电磁海水淡化实验系统设计

温晓婉　张辉　田禾

摘要：该文探讨了电磁海水淡化系统的研究现状，通过研究电磁场对水性质影响的机理，设计了电磁海水淡化实验系统。该系统通过调试和试验取得了良好效果，基本达到设计的实验要求。

关键词：电磁场 海水淡化 实验系统

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0070-02

水是社会可持续发展的制约因素。随着人口激增和经济的发展，需水量迅速增长，水资源短缺问题变得尤为突出[1]。为了满足淡水需求，人们将目光投向了就近进行海水或苦咸水的淡化研究。近年来国家采取了一系列政策和措施，海水利用已被先后列入了《中华人民共和国循环经济促进法》《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》以及《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》等国家重要中长期规划和文件中[2]。

随着研究的深入，人们提出了电磁海水淡化这一新技术并取得了一些令人振奋的成果。2008年How Yong Ng[3]在反渗透海水淡化装置上加了电磁场，对减小反渗透膜污染的作用非常明显。2009年D. Ghernaout研究了在电凝法基础上增加铝电极电磁场并批量去除腐蚀酸的方法[4]。2010年芬兰的Ritu D. Ambashta介绍了一些磁学和磁性材料的研究成果[5]。2012年Jong-Oh Kim提出了使用脉冲电场来减小反渗透装置的结垢和膜污染现象的方法[6]。在我国，2006年，陈建秋设计了电磁海水淡化器的基本结构并进行初步建模计算[7]。2006年程树康提出了基于旋转耦合电磁理论的海水淡化器[8]。2009年郭斌对旋转电磁效应对海水结构和动力学性质的影响机制进行了研究[9]。2012年郭斌使用分子动力学对电磁场下NaCl溶液的淡化效果进行了模拟[10]。2012年程树康研制出了适用于反渗透的电磁加热装置[11]。

1 电磁海水淡化技术机理

1.1 电场的影响

在系统中放置极性相反的的一对电极，形成电场。在电场作用下，海水中离子或带电粒子受到电场力作用而朝极性相反的电极迁移，最终被电极表面与海水交界处存在的双电层所吸附，从而海水被淡化。电极界面双电层的电荷量可由式（1）计算[12]：

（1）

式中：AS为电极表面积；ε为介电常数；k为玻尔兹曼常数；T为海水温度；C0为离子在海水中的平均数密度；Z为离子电荷数；e为基本电荷；φ0为表面电势。

由式（1）可知，温度、电极电势以及海水浓度都会对电极界面双电层电荷量造成影响。因此，在实验系统设计中，要考虑这这三个参数对淡化效果的影响。

1.2 电磁场的影响

有关电磁场对水性质的影响机理的理论很多，但大多还是处于假说和论证阶段，还没有一个理论得到广泛的认同。

活化极性理论认为水分子通过高频电磁场时受到电磁力的作用而极化，从而增加了水的活性，无法形成水垢。氢键弯曲理论认为水在电磁场作用下会发生定向极化，使得氢键弯曲和局部断裂，无法结垢[13]。洛伦兹模型观点得出的结论是水分子以一定的速度通过磁场时，产生了分子电偶极矩，使水的缔合状态增强。 无论哪种理论，最后的结论都是经过电磁场处理后，水物理活性增加，可以有效防止结垢。

适用于25℃电解质水溶液活度系数的计算公式为[14]：

（2）

式中为溶液的离子强度；c是物质的量浓度，单位为mol/L；A为与溶剂的温度和介电常数有关的常数；β、 C、 D、L为经验常数。

由公式（2）可见，海水活度系数和溶剂温度、溶剂浓度及海水成分有关。

2 电磁海水淡化系统设计

根据电磁场对水作用的机理，设计电磁海水淡化系统。海水在阴、阳电极之间流动时受到电场和磁场的共同作用，水中带电粒子将分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附。水中的溶解盐类、胶体颗粒及其它带电物质滞留在电极表面，使溶液本体中的离子浓度降低。海水经过一段时间的淡化处理后，通过出水口排出，循环一段时间后就得到了淡化水。待电极饱和之后，通入原水将吸附在电极上的离子冲去，通过浓盐水出口排出。

