涉及形成双极性层的水纯化方法和装置

摘要

本发明涉及水处理方法和装置，其中，将含有溶解物质的给水输送至至少一个处理表面。在所述处理表面附近建立电场，由于水分子的双极性从而导致形成水化层。然后从所述水化层中抽取水。可以通过渗透，或者通过将其上存在所述水化层水的元件从所述给水中移出，随后从所述元件上抽取脱水层水，从而实现上述抽取。在从海水中提取饮用水时，本发明的方法用来降低能量消耗。

说明书

技术领域

本发明涉及用于水纯化处理的方法和装置。在通过淡化海水来提供饮用水的处理中，为了减少能源消耗而做出了本发明。

背景技术

在世界上许多地方，满足饮用水需求的惟一办法是海水淡化，而没有其他可行的水源。然而不幸的是，已知的淡化技术消耗大量能源，加剧了世界能源消耗问题。

已知有两种主要的淡化技术。第一种为蒸馏，其中将供给的盐水加热形成蒸汽，然后冷凝提供具有所需水质的水。通常，每使用100加仑的海水，将制得15～50加仑的淡水，残余的盐水废液比原始的海水含有较多的溶解固体。这些废盐水被排回到大海中。

在淡化中使用的另一种主要技术是反渗透，其中将进入的海水供应至半透膜的一侧并施以高压。盐分子不能穿过所述膜，但水可以，因此来自于海水的在所述膜的另一侧的水是可以使用的产品。

不言而喻，蒸馏作为一种淡化技术，其能源消耗大，而使反渗透技术发挥作用所要求的压力也是如此之高，使得该技术也具有高的能源消耗。因此，本发明的一个目的是提供一种能源消耗更低的水纯化(例如淡化)方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，我们提供了一种水处理方法，以便由含有溶解物质的给水提供相对纯化的水。所述方法包括：建立电场，导致在所述给水中形成水分子的水化层，以及从所述水化层中抽取水。

优选的是，所述方法包括：将所述给水供应至至少一个处理表面；在所述表面附近建立电场，导致形成水化层；以及从所述表面附近抽取所述水化层。

本发明还提供水处理装置，以便由含有溶解物质的给水提供相对纯化的水。所述装置包括：在所述给水中建立电场导致在其中形成水化层的单元，和从所述水化层中抽取水的单元。

可以存在的单元有：将所述给水输送至至少一个处理表面的单元；在所述处理表面附近建立电场的单元；以及从所述表面附近抽取水化层水的单元。

本发明利用了以下原理，即，当在例如邻近带有电荷的表面，水分子受到电场作用时，水分子根据所述电场对其自身进行取向排列，并且作为极性分子的水分子间的氢键网络结构发生变化。围绕带电粒子形成水化壳，其中包括取向的水分子薄层。以分子计的所述层的厚度取决于电荷量级。在所述水化层中，水分子将其他分子和离子排斥在外。因此，虽然所述水化层很薄，仅仅具有数个分子的厚度(所述厚度取决于所述表面处的电场强度)，但在所述水化层中的水基本上为纯水，可以将其抽取进行使用，而与所述水化层不存在时相比，在所述抽取中所消耗的能源要低得多。虽然建立电场会消耗一些能源，但总体效果是能源消耗减少。

在所述处理表面或其附近建立了电场的所述处理表面或表面可包括半透膜，通过向所述给水施压来形成透过所述膜的所述水化层水的渗透流，从而从其附近的所述水化层中抽取水。

然后，在所述膜的另一侧，来自所述给水并穿过所述膜的水基本上被纯化，例如被淡化。

当通过渗透从所述水化壳抽取水时，形成这种渗透所需的压力显著小于通过反渗透进行传统淡化所需的压力。因此，在所述淡化过程中，可以大大降低所需的能源消耗。

可以通过向所述处理表面或者与所述表面相邻的电极上施加电荷，从而在所述处理表面建立电场。可以以方波信号施加所述电荷，所述方波信号包括被(零信号)间隔隔开的方形脉冲。

在所述表面附近采用如此波形建立电场的优势在于，在所述脉冲期间能快速施加所述电场，并形成所述水化层(需要短而有限的时间)。在脉冲之间的间隔期间，所述水化层得以释放并能在压力下穿过所述膜。

作为通过使所述水化层穿过所述膜而对其进行抽取的替代性方案，可以以如下方式抽取水，即，在相对于所述给水可移动的元件上提供所述至少一个处理表面，将带有所述水化层水的所述元件的至少一部分从所述给水中抽出至一定位置，在所述位置可以将所述水化层水从所述元件上移去。

所述元件可以是可旋转的，并具有浸入在所述给水中的外周部分和延伸至所述给水上方的部分，因此通过所述元件的旋转，所述水化层水能被提升到所述给水上方的位置，在所述位置可以从所述元件上抽取所述水化层水。

这样的可旋转元件可以具有一个表面，所述表面能被充电而在其上形成水化层，并能被放电以释放所述水化层水。它可以为中空辊形式，在位于所述给水中的位置具有内部充电电极从而对其表面进行充电，在高于所述给水水平的位置上具有放电电极，在该高于所述给水水平的位置抽取其表面上的所述水化层水。

