一种分离溶液中离子的方法及装置 本发明涉及一种分离溶液中离子的方法及装置。
电解质溶液或溶液中的离子在电场作用下作有序定向运动的过程叫做电解。众所周知，电解可以分离溶液或溶液中的离子，在工业上的应用很广，它可以用来制取某些活泼的金属。例如，电解熔融状态的氢氧化钠时，可以制得金属钠。电解某些化合物的溶液，可以制得许多重要的工业原料。例如，电解食盐水可以得到氯气，氢气和氢氧化钠。但利用电解分离溶液中离子时，即使电解池的体积不大，电解池中各处的电流密度也存在着不均匀地问题，由于电解池中各处离子在电极电场作用下的有序定向运动快慢不同等原因，使得电解不能有效地用来清除掉大量溶液中的离子，故在工业生产中一直未采用电解软化硬水，淡化海水，净化污水，生产纯水。
本发明提供了一种分离溶液中离子的方法及装置，其目的之一是用于清除掉大量水溶液中的离子，为工业锅炉提供不含钙、镁离子的软化水，为大型军舰、潜水艇、远离大陆的具有非常重要战略价值的无淡水来源的小岛以及沿海严重干旱缺水的地区提供淡化的海水，还可用于清除生活用水中以离子形态存在的汞、铅、镉等重金属元素，净化污水，生产纯水等。
本发明还有一个目的，那就是生产氢气、酸，碱等工业原料。
为达到上述各目的，本发明提供了一种分离溶液中离子的方法，它是将溶液池放置在磁铁的磁场中，使磁铁的磁感应线穿过溶液池，所述溶液池被磁铁的磁感应线穿过的部位使用绝缘材料制造，当溶液进入溶液池中被磁铁的磁感应线穿过的区域时，利用动力装置通过传动系统使磁铁相对于溶液池运动，让磁铁的磁感应线切割溶液池中的溶液，令溶液中的离子在洛仑兹力的作用下产生有序的定向运动，将溶液中的金属阳离子和酸根阴离子阻挡分离至溶液池中的不同区域。
所述磁铁相对于溶液池的运动是将溶液池置于可作旋转运动或直线运动的磁铁的磁场中，利用动力装置通过传动系统使磁铁以相对恒定的速率作旋转运动或直线运动，所述磁铁相对于溶液池运动时不接触溶液池及溶液池中的溶液，磁铁与溶液池之间留有间隙。
所述磁铁是以异性磁极相对的方式相对静止地成对置于溶液池两侧，溶液池与成对磁铁异性磁极相对的部位呈扁平状，成对磁铁异性磁极之间的磁感应线垂直于磁铁相对于溶液池运动的方向。
所述溶液池中的溶液由与液压控制系统相连通的进液管输入溶液池，所述进液管布置在溶液池中远离磁铁的磁感应线切割溶液的区域，进液管上开有至少一个可通过溶液的洞孔，所述溶液池中含有被磁场的洛仑兹力阻挡分离出来的离子的溶液由与液压控制系统相连通的排液管输出溶液池，所述排液管布置在磁铁的磁感应线开始切割溶液的区域，排液管上开有至少一个可通过溶液的洞孔，所述溶液池中含有被磁场的洛仑兹力推动分离出来的离子的溶液由与液压控制系统相连通的出液管输出溶液池，所述出液管布置在磁铁的磁感应线结束切割溶液的区域，出液管上开有至少一个可通过溶液的洞孔，当溶液通过进液管被输入溶液池并流向被磁铁的磁感应线切割的区域后，经排液管和出液管分别将含有金属阳离子和酸根阴离子的溶液输出溶液池，将溶液中的离子分离开来。
为实现上述一种分离溶液中离子的方法，本发明提供了一种分离溶液中离子的方法的装置，它包括溶液池和至少一块其磁感应线穿过溶液池的磁铁及可使磁铁相对于溶液池运动的动力装置和传动系统，所述溶液池被磁铁的磁感应线穿过部位使用绝缘材料制造。
所述可使磁铁相对于溶液池运动的动力装置和传动系统包括电机，两个带轮，传送带，立轴；所述电机通过两个带轮及传送带拖动立轴作旋转运动，立轴通过两端的轴承和端盖被安装固定在机架上。