该系统分为电磁海水淡化部分和控制部分，电磁海水淡化部分如图1所示，包括储水罐、进水罐、加热罐、电吸附槽等装置。磁场部分由电吸附槽下面的电磁继电器产生，电磁继电器上通过电场，电流和电压发生改变时磁场强度也相应发生改变。电场反向时，磁场的方向也发生反向。进水罐上安装有水位继电器，继电器与进水泵相连。当水位低于水位继电器时，水泵工作，向水罐注水。当水位到达继电器位置，水泵停止工作，不再进水。不锈钢罐为加热罐，海水进入电吸附槽前先进入加热罐加热。加热罐内有电热继电器控制水温。电吸附槽上有多个凹槽，可以根据实验要求安装不同组数的电极。电极上加有电场，电场的大小由可变电阻的滑动来控制。

控制系统部分包括电源、漏电保护、磁场控制、电场控制、水泵开关等装置。通过各种开关来控制该控制系统的启动与停止；磁场和电场旋转控制按钮则通过控制电压和电流来控制磁场力和电场力的大小和方向；为了有效防止漏电短路的问题，系统安装了两级电源保护装置。

通过分析电磁场对水的性质的影响，设计了电磁海水淡化实验系统和控制系统。目前该电磁海水淡化实验系统已经制造完成，通过调试，系统运行良好，满足实验要求。

参考文献

[1] 李琦.海水淡化——沿海城市水资源可持续发展的重要策略[J].科学管理研究，2010，28（1）：58-60.

[2] 尹娜.专访国家海洋局科技司副司长雷波-海水利用进入大发展阶段[J].中国投资，2009（1）：80-82.

[3] How Yong Ng， Kwee Guan Tay， Seng Chye Chua，et al. ovel 16-inch spiral-wound RO systems for water reclamation — a quantum leap in water reclamation technology[J]. Desalination， 2008， 225（1/3）：274-287.endprint

[4] D. Ghernaout， B. Ghernaoutb， A. Saiba， et al.Removal of humic acids by continuous electromagnetic treatment followed by electrocoagulation in batch using aluminium electrodes[J]. Desalination， 2009，239（1/3）：295-308.

[5] Ritu D. Ambashta， Mika Sillanp?. Water purification using magnetic assistance： A review[J]. Journal of Hazardous Materials，2010，180（1/3）：38-49.

[6] Jong-Oh Kim， Seung-Pil Choi， Hyunsik Yoon，et al， Fouling and scaling reduction by pulsed electric field treatment as pretreatment for desalination[J]. Desalination and Water Treatment，2012，43（1/3）：118-123.

[7] 陈建秋，王铎.电磁混合场海水淡化器的设计与计算[J].盐业与化工，2006，35（5）：50-53.

[8] 宫海龙.基于旋转耦合电磁理论海水淡化技术基础研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，2006.

[9] 韩海波.旋转电磁效应对海水结构和动力学性质影响机制的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，2009.

[10] Hai Bo Han，Bin Guo，Feng Chai. Influence of Magnetic Field on Aqueous NaCl Solutions： A Foundational Research on the Desalination Method Based on the Rotating Electromagnetic Effect[J]. Advanced Materials Research，2012（591/593）：2607-2611.

[11] Hai Du，Yan Bin Qu，Shu Kang Cheng.A Novel Dynamic Electromagnetic Heating-Magnetizing Device Used for Reverse Osmosis System[J].Advanced Materials Research，2012（562/564）：913-916.

[12] 张鹏，郭斌，程树康，等.电极吸附过程的理论分析与实验研究[Z].中国科技论文在线，http：//www.paper.edu.cn.

[13] 张超.电磁防垢实验研究[D].东营：中国石油大学天然气工程学院，2010.

