本發明涉及海水淡化領域，特別涉及一種基于脈沖變壓器原理的海水鹽離子分離器及海水淡化方法。

背景技術：

人類的淡水資源越來越少，而需求量越來越大。海水淡化是解決水資源短缺的有效途徑。

目前，已有海水淡化的專利有很多如滲透法、蒸發法、靜電法等等。還有磁場法。具體是把過水管道放在靜止強磁場中，海水在管道內高速流動時，海水中的正負離子承受方向相反的羅倫茲力而分離，使水得到淡化。但是，要求管道內的海水的流動速度很高，因而需要的水壓很大，能量消耗大，效率低。高速流動時其離子承受的羅倫茲力的受力時間短，因而離子分離的時間短，進一步降低了分離效率。中國專利ZL 201120165739.X 公開的一種“基于旋轉磁場的海水淡化器”和“Simulation of Rotating Magnetic Field on Ion Distribution in Saltwater”（13th IEEE Joint International Computer Science and Information Technology Conference，JICSIT 2011）一文中采用旋轉穩恒磁場對過水管道內海水中的靜止鹽離子施加洛淪茲力的方法來分離海水中的鹽離子，實現海水淡化的目的。離子受到的洛淪茲力與磁場強度、磁場旋轉速度等有關。但目前由于絕緣管道在磁場旋轉軸向很短,而且磁場強度、磁場旋轉速度都尚不能達到理想水平，所以這種方法離實際應用還有一定距離。

另外，目前存在一種電滲析的海水淡化器。其中的電極距離很小，電極之間的電壓很小，對海水中離子的吸附力很有限。而且，需要對電極電壓進行正負交變，以釋放吸附的離子，降低電極腐蝕程度。釋放吸附的離子后，海水濃度提高，應即時排出濃海水。這種電滲析的海水淡化器，電極電壓極性的改變和濃海水的排出占用了離子分離時間，降低了海水淡化效率；而且電壓極性的改變極大地增加了能耗；電極有一定的腐蝕。

在“Ion Distribution in Saltwater under High-voltage Static Electric Field”,( Advanced Materials Research Vols. 361-363 (2012),pp.865-869)一文中提出了利用高壓靜電場來分離離子的思想，分析表明在過水管道兩端面上，離子濃度極大。中國專利ZL 201110152425.0公開了一種“基于離子反轉的高壓靜電型海水淡化器”，該專利提出將海水中的正負離子反轉到一絕緣薄膜兩側面，利用高壓靜電場和正負離子之間的靜電引力的共同作用，來增加離子的聚集濃度，提高海水淡化效率的思想。雖然離子濃度有較大提高，但把離子和淡水實際隔離并取出一直沒有較好的方法。中國專利ZL201210042258.9公開了一種“高壓靜電型離子噴霧式海水淡化器及其海水淡化方法”，該專利提出利用高壓靜電場將海水中的正負離子分離到不同的水管內，來增加離子的聚集濃度，提高海水淡化效率的思想。雖然可實現正負離子的分離但將水管設置成直線型使得離子經過的水管較短導致離子濃度不大，因此把離子和淡水實際分離并取出一直沒有較好的方法。

本發明在脈沖變壓器原理的基礎上，在原邊施加脈沖電流激勵，在脈沖變壓器副邊繞組的首尾兩端激勵出高濃度正、負鹽離子。在附加吸附裝置的吸引力作用的基礎上，把脈沖變壓器副邊繞組首尾兩端激勵出的高濃度正、負鹽離子強迫吸引而脫離首尾兩端面，實現鹽離子與水的分離即還海水淡化。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：提供一種能極大地提高離子去除濃度，使海水中的離子與水更容易分離的基于脈沖變壓器原理的海水鹽離子分離器。

為解決上述技術問題，本發明所采用的一個技術方案是：提供一種基于脈沖變壓器原理的海水鹽離子分離器，包括水管、電源轉換裝置、與所述電源轉換裝置電連接的脈沖產生裝置、與所述脈沖產生裝置電連接的脈沖變壓器以及與所述脈沖產生裝置電連接的離子分離裝置；所述水管的一端為海水進水口，另一端為淡水出水口；所述脈沖變壓器的包括變壓器鐵芯、變壓器原邊繞組以及變壓器副邊繞組，所述脈沖變壓器副邊繞組為絕緣水管繞組，在該絕緣細管繞組中間段抽頭與所述水管連通，所述絕緣水管繞組內的水在其表面張力下不流出絕緣水管繞組的兩端；

