CN108160323A - 一种利用磁场实现溶液中阴阳离子分离的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用磁场实现溶液中阴阳离子分离的装置与方法，所述方法还可用于液体中具有阴阳电性的粒子团的分离或富集。所述装置包括：洛伦兹力分离装置，磁场空间，液体输送部分和液体收集部分。本发明是利用离子溶液在磁场中运动时带电离子受到的洛伦兹力实现离子的分离或富集；将静止磁体磁场改变为旋转磁体磁场，以提高离子和磁场间的相对运动速度，提高分离效果；实现常温常压下溶液中阴阳离子的分离或富集，与电化学反应方法相比不存在电极的腐蚀问题。本发明的装置具有结构简单、操作方便、造价低廉、能耗低、使用寿命长、适用性广、磁污染小等特点。
Description
技术领域
本发明属于离子分离领域，具体涉及一种利用磁场实现溶液中阴阳离子分离的装置及方法。
背景技术
现有的磁性分离方法多是基于磁泳、磁性捕获—释放、磁场流分级等磁性粒子分离方法，分离方法类型多样，也已经展现了良好的应用前景。
现有的磁性分离方法仅对于磁性粒子的分离效果较好，而对于非磁性的粒子的分离效果很低或只能作为一种辅助手段。
对于离子溶液中的阴阳离子分离，可以利用离子溶液在磁场中流动时所产生的作用于离子上的洛伦兹力实现离子的分离或富集。但实际应用中分离通道的长度受到磁场范围的限制，磁场对离子的作用力大小和作用时间（取决于溶液在磁场内的流速）有限。
本发明是利用离子溶液在磁场中运动时带电离子受到的洛伦兹力实现离子的分离或富集；为提高离子所受到的洛伦兹力，将静止磁体磁场改变为旋转磁体磁场，以提高离子和磁场间的相对运动速度，提高分离效果；实现常温常压下溶液中阴阳离子（粒子团）的分离或富集，与电化学反应方法相比不存在电极的腐蚀问题。本发明中液体是流动的，有利于液体中阴阳离子（粒子团）持续地分离或富集，而且可以通过控制磁体旋转转速或控制磁场分布实现控制液体中阴阳离子（粒子团）分离效果的作用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种利用磁场实现溶液中阴阳离子分离的装置，所述装置包括液体输送部分、洛仑兹力分离装置、磁场空间和液体收集部分，所述液体输送部分通过洛仑兹力分离装置连接液体收集部分，所述洛仑兹力分离装置设置在磁场空间内，所述磁场空间为配有电机的旋转磁场空间；
进一步地，所述洛仑兹力分离装置包括液体分离流道、液体进液输送管和第一液体出液输送管、第二液体出液输送管和第三液体出液输送管，所述液体进液输送管一端连接液体输送部分，另一端通过液体分离流道分别连接第一液体出液输送管、第二液体出液输送管和第三液体出液输送管，所述第一液体出液输送管、第二液体出液输送管和第三液体出液输送管另一端均连接液体收集部分；
进一步地，所述装置液体输送部分用于将溶液、离子液体或者含有阴阳电性的粒子团的液体通过液体进液输送管输送到配有电机的旋转磁场空间中；所述配有电机的旋转磁场空间液体中的阴阳离子在洛仑兹力的作用下发生偏转，阴离子和阳离子会偏向两个相反的方向，并分别从左右两个不同的出流口流出，低浓度的液体从第二液体出液输送管的出流口流出，并由液体收集部分收集；
进一步地，所述磁场空间由永磁体直接构成，其形状为圆柱体、圆锥体或圆台状，横截面为方形、三角形、梯形或多边形，对采用的永磁体或者轭铁的横截面形状为方形、三角形、梯形或多边形；
进一步地，所述磁场空间由轭铁配合永磁体构成，其形状为圆柱体、圆锥体或圆台状，横截面为方形、三角形、梯形或多边形，对采用的永磁体或者轭铁的横截面形状为方形、三角形、梯形或多边形；
进一步地，所述的磁场空间由磁体、轭铁并配合电机带动形成，旋转过程中磁场空间两侧的磁体的旋转状态包括同步旋转、异步旋转和一侧静止另一侧旋转,所述的磁体结构也可以仅由单侧磁体组成；
