一種兼具降污功能的電磁場耦合脫鹽裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及海水淡化及生活污水處理領域，具體是指一種兼具降污功能的電磁場耦合脫鹽方法及裝置。
【背景技術】
[0002]淡水資源缺乏是21世紀的焦點問題之一。據(jù)統(tǒng)計，地球上的水資源總量巨大，約
13.8億立方公里，但其中97.5%是海水(13.45億立方公里)，淡水僅占2.5 %，這其中絕大部分又為極地冰雪冰川和地下水，真正被人類享用的只有0.01%。中國雖然淡水資源排名世界第六位，但水資源在空間和時間上的分布不均勻?qū)е轮袊司Y源排名世界第119位，全國更是有110個城市嚴重缺水，在此嚴峻現(xiàn)狀下，發(fā)展海水淡化技術產(chǎn)業(yè)解決水源稀缺的問題迫在眉睫。
[0003]傳統(tǒng)的的海水淡化技術有蒸餾法、冷凍法、電滲析法、膜法等。蒸餾法比較原始，通過加熱海水，使水經(jīng)過汽化再冷凝的方式與鹽脫離。但蒸餾設備存在造價高，高溫高壓條件下配件易損壞，耗能量巨大等問題。冷凍法是從結冰海水里分離出鹽分從而得到海水的辦法。但冷凍海水過程也是耗能巨大，且分離得到的海水質(zhì)量差。電滲析法和膜法是兩種海水淡化的新方向，電滲析法雖然解決了能耗大、添加化學劑多、操作繁等問題，但海水淡化室中添加的化學劑殘留使出水不能用作飲用水；而膜法又存在膜成本高，重復利用性差等缺點。
[0004]專利CN201510130271.3公開了一種海水淡化系統(tǒng)及海水淡化方法，通過海水中的雜質(zhì)粒子在電場的作用下發(fā)生離子濃差極化現(xiàn)象，然后海水在外界壓力的作用下，雜質(zhì)粒子和淡水達成分離。但該系統(tǒng)配件復雜需要多道工序組成，且該系統(tǒng)只適用于少量的海水淡化，擴大化過程中能耗也會加大，應用前景較小。而專利CN201210289714.X發(fā)明涉及一種海水淡化裝置，包括空氣增濕塔和空氣脫濕塔，空氣增濕塔和空氣脫濕塔的上部相互連通，該海水淡化的裝置利用熱力發(fā)電廠的余熱制造淡水，使海水淡化的成本降低，但由于這一特征使海水淡化大大受到了地域限制。
[0005]與此同時，隨著城市化進程的加快，生活污水排放量急劇增加。目前，生活污水的處理旨在去除其中的C0D，而研究表明C0D是一種劣質(zhì)能源，存在潛在的利用價值。另一方面，利用磁場濃縮和純化水是一項具有潛在應用前景的技術。
[0006]因此，如何將多種方向的水處理及多個生物物理技術耦合以達到節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)的目的是有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種兼具降污功能的電磁場耦合脫鹽裝置及方法，能夠在處理生活污水的同時利用裝置自己產(chǎn)生的電場耦合磁場脫去海水中的鹽分。
[0008]—種兼具降污功能的電磁場耦合脫鹽裝置，包括反應器，所述反應器內(nèi)依次分隔為陽極室、中間室和陰極室；
[0009]所述陽極室?guī)в猩钗鬯M口和生活污水出口，內(nèi)置陽極電極；所述中間室?guī)в泻ＫM口和淡水出口 ；所述陰極室?guī)в兴嵝詮U水進口和酸性廢水出口，內(nèi)置陰極電極；
[0010]所述陰極電極與陽極電極之間通過導線連接；
[0011]所述反應器外還設有為陽極室內(nèi)提供水平磁場的弱磁鐵及為中間室內(nèi)提供垂直磁場的強磁鐵。
[0012]所述反應器內(nèi)沿長度方向依次為陽極室、中間室和陰極室，陽極室與中間室之間由陰離子膜隔開，中間室與陰極室之間由陽離子膜隔開，陰極電極與陽極電極之間由導線連接并連接蓄電池，處理污水時產(chǎn)生的電能可抵消一部分外部供電電能，在低能耗甚至無能耗的基礎上達到既處理生活污水，又脫除海水中鹽分的目的，同時光催化陰極在自然光的催化下能夠還原酸性廢水中的H+，陽極電子得以導出，不產(chǎn)生二次污染。
[0013]本發(fā)明在陽極室和陰極室中間增加第三室，形成三室體系，陽極附著于碳刷電極上的微生物降解生活污水中的C0D并產(chǎn)生額外電子，而陽極較弱水平磁場的存在能極大程度提高陽極生物膜的性能，由導線導向陰極形成回路，產(chǎn)生的電能收集于蓄電池用于補充裝置進水所需電量，同時中間室的陰陽離子在裝置內(nèi)部自產(chǎn)的電場耦合外加磁場強化作用下，陰離子轉(zhuǎn)向陽極室，陽離子轉(zhuǎn)向陰極室，從而實現(xiàn)了脫鹽。陰極采用光催化硅材料，在自然光條件下不需陰極消耗物或外加電勢即可還原酸性廢水中的H+，大大節(jié)約成本。更具意義的是，該過程能耗小，且處理了生活污水，無額外污染物排放，是一種環(huán)境友好型的脫鹽設計。
[0014]優(yōu)選地，所述陽極電極的材料為碳基材料。如石墨極板，碳刷，碳氈。進一步優(yōu)選為碳刷，造價低廉，比表面積大，具有良好導電性能，利于電子導出，且抗腐蝕能力好，可在實際應用中擴大化利用。陽極電極首先經(jīng)過表面活性劑潤洗，如十二烷基苯磺酸鈉，ο-苯基苯酸。