所述電源轉換裝置用于將交流電轉換為直流電，為脈沖產生裝置提供穩定的電源；所述脈沖產生裝置用于先后產生交流信號至脈沖變壓器和加速脈沖信號至離子分離裝置，所述交流信號用于激勵所述脈沖變壓器原邊繞組，使所述脈沖變壓器副邊繞組內產生脈沖電場，從而使得該脈沖變壓器副邊繞組內的鹽離子在脈沖電場的作用下向脈沖變壓器副邊繞組兩端分別聚集，并對水管中的海水的正、副離子進行抽取和初步分離；所述加速脈沖信號用于使離子分離裝置對脈沖變壓器副邊繞組兩端的正、負離子進行強迫吸附，從而使所述正、副離子脫離所述脈沖變壓器副邊繞組的兩端。

進一步的，所述脈沖變壓器副邊繞組為兩端內徑為毫米級的絕緣水管繞組。

進一步的，在所述絕緣細管繞組的1/2處抽頭與所述水管連通。

進一步的，所述電源轉換裝置為整流器。

進一步的，所述離子分離裝置包括離心分離器、與所述脈沖產生裝置電連接且與所述脈沖變壓器副邊繞組的兩端對準的離子吸引電極，所述離心分離器包括位于所述離子吸引電極與脈沖變壓器副邊繞組之間的離心分離盤；

所述離子吸引電極正對所述脈沖變壓器副邊繞組的兩端，當正、負離子分別位于所述脈沖變壓器副邊繞組的首、尾端時，所述離子吸引電極的負極與所述脈沖變壓器副邊繞組的首端對準，正極與所述脈沖變壓器副邊繞組的尾端對準，當負、正離子分別位于所述脈沖變壓器副邊繞組的首、尾端時，所述離子吸引電極的正極與所述脈沖變壓器副邊繞組的首端對準，負極與所述脈沖變壓器副邊繞組的尾端對準；

所述離子吸引電極用于根據所述加速脈沖信號進行工作，以對所述脈沖變壓器副邊繞組兩端感應出的正、負離子進行吸引，使所述正、負離子脫離所述脈沖變壓器副邊繞組的兩端并向離心分離盤方向運動，所述離心分離盤用于攔截繞組首尾兩端排出的陰、陽離子流，同時該離心分離盤旋轉，利用離心力實現正、負離子流的脫離。

進一步的，還包括離子收集器以及能量回收變流器，所述離子收集器包括兩弧形壁圍合呈圓筒狀，其中，一個弧形壁為電源正極，另一個弧形壁為電源負極，兩極間絕緣，所述能量回收變流器的輸入端與兩弧弧形壁電連接，輸出端與所述脈沖產生裝置電連接，用于能量回收；

所述離心分離盤及離子吸引電極均位于所述離子收集器內，所述離心分離盤利用離心力將其上的正、負離子甩離至所述離子收集器的內壁上，從而使得所述離子收集器的正極吸附負離子，負極吸附正離子，正、負離子與所述離子收集器的內壁接觸之后會產生電荷的中和電荷的交換，其電能量由能量回收變流器反饋至脈沖產生裝置。

進一步的，所述離心分離盤采用憎水絕緣材料制作而成。

進一步的，所述脈沖產生裝置還用于在產生交流信號至所述脈沖變壓器之后，并且在當所述脈沖變壓器副邊繞組兩端的正、負鹽離子達到最大濃度時，施加至離子吸引電極的加速脈沖也達到最大值。

為解決上述技術問題，本發明所采用的一個技術方案是：提供一種利用所述的海水鹽離子分離器進行海水淡化的方法，包括以下步驟：

S1、將水管的海水進水口與海水接通，以使海水能夠流入并充滿水管；

S2、脈沖產生裝置產生交流信號至脈沖變壓器；

S3、脈沖變壓器副邊繞組產生電場，使得流經進水管中海水的鹽離子經抽頭流向脈沖變壓器副邊繞兩端；

S4、當脈沖變壓器副邊繞組兩端的離子達到最大濃度時，脈沖產生裝置產生高速脈沖信號至離子分離裝置；

S5、離子分離裝置根據高速脈沖信號進行工作，從而吸引脈沖變壓器副邊繞組兩端的正、負離子，以使得所述正、負離子脫離所述脈沖變壓器副邊繞組的兩端，并返回S2步驟直至結束。