进一步地，所述磁场洛仑兹力分离装置采用多级结构，所述多级结构的前一级的液体出口为后一级的液体入口；
进一步地，所述磁场洛仑兹力分离装置采用多磁场空间并联的方式实现，所述多磁场空间并联为液体通过入口流入洛仑兹力分离装置后可以分别同时流入数个相互并行的磁场空间中，然后汇总后从出口流出；
进一步地，所述洛仑兹力分离装置中的磁体采用层叠结构，所述层叠结构为：由多个磁体组成层叠磁体阵列或者由磁体加轭铁组成阵列结构；
进一步地，一种利用磁场实现溶液中阴阳离子分离的方法，所述方法包括：
S1：将溶液、离子液体或者含有阴阳电性的粒子团的液体通过液体进液输送管输送到配有电机的旋转磁场空间中；
S2：液体中的阴阳离子在高速旋转的磁场空间中受到洛仑兹力的作用下而发生偏转，阴离子和阳离子分别偏向两个相反的方向，分别偏向到流道的两侧；
S3：在液体分离流道中发生偏向的阴阳离子通过导流板分别从第一液体出液输送管和第三液体出液输送管流出，低浓度液体从第二液体出液输送管流出，并由液体收集部分进行收集，完成分离；
本发明的有益效果如下：
1）：本发明可以在常温常压下实现液体中阴阳离子（粒子团）的分离或富集；
2）：本发明与电化学反应方法相比不存在电极的腐蚀问题，相比之下设备的稳定性更强；
3）：本发明利用液体是流动的，可实现连续分离和富集；
4）：本发明可以通过控制磁体转速或控制磁场分布达到控制液体中阴阳离子（粒子团）分离效果的作用。
附图说明
图1为本发明所述装置结构图；
图2为本发明中所述电机驱动的洛仑兹力分离装置图；
图3为本发明中所述由永磁体构成的洛仑兹力分离装置结构图；
图4为本发明中所述由永磁体构成的洛仑兹力分离装置结构立体图；
图5 为本发明中所述具有层叠结构的洛仑兹力分离装置结构图；
图6为本发明中所述磁体加轭铁（圆柱体）构成的洛仑兹力分离装置结构图；
图7为本发明中所述磁体加轭铁（异形）构成的洛仑兹力分离装置结构图；
图8为本发明中所述具有闭合磁路的洛仑兹力分离装置结构图；
图9为本发明中所述具有阵列结构的洛伦兹力装置流道布置图；
图10为本发明中所述由具有翻转充磁方向的永磁体构成的洛仑兹力分离装置结构图；
图11为本发明中所述非整体永磁体构成的洛仑兹力分离装置结构图；
图12为本发明中所述非整体永磁体构成的洛仑兹力分离装置结构立体图；
图13为本发明中所述磁场空间中流道的结构图；
图14为本发明中所述具有半渗透膜的流道结构图；
图15为本发明中所述具有多层半渗透膜的流道结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
如图1所示，展示了本发明的实施实例之一的洛仑兹力分离装置的结构图。装置由液体输送部分1、洛仑兹力分离装置4以及液体收集部分7组成。其中，液体输送部分1由储液瓶2、液体输送泵3-1和液体进液输送管3-2组成；洛仑兹力分离装置4由配有电机的旋转磁场空间5、液体分离流道6以及液体进液输送管3和液体出液输送管8组成；液体收集部分7由液体出液输送管8和液体收集装置17组成。液体输送部分1可以将溶液、离子液体或者含有阴阳电性的粒子团的液体通过液体进液输送管3输送到配有电机的旋转磁场空间5中，液体中的阴阳离子（颗粒团）在洛仑兹力的作用下发生偏转，阴离子（颗粒团）和阳离子（颗粒团）会偏向两个相反的方向，并分别从左右两个不同的出流口流出，低浓度的液体从中间的出流口流出，并由液体收集部分7收集。
图2所示为电机驱动的洛仑兹力分离装置图。由电动机11（该电机可以由交流电机或直流电机充当，也可以由其他动力来源的转动装置充当）、联轴器12、设备传动轴9以及固装在轴上的磁体10组成。