[0015]優(yōu)選地，所述陰極電極為表面處理的光催化硅電極。光催化硅電極及表面處理本身可采用現(xiàn)有技術，優(yōu)選地，光催化硅電極表面處理方法及步驟如下:
[0016](1)活性離子刻蝕單晶硅薄片，單晶硅表面形成納米線陣列；
[0017](2)然后輕參雜p-Si納米線修飾一層薄的高參雜n+層，以提高光電壓輸出；
[0018](3)將30nm共形敷膜二氧化鈦層在300°C高溫下修飾到實現(xiàn)自制的原子沉積層，以保證能長時地穩(wěn)定工作在中性PH電解質(zhì)環(huán)境下；
[0019](4)約10nm厚度的Ni通過擬共形噴射修飾到電極上。
[0020]優(yōu)選地，所述陽極室、中間室和陰極室沿反應器的長度方向依次排布，所述反應器的高寬比為1:10?1:12。在該比例條件下脫鹽效率得到進一步提高。更進一步優(yōu)選地，所述反應器的寬度為50cm以上。
[0021]優(yōu)選地，所述中間室的厚度為Imm-lOmm。進一步優(yōu)選，中間室厚度為5mm。
[0022]此處的厚度是指陽離子膜與陰離子膜之間的間距。
[0023]優(yōu)選地，反應器的高度為5cm-15cm，過薄，中間室體積小。進一步優(yōu)選為10cm。
[0024]本發(fā)明還提供一種電磁場耦合脫鹽的方法，優(yōu)選采用本發(fā)明裝置進行，包括如下步驟:
[0025]生活污水送入陽極室中，酸性廢水送入陰極室中，海水送入中間室中，啟動中間室的垂直磁場、陽極室的水平磁場以及反應器內(nèi)的內(nèi)電場，進行電磁場耦合脫鹽反應，凈化后的生活污水、酸性廢水及淡化水排出反應器外。
[0026]經(jīng)過對磁場力F = q X V X B以及離子運動時對水的摩擦系數(shù)f = 6 π qr(n為液體粘度，r為離子半徑)分析計算以及結合裝置本身進行條件篩選。
[0027]優(yōu)選地，中間室的磁場強度6000Gs-12000Gs。最優(yōu)選擇磁場強度lOOOOGs的馬蹄形釹鐵硼強磁鐵。中間室所加垂直磁場為相對中間室底面垂直，即本發(fā)明中所述垂直磁場為豎直磁場。
[0028]磁場強度的增大有利于運動陰陽離子發(fā)生更大的偏轉(zhuǎn)，洛侖磁力分力做功更大用于克服對水的摩擦阻力做功。
[0029]優(yōu)選地，陽極室的磁場強度為1500Gs-2500Gs。最優(yōu)選擇磁場強度2000Gs的弱磁鐵。
[0030]優(yōu)選地，中間室的海水流速為0.5m/s_2m/s。考慮節(jié)能和離子偏轉(zhuǎn)受力，最優(yōu)為lm/so過慢偏轉(zhuǎn)效果差，過快離子來不及透過膜就從出水口流出。
[0031]優(yōu)選地，一次處理過程中，海水在中間室的停留時間為3?6小時。以3h為一個周期處理一個周期后，海水鹽度降為1.5g/L以下，脫鹽率達到95%以上。
[0032]優(yōu)選地，中間室的水溫度控制在25?35°C。進一步優(yōu)選為30°C。
[0033]優(yōu)選地，陰極室的進水為pH 5?6的弱酸性廢水。
[0034]最優(yōu)選地，裝置啟動階段，陰極室加入M9電解液，陽極室接種菌液，菌液由含有機物2000mg/L的生活污水和產(chǎn)電混菌液1:2 (體積比)組成，中間室加入靜止狀態(tài)的鹽度為約30%的海水，30°C條件下啟動反應器，啟動時間約1天；中間室的磁場強度10000GS，陽極室的磁場強度為2000Gs ；
[0035]裝置穩(wěn)定運行后，將C0D為300mg/L生活污水以水流量為4.6t/ (m3.d)送入陽極室中，使陽極電極上的微生物獲得充足碳源，同時污水C0D得到有效降解；陰極室中以水流量為9.2m3/ (m3.d)送入弱酸性廢水；
[0036]裝置穩(wěn)定運行后，海水原水以lm/s的流速進入中間室，從海水出水口流出的水通過管道與原水合并再經(jīng)水栗壓入中間室，如此形成循環(huán)，以6h為一個周期。
[0037]—個周期后，生活污水出水C0D降為80mg/L以下，海水濃度降為lg/L左右，脫鹽率達到96.7%以上。
[0038]本發(fā)明在裝置結構上增加中間室的強磁鐵，利用帶電粒子的洛侖磁力耦合內(nèi)電路的電場力強化脫鹽效果；陽極室外增加普通磁鐵，利用弱磁場對微生物的作用增大輸出電流，從而進一步提升脫鹽效率。處理工藝上，本發(fā)明本質(zhì)上利用內(nèi)電路電場和外加強磁場的耦合作用于陰陽離子；陰極采用表面處理的光催化硅電，在日光條件下可還原H+。
[0039]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0040](1)陽極水平弱電場提升生物膜性能，增大產(chǎn)電量。
[0041](2)表面處理的光催化硅電極，可在日光條件下還原弱酸性電解質(zhì)，解決陰極消耗物的問題，大大節(jié)約成本。
[0042](3)陽極弱電場提升生物膜性能，提高內(nèi)電路電場，耦合強磁場，達到電場磁場強化