電磁海水淡化實驗系統(tǒng)設計

溫曉婉　張輝　田禾

摘要：該文探討了電磁海水淡化系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，通過研究電磁場對水性質影響的機理，設計了電磁海水淡化實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過調試和試驗取得了良好效果，基本達到設計的實驗要求。

關鍵詞：電磁場 海水淡化 實驗系統(tǒng)

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0070-02

水是社會可持續(xù)發(fā)展的制約因素。隨著人口激增和經(jīng)濟的發(fā)展，需水量迅速增長，水資源短缺問題變得尤為突出[1]。為了滿足淡水需求，人們將目光投向了就近進行海水或苦咸水的淡化研究。近年來國家采取了一系列政策和措施，海水利用已被先后列入了《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法》《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》以及《國務院關于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》等國家重要中長期規(guī)劃和文件中[2]。

隨著研究的深入，人們提出了電磁海水淡化這一新技術并取得了一些令人振奮的成果。2008年How Yong Ng[3]在反滲透海水淡化裝置上加了電磁場，對減小反滲透膜污染的作用非常明顯。2009年D. Ghernaout研究了在電凝法基礎上增加鋁電極電磁場并批量去除腐蝕酸的方法[4]。2010年芬蘭的Ritu D. Ambashta介紹了一些磁學和磁性材料的研究成果[5]。2012年Jong-Oh Kim提出了使用脈沖電場來減小反滲透裝置的結垢和膜污染現(xiàn)象的方法[6]。在我國，2006年，陳建秋設計了電磁海水淡化器的基本結構并進行初步建模計算[7]。2006年程樹康提出了基于旋轉耦合電磁理論的海水淡化器[8]。2009年郭斌對旋轉電磁效應對海水結構和動力學性質的影響機制進行了研究[9]。2012年郭斌使用分子動力學對電磁場下NaCl溶液的淡化效果進行了模擬[10]。2012年程樹康研制出了適用于反滲透的電磁加熱裝置[11]。

1 電磁海水淡化技術機理

1.1 電場的影響

在系統(tǒng)中放置極性相反的的一對電極，形成電場。在電場作用下，海水中離子或帶電粒子受到電場力作用而朝極性相反的電極遷移，最終被電極表面與海水交界處存在的雙電層所吸附，從而海水被淡化。電極界面雙電層的電荷量可由式（1）計算[12]：

（1）

式中：AS為電極表面積；ε為介電常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為海水溫度；C0為離子在海水中的平均數(shù)密度；Z為離子電荷數(shù)；e為基本電荷；φ0為表面電勢。

由式（1）可知，溫度、電極電勢以及海水濃度都會對電極界面雙電層電荷量造成影響。因此，在實驗系統(tǒng)設計中，要考慮這這三個參數(shù)對淡化效果的影響。

1.2 電磁場的影響

有關電磁場對水性質的影響機理的理論很多，但大多還是處于假說和論證階段，還沒有一個理論得到廣泛的認同。

活化極性理論認為水分子通過高頻電磁場時受到電磁力的作用而極化，從而增加了水的活性，無法形成水垢。氫鍵彎曲理論認為水在電磁場作用下會發(fā)生定向極化，使得氫鍵彎曲和局部斷裂，無法結垢[13]。洛倫茲模型觀點得出的結論是水分子以一定的速度通過磁場時，產(chǎn)生了分子電偶極矩，使水的締合狀態(tài)增強。 無論哪種理論，最后的結論都是經(jīng)過電磁場處理后，水物理活性增加，可以有效防止結垢。

適用于25℃電解質水溶液活度系數(shù)的計算公式為[14]：

（2）

式中為溶液的離子強度；c是物質的量濃度，單位為mol/L；A為與溶劑的溫度和介電常數(shù)有關的常數(shù)；β、 C、 D、L為經(jīng)驗常數(shù)。

由公式（2）可見，海水活度系數(shù)和溶劑溫度、溶劑濃度及海水成分有關。

2 電磁海水淡化系統(tǒng)設計

根據(jù)電磁場對水作用的機理，設計電磁海水淡化系統(tǒng)。海水在陰、陽電極之間流動時受到電場和磁場的共同作用，水中帶電粒子將分別向帶相反電荷的電極遷移，被該電極吸附。水中的溶解鹽類、膠體顆粒及其它帶電物質滯留在電極表面，使溶液本體中的離子濃度降低。海水經(jīng)過一段時間的淡化處理后，通過出水口排出，循環(huán)一段時間后就得到了淡化水。待電極飽和之后，通入原水將吸附在電極上的離子沖去，通過濃鹽水出口排出。

該系統(tǒng)分為電磁海水淡化部分和控制部分，電磁海水淡化部分如圖1所示，包括儲水罐、進水罐、加熱罐、電吸附槽等裝置。磁場部分由電吸附槽下面的電磁繼電器產(chǎn)生，電磁繼電器上通過電場，電流和電壓發(fā)生改變時磁場強度也相應發(fā)生改變。電場反向時，磁場的方向也發(fā)生反向。進水罐上安裝有水位繼電器，繼電器與進水泵相連。當水位低于水位繼電器時，水泵工作，向水罐注水。當水位到達繼電器位置，水泵停止工作，不再進水。不銹鋼罐為加熱罐，海水進入電吸附槽前先進入加熱罐加熱。加熱罐內(nèi)有電熱繼電器控制水溫。電吸附槽上有多個凹槽，可以根據(jù)實驗要求安裝不同組數(shù)的電極。電極上加有電場，電場的大小由可變電阻的滑動來控制。

控制系統(tǒng)部分包括電源、漏電保護、磁場控制、電場控制、水泵開關等裝置。通過各種開關來控制該控制系統(tǒng)的啟動與停止；磁場和電場旋轉控制按鈕則通過控制電壓和電流來控制磁場力和電場力的大小和方向；為了有效防止漏電短路的問題，系統(tǒng)安裝了兩級電源保護裝置。

通過分析電磁場對水的性質的影響，設計了電磁海水淡化實驗系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。目前該電磁海水淡化實驗系統(tǒng)已經(jīng)制造完成，通過調試，系統(tǒng)運行良好，滿足實驗要求。

參考文獻

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