淡水室

淡水室簡稱淡室。由隔板及兩則交換膜形成的生產淡水的水室。該室內水中的陰、陽離子能分別透過陰、陽膜向室外遷出；同時兩相鄰室內水中離子卻不能遷入。

基本介紹

• 中文名：淡水室
• 外文名：Fresh water chamber
• 學科：土木工程
• 領域：建築工程
• 範圍：水資源
• 簡稱：淡室

簡介

我國正在進行南水北調工程，所需資金將達5000億人民幣。而利用我國北方臨海的優勢，用海臣發明的電極化海水淡化裝置對海水進行淡化，不但可以獲得淡水，而且還可以提高北方鹽場的產鹽率，同時能夠調解火力發電廠、核電廠的發電峰谷，並產生大量的氫氣和氧氣及氯氣等產品，其綜合效益會使海水淡化實現零成本，乃至負成本。為迎接氫能源時代的到來奠定堅實的基礎。
淡水資源緊張是全世界面臨的嚴重問題之一，海水淡化是解決這一問題的根本途徑。雖然海水淡化的方法很多，但世界上投入商業運營的海水淡化裝置,根據其工作原理分類，主要有三大方法，分別是：蒸餾法、反滲透法、電滲析法。但都不是太理想，蒸餾法成本高，工藝設備複雜，出水率低；電滲析法、反滲透法需要有離子或介質的透過，要求能量大，因而能耗高，並且對水的預處理要求條件苛刻，離子交換膜或反滲透膜易污染、維護量大。

蒸發法

水的蒸餾法脫鹽又稱蒸發法，是最早採用的脫鹽技術，它的原理就是水被加熱沸騰變成水蒸汽，水蒸汽冷凝得到蒸餾水。而根據蒸餾法原理建造的生產設備又有多效蒸發、多次閃蒸、豎管多效、多級閃蒸等多種方式設備，但不管有幾種方式，它最終都歸為蒸餾法脫鹽。

反滲透除鹽法

滲透是一種物理現象，當兩種含有不同濃度鹽類的水，如用一張有滲透性的薄膜分開就會發現含鹽量少的一邊的水分會透過膜滲到含鹽量高的水中，而所含的鹽分並不滲透，這樣，逐漸把兩邊含鹽濃度融合到均等為止，然而，要完成這一過程需要很長時間，這一過程也稱為自然滲透。但如果在含鹽量高的水側，試加一個壓力，其結果也可以使上述滲透停止，這時的壓力稱為滲透壓力。如果壓力再加大，可以使水向相反方向滲透，而鹽分剩下。因此，反滲透除鹽原理，就是在有鹽分的水中（如原水），施以比自然滲透壓力更大的壓力，使滲透向相反方向進行，把原水中的水分子壓到膜的另一邊，變成潔淨的水，從而達到除去水中鹽分的目的，這就是反滲透除鹽原理。