進一步的，所述離子分離裝置包括離心分離器、與所述脈沖產生裝置電連接且與所述脈沖變壓器副邊繞組的兩端對準的離子吸引電極，所述離心分離器包括位于所述離子吸引電極與脈沖變壓器副邊繞組之間的離心分離盤；

在所述S5步驟中，所述離子吸引電極根據高速脈沖信號進行工作，吸引脈沖變壓器副邊繞組兩端的正、負離子，以使得所述正、負離子脫離脈沖變壓器副邊繞組向離子吸引電極方向運動；位于脈沖變壓器副邊繞組與離子吸引電極之間的離心分離盤旋轉，攔截所述正、負離子，從而防止正、負離子繼續向離子吸引電極方向運動、拉弧。

本發明的基于脈沖變壓器原理的海水鹽離子分離器及海水淡化方法，與現有技術相比，具有如下優點：

（1）、本發明的海水離子分離器，由于采用了脈沖變壓器的工作原理，來對海水中數量占少數的離子進行直接分離操作，而不對占比重極大的水分子進行操作，效率高。

（2）、本發明利用具有憎水絕緣板隔離含高濃度正負離子流，并使用離心分離器進行最終分離，充分利用了憎水絕緣表面的憎水與絕緣性能，使得其表面帶電液滴的不連續，實現了正負離子海水的實際分離，阻斷了正負離子之間復合、拉弧放電的產生，更安全。

（3）、在離心分離器外沿設置離子收集器，便可以利用磁流體相似技術進行能量回收；回收陰、陽離子流在離開分離器表面后的復合能量，進一步提高了能量效率。

此模型的特點是：原理科學，結構簡單、可靠，易于實現并且本發明不僅能大幅度提高離子濃度利于海水淡化，而且還能實現能量的回收利用。對海水淡化的發展具有重大現實意義。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明基于脈沖變壓器原理的海水鹽離子分離器一實施例的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參見圖1，圖1是本發明基于脈沖變壓器原理的海水鹽離子分離器一實施例的結構示意圖。本實施例的基于脈沖變壓器原理的海水鹽離子分離器包括水管10、電源轉換裝置12、與所述電源轉換裝置12電連接的脈沖產生裝置14、與所述脈沖產生裝置14電連接的脈沖變壓器16以及與所述脈沖產生裝置14電連接的離子分離裝置18；所述水管10的一端為海水進水口，另一端為淡水出水口；所述脈沖變壓器16的包括脈沖變壓器鐵芯161、脈沖變壓器原邊繞組162以及脈沖變壓器副邊繞組163，所述脈沖變壓器副邊繞組163為絕緣水管10繞組，在該絕緣細管繞組中間段抽頭與所述水管10連通，所述絕緣水管10繞組內的水在其表面張力下不流出絕緣水管10繞組的兩端；所述電源轉換裝置12用于將交流電信號轉換為直流電以為脈沖產生裝置14提供穩定的電源；所述脈沖產生裝置14用于先后產生交流信號至脈沖變壓器16和加速脈沖信號至離子分離裝置18，所述交流信號用于激勵所述脈沖變壓器原邊繞組162，使所述脈沖變壓器副邊繞組163內產生電場，從而使得該脈沖變壓器副邊繞組163的兩端分別聚集進水管10中的海水的正、副離子；所述加速脈沖信號用于使離子分離裝置18對正、負離子進行吸附，從而使所述正、副離子脫離所述脈沖變壓器副邊繞組163的兩端。具體地：

所述電源轉換裝置12為一整流器，所述脈沖產生裝置14為逆變器。所述整流器用于將交流電源轉換為脈沖產生裝置14所需要的直流電源，即整流器把市電轉變為高質量直流，為下一步逆變器提供穩定直流。

本實施例中，所述脈沖變壓器副邊繞組163為內徑為毫米級的絕緣水管10繞組，在所述絕緣細管繞組的1/2處抽頭與所述水管10連通，如此可以使得水管10中的鹽離子（正、負離子）更均衡的分布至脈沖變壓器副邊繞組163兩端，進一步使得海水淡化效果更好。

所述脈沖變壓器16為脈沖變壓器16，逆變器把直流電逆變為一定波形的交流信號，用于激勵脈沖變壓器原邊繞組162；脈沖變壓器副邊繞組163由絕緣細水管10繞制而成，并非金屬繞組，繞組1/2處設置中間抽頭，引入進出水管10，繞組首尾兩端同長度并且對準離子分離裝置18（本實施例中，所述脈沖變壓器副邊繞組163的首尾兩端向下）。