图3为永磁体构成的洛仑兹力分离装置结构图，图4为其立体视图。该部分可以如图3或 4所示由永磁体10构成，也可以如图5所示由层叠磁体阵列10组成，也可以如图6~图8所示由永磁体10和轭铁13组成。其中图6与图7的区别在于轭铁的形状，轭铁的截面形状不只限于图6所示的方形，也可以是其他形状，图7给出了其中的一种轭铁形状；图6和图8的区别在于，图6中的轭铁处于磁场空间5的两侧，可以通过改变轭铁的间距、形状调节磁场空间中的磁场大小以及磁场分布；图8中的轭铁处于永磁体的外侧，两轭铁之间转动主轴的位置也由轭铁构成，并联通两侧的轭铁用于联通永磁体形成的磁力线。
图9展示了具有阵列结构的洛伦兹力装置流道布置图。液体分离流道6可置于层叠阵列形成的磁场空间5中的各个位置。
图10展示了由具有翻转充磁方向的永磁体构成的洛仑兹力分离装置的结构图，永磁体10可以由图10所展示的具有翻转充磁方向的永磁体构成。其中10为一种永磁方向的永磁体，10’为具有相反充磁方向的永磁体。
图11展示了不均匀分布永磁体构成的洛仑兹力分离装置的结构平面示意图，洛仑兹力分离装置可以由如图11所示的装置构成磁场空间。该装置由如图5所示的轭铁构成，轭铁两侧的永磁体是分离的分布在轭铁的外侧。
图12为不均匀分布永磁体构成的洛仑兹力分离装置的结构立体图，图中永磁体10与轭铁13配合在磁场空间5中产生磁场，轭铁13和永磁体10依靠支撑板17配合设备传动主轴9完成支撑。
图3~8和图10~12中所展示的所有磁体结构也可以仅由单侧磁体组成。
图13展示了磁场空间中流道装置结构视图，由液体进液输送管3、流道15、导流板14以及液体出液输送管8组成。其流道的主体部分处于转动的磁场空间5中；液体出液输送管8可以分为左中右三个出液管分别为第一液体出液输送管8-1、第二液体出液输送管8-2和第三液体出液输送管8-3。
图14展示了具有半渗透膜的流道装置结构图，由液体进液输送管3、流道15、渗透膜16以及液体出液输送管8组成。其流道的主体部分处于转动的磁场空间5中；液体出液输送管8可以分为左中右三个出液管分别为第一液体出液输送管8-1、第二液体出液输送管8-2和第三液体出液输送管8-3。
图15展示了具有多层半渗透膜的流道装置结构图，由液体进液输送管3、流道15、渗透膜16以及液体出液输送管8组成。其流道的主体部分处于转动的磁场空间5中；液体出液输送管8可以分为左中右三个出液管分别为第一液体出液输送管8-1、第二液体出液输送管8-2和第三液体出液输送管8-3。
图1、图13和图14展示了本发明实施实例之一的磁分离装置结构视图。整体装置由液体输送部分1、洛仑兹力分离装置4以及液体收集部分7组成。置于储液瓶2中的含有阴阳离子的液体由液体输送泵3-1泵出，并通过液体输送管3-2送入至于高速旋转的磁场空间5中的液体分离流道6中。其中，液体输送部分1由储液瓶2、液体输送泵3-1和液体进液输送管3-2组成；洛仑兹力分离装置4由配有电机的旋转磁场空间5、液体分离流道6以及液体进液输送管3和液体出液输送管8组成，旋转磁场空间5是由如图3~12所示的磁体结构并配有电机带动达成的，旋转过程中磁场空间两侧的磁体可以是同步的，也可以是异步的，甚至于一侧不动只另一侧旋转均可；液体收集部分7由液体出液输送管8和液体收集装置17组成。液体输送部分1可以将溶液、离子液体或者含有阴阳电性的粒子团的液体通过液体进液输送管3-2输送到配有电机的旋转磁场空间5中，液体中的阴阳离子（颗粒团）在高速旋转的磁场空间5中会受到洛仑兹力的作用下而发生偏转，阴离子（颗粒团）和阳离子（颗粒团）会偏向两个相反的方向，分别偏向到流道的两侧。在图13的流道中发生偏向的阴阳离子（颗粒团）会通过导流板分别从第一液体出液输送管8-1和第三液体出液输送管8-3流出，低浓度液体从第二液体出液输送管8-2流出，并有液体收集部分17进行收集。在图14的流道中发生偏向的阴阳离子（颗粒团）会穿过渗透膜到流道15两侧的流道中，并分别从第一液体出液输送管8-1和第三液体出液输送管8-3流出，低浓度液体从第二液体出液输送管8-2流出，并有液体收集部分7进行收集。