐng)人:蘇潤(rùn)西