所述脈沖產生裝置14還用于在產生交流信號至所述脈沖變壓器16之后，并且在當所述脈沖變壓器副邊繞組163兩端的正、負鹽離子達到最大濃度時，施加至離子分離器的加速脈沖亦達到最大值，離子分離器據此進行離子分離工作，即吸引脈沖變壓器副邊繞組163首尾兩端的正、負離子，以使陰、陽離子分別由脈沖變壓器16繞組首尾兩端排出；從而完成本次離子分離工作。本方案中，通過試驗可以得到脈沖變壓器16被施加交流信號后，脈沖變壓器16負邊繞組兩端的正、負離子達到最大濃度的時間，從而計算施加加速脈沖信號的時間，即計算逆變器先后產生交流信號和脈沖信號的時間間隔，以此來實現上述的當離子達到最大濃度時，施加加速脈沖信號至離子分離器的功能。所述逆變器以此循環，不斷的先后施加交流信號、加速脈沖信號工作，從而進行海水鹽離子分離，達到海水凈化，凈化后的

本實施例中，所述離子分離裝置18具體包括：離心分離器、與所述逆變器電連接且與所述脈沖變壓器副邊繞組163的兩端對準的離子吸引電極181，所述離心分離器包括位于所述離子吸引電極181與脈沖變壓器副邊繞組163之間的離心分離盤182，離心分離盤182的轉動由電機驅動，所述離心分離盤182采用憎水絕緣材料制作而成。

所述離子吸引電極181正對所述脈沖變壓器副邊繞組163的兩端，當正、負離子分別位于所述脈沖變壓器副邊繞組163的首、尾端時，所述離子吸引電極181的負極與所述脈沖變壓器副邊繞組163的首端對準，正極與所述脈沖變壓器副邊繞組163的尾端對準，當負、正離子分別位于所述脈沖變壓器副邊繞組163的首、尾端時，所述離子吸引電極181的正極與所述脈沖變壓器副邊繞組163的首端對準，負極與所述脈沖變壓器副邊繞組163的尾端對準；所述離子吸引電極181用于根據所述加速脈沖信號進行工作，以對所述脈沖變壓器副邊繞組163兩端的正、負離子進行吸引，使所述正、負離子脫離所述脈沖變壓器副邊繞組163的兩端并向離心分離盤182方向運動，所述離心分離盤182用于攔截繞組首尾兩端排出的陰、陽離子流，同時該離心分離盤182旋轉，利用離心力實現正、負離子流的脫離。

本實施例中，所述海水鹽離子分離器還包括離子收集器11以及能量回收變流器13，所述離子收集器11包括兩弧形壁圍合呈圓筒狀，其中，一個弧形壁為電源正極，另一個弧形壁為電源負極，所述能量回收變流器13的輸入端與兩弧弧形壁電連接，輸出端與所述脈沖產生裝置14電連接；所述離心分離盤182及離子吸引電極181均位于所述離子收集器11內，所述離心分離盤182利用離心離將其上的正、負離子甩離至所述離子收集器11的內壁上，從而使得所述離子收集器11的正極吸附負離子，負極吸附正離子，正、負離子與所述離子收集器11的內壁接觸之后，進行電荷的轉移和交換，把電荷攜帶的電能轉移到離子收集器11上。

本發明的海水鹽離子的工作原理如下：首先，使海水從水管10的進水口進入水管10；逆變器先產生交流或者高頻率脈沖序列,用于激勵脈沖變壓器原邊繞組162, 在脈沖前沿(上升沿)期間(即每個脈沖剛開始0時刻到最大峰值Im的時間段),脈沖變壓器16副邊水管繞組10內則產生強電場,在水管10繞組首/尾端,則產生高濃度離子(首/尾端兩端一邊正離子一變負離子)，當在脈沖后沿(從峰值Im到0),在脈沖變壓器16副邊水管繞組10內也產生強電場(與前沿極性相反), 則也能產生高濃度離子(與前沿時的極性相反)。若脈沖電流強、控制脈沖前沿和后沿非常陡,則分離效果更明顯。