在另一实施方式中，所述处理表面可由位于所述给水中的数个不连续的可移动元件形成，所述可移动元件可以带着所述水化层水而被移出，随后从所述元件上移除所述水化层水。

这些元件的材料为，当所述元件放入所述给水中和从中取出时，可分别对其施加电荷和从中除去电荷。它们也可具有磁性，因而可以通过磁性移除元件将其从所述给水中移出。

附图说明

下面将参考附图，通过举例的方式对本发明进行描述。

图1是实施本发明方法的装置的第一实施方式的透视图。

图2概略地描述了实施本发明方法的第二装置。

图3概略地描述了实施本发明的装置的第三实施方式。

图4是穿过图3的装置中所用元件的横截面。

具体实施方式

首先参考附图中的图1，这显示了本发明的装置的第一实施方式。它包括中空圆柱外壳10，端盖11、12分别通过栓结法兰压密接头13、14与所述外壳10相连。所述端盖11、12分别具有导管15、16，导管15、16中的一个用于使给水进入所述处理装置，另一个用于使给水流出。在所述外壳10的末端配备有管板17、18，在这两个管板之间延伸放置有许多管状处理元件20，在该管状处理元件20的内表面和外表面之间装有能进行反渗透的半透膜。通常在所述外壳10的中部区域具有出水管21，出水管21与环绕所述管子20的位于管板17、18之间的空间相通。在每一根管子20中，紧贴其内表面放置有螺旋线圈电极22。

在使用中，给水例如海水通过管子15、16中的一根引入并流过所述管状元件20，并从管子15、16中的另一根排出。在电极22上施加方波电压，所述方波电压包括其间具有间隔的方形脉冲。在这些脉冲期间，在所述元件20的内表面附近的所述电极上形成水化层。在所述方波脉冲之间的间隔，纯净的水化层水被释放并能穿过所述元件20的膜。在所述给水中保持充分的压力，以有效地进行所述水化层水的这种渗透运输。在穿过所述元件20的膜之后，所述经纯化的水化层水通过管子21排出。从所述装置中排出的给水显然比引入所述装置的给水具有更高的盐水浓度。

在一个可能的替代性方案中，可以通过为所述管状元件20的内表面配备多孔性导电层而取代所述电极22，从而在所述元件20的内表面形成水化层，而不是象具有所述螺旋电极22的情况那样，在紧贴所述元件20的内表面的附近形成水化层。可由导电开孔型发泡材料来提供多孔性导电层，这种多孔性导电层具有可供形成水化层的尽可能大的表面积。

现在参考附图中的图2，这是实施本发明的一个替代性装置，其中显示了在盛有待处理的给水(例如海水)的容器31中的中空圆柱形处理元件30。所述元件30可以以箭头33的方向，围绕其在32处所指示的中心纵轴旋转，并且应当注意，所述元件30的表面的34所指的部分伸出所述容器31中的给水的正常水平35之上。

在所述元件30内放置有充电电极36和放电电极37，所述元件30的材料使其能由电极36充电并保持由位于其外表面上的电荷所形成的电场，直至由所述电极37放电。事实上，所述电极36、37与所述元件30的表面相连而构成电容器，在所述元件30的表面上建立电场。

在邻近所述放电电极37处，淡水出水导管38与所述元件30的外表面相接触。

在使用中，随着所述元件30按箭头33的方向旋转，在其上由充电电极36形成的电荷导致在其外表面形成纯水的水化层40，所述元件30的旋转使得该水层被携带到所述给水表面35上方，并到达所述放电电极37附近。当所述元件上的电场被所述放电电极37衰减至零时，所述水化层水被释放而流入所述淡水导管38，并被输送到任何所需要的地方。

现在参考附图中的图3和图4，这些图显示了盛有给水(例如海水)的容器(例如管道)50。所述装置使用了大量如图4所示的处理元件，每一个所述处理元件包含能被磁化还能被充电以保持电场的铁素体核心51。所述核心51覆盖有导电材料52，从而使所述元件具有充分的浮力漂浮在给水上。这样的元件如果充上负电荷，将被水的水化层53所包围。

图3显示了配置在所述容器50底部的进料螺杆55，它将如图4所示的元件连续运送至可旋转的充电电极56，所述充电电极56的圆周的四分之三被磁化。所述元件被所述电极收集并充上电荷，并随着所述电极56的旋转，其磁场被切断，而带电的所述元件被释放到盐水中。所述元件漂向所述容器50的顶部并被收集辊57收集，所述收集辊57的构造类似于所述充电电极。放电电极58从所述元件上消除电场，释放纯水使之流入水出口导管59，而所述处理元件在60处被输送至所述进料螺杆55。

在本说明书和权利要求中使用的措辞“包括”和“含有”及其变化形式是指包括所言明的特征、步骤或整体。这些措辞不应当被解释为将其他特征、步骤或部件排除在外。

本说明书、权利要求书或附图中所公开的特征以其具体形式进行表述，或者采用执行所公开的功能的装置进行表述，或者采用获得所公开的结果的方法或过程进行表述，适当时，可以将这些特征单独地或者以任意组合用于实现本发明的多种形式。