電滲析法

滲析是屬於一種自然發生的物理現象。如將兩種不同含鹽量的水，用一張滲透膜隔開，就會發生含鹽量大的水的電介質離子穿過膜向含鹽量小的水中擴散，這個現象就是滲析。這種滲析是由於含鹽量濃度不同而引起的，稱為濃差滲析。滲析過程與濃度差的大小有關，濃差越大，滲析的過程越快，否則就越慢。因為是以濃差作為推動力的。因此，擴散速度始終是比較慢的。如果要加快這個速度，就可以在膜的兩邊施加一直流電場。電解質離子在電場的作用下，會迅速地通過膜，進行遷移過程，這就稱為電滲析。滲析膜是用高分子材料製成的一種薄膜，上面有離子交換活性基團。膜內含有酸性活性基團的稱為陽膜；如有鹼性活性基團的稱陰膜。從膜的結構上分，又可分為異相膜、均相膜、半均相膜三種。
電滲析的除鹽原理：在用電滲析進行除鹽處理時，先將電滲析器兩端的電極接上直流電，水溶液就發生導電現象，水中的鹽類離子在電場的作用下，各自向一定方向移動。陽離子向負極，陰離子向正極運動。在電滲析器內設定多組交替排列的陰、陽離子交換膜，此膜在電場作用下顯示電性，陽膜顯示負電場，排斥水中陰離子而吸附陽離子，在外電場的作用下，陽離子穿過陽膜向負極方向運動；陰膜顯示正電性，排斥水中的陽離子，而吸附了陰離子，在外電場的作用下，陰離子穿過陰膜而向正極方向運動。這樣，就形成了去除水中離子的淡水室和離子濃縮的濃水室，將濃水排放，淡水即為除鹽水。這一過程為電滲析除鹽原理。
當連線有直流電源並串接電流表的正負電極插到電解質溶液中，通入直流電，電流表顯示，電流迅速衰減，產生這一現象的原因是由於在正負電極的周圍產生了極化現象，使地陽極周圍產生顯酸性；在陰極周圍產生顯鹼性。陽極周圍在聚集氫離子的同時，也聚集了大量的金屬離子，使地在陽極周圍的離子濃度提高，隨電壓的高低而濃度表現出來大小，同理在陰極的周圍聚積有大量顯鹼性的氫氧根陰離子，也聚集了大量的酸根陰離子，它表現出來是陰極顯鹼性的溶液特性。之所以產生這種現象，是因為兩電極的離子濃度梯度大於兩電極之間的離子濃度梯度，也就是說兩電極的周圍聚集了比兩電極之間更多的離子，因此，在兩電極表現出酸、鹼特性。而在兩電極之間的溶液基本上顯中性。極化現象使得串接於兩電極之間的電流表電流顯示變小。這便是離子極化現象所引發的溶液濃度梯度的變化。當直流電壓高於一定值時，便在電極的周圍發生電解反應，當發生電解反應時，電流又將增加，因為電極反應的產生是由於電極周圍產生陽化還原反應所引發的，陽化還原反應的激烈程度決定於兩電極之間所加的電壓和溶液通過的電流。
這一原理被廣泛套用於電解、電鍍、陰極保護，以及分析儀表方面。但還沒有將這一原理套用於水的脫鹽，我將這一原理套用於脫鹽技術無疑是創新的，具有革命特性的一項裝置，他所套用的原理就是水溶液通直流電後，在兩電極上產生的極化現象，極化現象帶來的效應便是溶液濃度梯度的變化。陽極富有陽離子，陰極富有陰離子。這一原理的套用便產生了一種新的海水淡化方法：離子極化海水淡化法。
基於這一原理的海水淡化裝置便是一項具有創新意義的新設備，它有完善的理論基礎和相應的理論數據。它的核心原理便是離子極化和串聯電路電壓疊加原理，即沿電場方向電場強度依次遞減，陽離子向陰極運動，陰離子向陽極運動。
電滲析的處理過程是：
（1）反離子遷移過程
陽膜上的固定基團帶負電荷，陰膜上的固定基團帶正電荷。與固定基團所帶電荷相反的離子穿過膜的現象稱為反離子遷移。如在電滲析器中，淡室中的陽離子穿過陰膜進入濃室就是反離子遷移過程，這也是電滲析的除鹽過程。
（2）同性離子遷移過程
與膜上固定基團帶相同電荷的離子，穿過膜的現象稱為同性離子遷移。由於交換膜的選擇透過性不可能達到100%。因此，也存在著濃水室中的有離子會少量穿過陽膜，或陽離子穿過陰膜而進入淡水室，數量雖少，但降低了除鹽效率。
（3）電解質的濃差擴散過程
這是由於濃水室與淡水室的濃度差而此起的。其結果是由濃水室的離子向淡水室擴散。從而使淡水室的含鹽量增加，降低了除鹽效率。
（4）在壓差滲透過程
由於濃、淡水室壓力不同，由壓力高的向壓力低側進行離子滲透，因此，如果濃室的壓力過高，也會降低除鹽效率。
（5）水的滲透過程
由於淡水室中水的壓力比濃水室要大，因此，會向濃水室滲水，使產水量降低。
（6）水的電滲透過程
由於水中離子是以水合離子的形式存在，因此伴隨著離子的遷移，故有水的電滲透發生，使淡水產量降低。
（7）在運行時，由於操作不良而造成極化現象，使淡水室大量的水電離，在直流電場的作用下，水電離產生的H⁺穿過陽膜，OH^-穿過陰膜進入濃水室，在那裡與Ca²⁺、Mg²⁺生成沉澱，也稱為極化沉澱。故此，不僅電耗增加，而且還會造成沉澱等後果。
一對電極通一直流電對水進行除鹽效率將是非常低的，因為電壓過高，將發生電解反應，而離子的遷移是遵循庫侖定律的，即海水的淡化量與離子的遷移及電流的大小成正比，而電流的大小又與施加的電壓和溶液的電阻成正比。解決這一問題的根本方法便是本裝置，應有大的電流、大的離子遷移量，這就延伸出我們的裝置。因此，方法和裝置是不可分割的，有了這種方法的原理才設計出這種裝置，本裝置所套用的利用原理是電壓即電場強度疊加原理（電阻串聯的電壓定律），即每個水室相當於一個電阻，電阻串聯分解電壓，每一個電阻的分壓無須很高，但串聯起來，疊加電壓就可非常高，而每個串聯電阻的極性是一次排列的，即這個電阻的上游電阻的負極恰是下游電阻的正極，以次類推，每個電阻的分壓相等，都有相等的電流流過。每個水室離子遷移量是相等的，所有水室的離子遷移量之和便是海水淡化裝置的除鹽量。因此，海水淡化量與水室的多少成正比。

離子極化海水淡化法處理的過程

離子極化海水淡化法僅靠離子極化而將兩電極之間的低濃度水取出是很難的，因為兩電極之間如果距離太大，離子運動路徑延長，電阻大，能耗高，而且在兩電極上會發生電解反應，因此單純用兩電極之間隔出的水室想製取淡水是不可行的，因為在兩電極上產生電解反應，而電極的產物酸鹼相對來講難以取出，除鹽效率極低。為了解決這一問題在兩電極之間插了許多導電金屬隔板，彼此之間用絕緣材料隔開。金屬隔板與金屬隔板之間就隔成海水淡化所需的工作室，防腐蝕導電隔板垂直於電場方向，平行於等電位線等距離排列布置構成彼此隔離的狹長水室，海水從狹長的長方形水室一端進入，海水中的陽陰離子在向水室的另一端緩慢流動的同時，將受到電場力的作用，並按各自的淌度向電場方向偏轉，陰離子向高電位方向偏轉，陽離子向低電位方向偏轉，從而使水中的陰陽離子產生濃度梯度，在高電位導電隔板側，陰離子濃度高，在低電位導電隔板側陽離子濃度高，而在中間的水的離子濃度就很低，導電隔板是一個等電位體。在導電隔板兩側分別含有高濃度的陰陽離子，水在流動中帶著它們流嚮導電隔板的盡頭，同時，離子運動完成導電的作用。陰陽離子在導電隔板盡頭排水口處混合被隨水排出，這便是濃水，而從水室中間排出的離子濃度低的水便是淡水。