[14] 李楠.旋转电磁场对NaCI溶液活度影响的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学信息科学与工程学院，2009.endprint

[4] D. Ghernaout， B. Ghernaoutb， A. Saiba， et al.Removal of humic acids by continuous electromagnetic treatment followed by electrocoagulation in batch using aluminium electrodes[J]. Desalination， 2009，239（1/3）：295-308.

[5] Ritu D. Ambashta， Mika Sillanp?. Water purification using magnetic assistance： A review[J]. Journal of Hazardous Materials，2010，180（1/3）：38-49.

[6] Jong-Oh Kim， Seung-Pil Choi， Hyunsik Yoon，et al， Fouling and scaling reduction by pulsed electric field treatment as pretreatment for desalination[J]. Desalination and Water Treatment，2012，43（1/3）：118-123.

[7] 陈建秋，王铎.电磁混合场海水淡化器的设计与计算[J].盐业与化工，2006，35（5）：50-53.

[8] 宫海龙.基于旋转耦合电磁理论海水淡化技术基础研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，2006.

[9] 韩海波.旋转电磁效应对海水结构和动力学性质影响机制的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，2009.

[10] Hai Bo Han，Bin Guo，Feng Chai. Influence of Magnetic Field on Aqueous NaCl Solutions： A Foundational Research on the Desalination Method Based on the Rotating Electromagnetic Effect[J]. Advanced Materials Research，2012（591/593）：2607-2611.

[11] Hai Du，Yan Bin Qu，Shu Kang Cheng.A Novel Dynamic Electromagnetic Heating-Magnetizing Device Used for Reverse Osmosis System[J].Advanced Materials Research，2012（562/564）：913-916.

[12] 张鹏，郭斌，程树康，等.电极吸附过程的理论分析与实验研究[Z].中国科技论文在线，http：//www.paper.edu.cn.

[13] 张超.电磁防垢实验研究[D].东营：中国石油大学天然气工程学院，2010.

[14] 李楠.旋转电磁场对NaCI溶液活度影响的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学信息科学与工程学院，2009.endprint

[4] D. Ghernaout， B. Ghernaoutb， A. Saiba， et al.Removal of humic acids by continuous electromagnetic treatment followed by electrocoagulation in batch using aluminium electrodes[J]. Desalination， 2009，239（1/3）：295-308.

[5] Ritu D. Ambashta， Mika Sillanp?. Water purification using magnetic assistance： A review[J]. Journal of Hazardous Materials，2010，180（1/3）：38-49.

[6] Jong-Oh Kim， Seung-Pil Choi， Hyunsik Yoon，et al， Fouling and scaling reduction by pulsed electric field treatment as pretreatment for desalination[J]. Desalination and Water Treatment，2012，43（1/3）：118-123.

[7] 陈建秋，王铎.电磁混合场海水淡化器的设计与计算[J].盐业与化工，2006，35（5）：50-53.

[8] 宫海龙.基于旋转耦合电磁理论海水淡化技术基础研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，2006.

[9] 韩海波.旋转电磁效应对海水结构和动力学性质影响机制的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，2009.

[10] Hai Bo Han，Bin Guo，Feng Chai. Influence of Magnetic Field on Aqueous NaCl Solutions： A Foundational Research on the Desalination Method Based on the Rotating Electromagnetic Effect[J]. Advanced Materials Research，2012（591/593）：2607-2611.

[11] Hai Du，Yan Bin Qu，Shu Kang Cheng.A Novel Dynamic Electromagnetic Heating-Magnetizing Device Used for Reverse Osmosis System[J].Advanced Materials Research，2012（562/564）：913-916.

[12] 张鹏，郭斌，程树康，等.电极吸附过程的理论分析与实验研究[Z].中国科技论文在线，http：//www.paper.edu.cn.

[13] 张超.电磁防垢实验研究[D].东营：中国石油大学天然气工程学院，2010.

[14] 李楠.旋转电磁场对NaCI溶液活度影响的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学信息科学与工程学院，2009.endprint