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种利用磁场实现溶液中阴阳离子分离的装置，其特征在于，所述装置包括液体输送部分、洛仑兹力分离装置、磁场空间和液体收集部分，所述液体输送部分通过洛仑兹力分离装置连接液体收集部分，所述洛仑兹力分离装置设置在磁场空间内，所述磁场空间为配有电机的旋转磁场空间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述洛仑兹力分离装置包括液体分离流道、液体进液输送管和第一液体出液输送管、第二液体出液输送管和第三液体出液输送管，所述液体进液输送管一端连接液体输送部分，另一端通过液体分离流道分别连接第一液体出液输送管、第二液体出液输送管和第三液体出液输送管，所述第一液体出液输送管、第二液体出液输送管和第三液体出液输送管另一端均连接液体收集部分。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置液体输送部分用于将溶液、离子液体或者含有阴阳电性的粒子团的液体通过液体进液输送管输送到配有电机的旋转磁场空间中；所述配有电机的旋转磁场空间液体中的阴阳离子在洛仑兹力的作用下发生偏转，阴离子和阳离子会偏向两个相反的方向，并分别从左右两个不同的出流口流出，低浓度的液体从第二液体出液输送管的出流口流出，并由液体收集部分收集。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述磁场空间由永磁体直接构成，其形状为圆柱体、圆锥体或圆台状，横截面为方形、三角形、梯形或多边形，对采用的永磁体或者轭铁的横截面形状为方形、三角形、梯形或多边形。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述磁场空间由轭铁配合永磁体构成，其形状为圆柱体、圆锥体或圆台状，横截面为方形、三角形、梯形或多边形，对采用的永磁体或者轭铁的横截面形状为方形、三角形、梯形或多边形。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的磁场空间由磁体、轭铁并配合电机带动形成，旋转过程中磁场空间两侧的磁体的旋转状态包括同步旋转、异步旋转和一侧静止另一侧旋转,所述的磁体结构也可以仅由单侧磁体组成。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述磁场洛仑兹力分离装置采用多级结构，所述多级结构的前一级的液体出口为后一级的液体入口。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述磁场洛仑兹力分离装置采用多磁场空间并联的方式实现，所述多磁场空间并联为液体通过入口流入洛仑兹力分离装置后可以分别同时流入数个相互并行的磁场空间中，然后汇总后从出口流出。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述洛仑兹力分离装置中的磁体采用层叠结构，所述层叠结构为：由多个磁体组成层叠磁体阵列或者由磁体加轭铁组成阵列结构。
10.一种利用磁场实现溶液中阴阳离子分离的方法，基于上述权利要求1-9之一所述的装置，其特征在于，所述方法包括：
S1：将溶液、离子液体或者含有阴阳电性的粒子团的液体通过液体进液输送管输送到配有电机的旋转磁场空间中；
S2：液体中的阴阳离子在高速旋转的磁场空间中受到洛仑兹力的作用下而发生偏转，阴离子和阳离子分别偏向两个相反的方向，分别偏向到流道的两侧；
S3：在液体分离流道中发生偏向的阴阳离子通过导流板分别从第一液体出液输送管和第三液体出液输送管流出，低浓度液体从第二液体出液输送管流出，并由液体收集部分进行收集，完成分离。
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