當脈沖變壓器副邊繞組163首尾兩端的正、負離子達到最大濃度（可預設）前，施加脈沖高壓電場使離子吸引電極181吸引所述脈沖變壓器副邊繞組163首尾兩端的正、負離子，從而使脈沖變壓器副邊繞組163首尾兩端的正、負離子達到最大濃度（可預設）時，施加脈沖高壓電場也達最大，使離子脫離脈沖變壓器副邊繞組163首尾兩端，向位于脈沖變壓器副邊繞組163首尾兩端下方的離心分離盤182運動，所述離心分離盤182用于攔截繞組首尾兩端排出的正、負離子流；并且該離心分離盤182旋轉，利用離心力實現離子的脫離；當離子濃度下降后，脈沖吸引電場消失；由離心分離盤182甩出的離子流匯集到離子收集器11的內壁，然后由能量回收變流器13回收離子中和的能量，進行變流后反饋回逆變器或者整流器。若脈沖變壓器原邊繞組162脈沖激勵強度高、變化快、吸引電極配合脈沖電壓的電壓幅度和時刻等配合良好、離心分離器轉速合適，則能更好的進行鹽水中鹽離子的分離。

本發明采用的絕緣細水管10內的水帶一定的水壓，并使繞組首尾兩端的水在只有其表面張力下不流出；而當其離子濃度達最大時刻，在離子吸引電極181的脈沖電場引力下，離子會被迫脫離繞組首尾兩端，并呈不連續的滴狀；以便繞組首尾兩端不發生拉弧。

本發明中的脈沖變壓器16副邊水管10繞組出口內徑很小（毫米級），帶離子的水滴呈霧狀噴射，可以保證了霧滴直徑極小，而其比表面極大（面積/體積），使得噴射出來的霧滴的離子體積濃度可以極大，分離效率極高。

本發明的基于脈沖變壓器16原理的海水鹽離子分離器，與現有技術相比，具有如下優點：

（1）、本發明的海水離子分離器，由于采用了脈沖變壓器的工作原理，只對海水中數量占少數的鹽離子進行直接分離操作，而不對占比重極大的水分子進行操作，效率高。

（2）、本發明利用具有憎水絕緣板隔離含高濃度正負離子流，并使用離心分離器進行最終分離，充分利用了憎水絕緣表面的憎水與絕緣性能，使得其表面帶電液滴不連續，實現了正負離子海水的實際分離，阻斷了正負離子之間復合、拉弧放電的產生。

（3）、在離心分離盤外沿設置離子收集器11，便可以利用磁流體相似技術進行能量回收；回收陰、陽離子流在離開分離器表面后的復合能量，進一步提高了整體能量效率。

此模型的特點是：原理科學，結構簡單、可靠，易于實現并且本發明不僅能大幅度提高離子濃度利于海水淡化，而且還能實現能量的回收利用。對海水淡化的發展具有重大現實意義。

本發明還公開了一種海水鹽離子分離器進行海水淡化的方法，利用上述實施例所描述的海水鹽離子分離器進行海水淡化，所述方法包括以下步驟：

S1、將水管10的海水進水口與海水接通，以使海水能夠流入水管10內；

S2、脈沖產生裝置14產生交流信號至脈沖變壓器16；

S3、脈沖變壓器16副邊繞組產生電場，使得流經進水管10中海水的鹽離子經抽頭流向脈沖變壓器16副邊繞兩端；

S4、當脈沖變壓器16副邊繞組兩端的離子達到最大濃度時，脈沖產生裝置14產生高速脈沖信號至離子分離裝置；

S5、離子分離裝置根據高速脈沖信號進行工作，從而吸引脈沖變壓器16副邊繞組兩端的正、負離子，以使得所述正、負離子脫離所述脈沖變壓器16副邊繞組的兩端。

所述離子分離裝置包括離心分離器、與所述脈沖產生裝置14電連接且與所述脈沖變壓器16副邊繞組的兩端對準的離子吸引電極，所述離心分離器包括位于所述離子吸引電極與脈沖變壓器16副邊繞組之間的離心分離盤；

在所述S5步驟中，所述離子吸引電極根據高速脈沖信號進行工作，吸引脈沖變壓器16副邊繞組兩端的正、負離子，以使得所述正、負離子脫離脈沖變壓器16副邊繞組向離子吸引電極方向運動；位于脈沖變壓器16副邊繞組與離子吸引電極之間的離心分離盤旋轉，攔截所述正、負離子，從而防止正、負離子繼續向離子吸引電極方向運動。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。