所述立轴的两个轴承之间装配两个转盘，两个转盘与立轴的轴孔配合用键定位，轴向用轴肩和螺栓定位，所述上转盘的下端面和下转盘的上端面各自以立轴为中心、以异性磁极相对的方式安装固定一个永磁磁铁制造的环形磁铁。
所述立轴上的两个轴承之间装配两个电磁铁制造的环形磁铁，环形磁铁与立轴的轴孔配合用键定位，立轴用非导磁材料制造。
所述溶液池为环形溶液池，环形溶液池以立轴为中心被置于两个环形磁铁之间，并被安装固定在机架上，与两个环形磁铁相互不接触，环形溶液池内环不与立轴接触。
所述环形溶液池中沿外环以立轴为中心安置有至少一圈其上均匀开有很多可使溶液通过的洞孔的环形进液管，在环形溶液池中沿两个环形磁铁的磁感应线开始切割溶液的区域以立轴为中心安置有至少一圈其上均匀开有很多可使溶液通过的洞孔的环形排液管，在环形溶液池中沿两个环形磁铁的磁感应线结束切割溶液的区域以立轴为中心安置有至少一圈其上均匀开有很多可使溶液通过的洞孔的环形出液管，所述环形进液管、环形排液管、环形出液管分别穿过环形溶液池的外环壁与液压控制系统相连。
在本发明的一种分离溶液中离子的方法及装置中，采用将溶液池置于可作旋转运动的磁铁磁场中，利用动力装置通过传动系统使磁铁相对于溶液池运动并使磁铁的磁感应线切割溶液池中的溶液。由于物质中通常存在带电粒子而不存在磁荷，磁场是由运动的带电粒子激发产生的，当磁场穿进磁介质时，只要磁介质不是铁磁质，磁介质对磁场的磁感应强度的影响一般都很小，在这点上磁场与电场有很大的差异。因此，溶液池中即使充有大量的抗磁质溶液，磁铁的磁感应线也还是能够几乎不受影响地穿进去，使溶液中的离子在磁场的洛仑兹力作用下产生有序的定向运动。而电场的电力线在穿进电解质溶液或电介质材料时，会受到感应电荷或极化电荷的影响而被严重削弱。此外，由于本发明中的溶液池处于静止不动状态，很容易使溶液输入和输出溶液池，当溶液以较低的流速平稳地流过溶液池中被磁铁的磁感应线切割的区域时，磁场的洛仑兹力会迅速地将溶液中的金属阳离子和酸根阴离子阻挡分离至溶液池中的不同区域，再通过排液管和出液管分别将其输出溶液池。故本发明的一种分离溶液中离子的方法及装置与利用电解分离溶液中离子的方法及装置有着本质上的不同，可用于清除或分离大量溶液中的离子，将其用于软化工业锅炉用水，具有操作工艺简单，软化水质量稳定，能耗低等特点。
目前的海水淡化方法主要是蒸馏法和反渗透法，多用在需从事远洋航行但又不便在其它国家补充淡水的核潜艇，大型军舰上以及少数几个国家的严重干旱缺水地区，与这两种海水淡化方法相比，本发明的一种分离溶液中离子的方法及装置用于海水淡化，其特点是比较适合用于大量地淡化海水，同时其能耗及单位成本更低，非常适合用于解决需要长期在海上活动的核潜艇、大型军舰等海上活动舰船的淡水供应问题，改善舰艇上人员的生活条件，也可用来解决某些沿海干旱地区的淡水短缺问题。当远离大陆的没有淡水来源但又具有非常重要的战略价值或象征意义的小岛由于受到敌方长期的海上封锁而面临淡水断绝的困难时，利用本发明的一种分离溶液中离子的方法及装置，将有助于解决岛上人员的生活用水问题，并可为被封锁方创造一定的回旋余地。
生活用水中即使含有微量的汞、铅、镉等元素也会对人体产生不良的影响，如何有效地消除大量生活用水中的有害元素，是一个关系到千家万户的人们健康的问题，本发明的一种分离溶液中离子的方法及装置，可有效地迅速除去水中以离子态存在的汞、铅、镉等对人体有害的元素，提高人们生活用水的质量。
下面结合有关的理论知识对本发明的一种分离溶液中离子的方法作详细说明。
磁场对相对于磁场运动的带电粒子作用磁力，当磁场方向与带电粒子的相对运动方向垂直时，带电粒子所受磁力最大，由磁场对带电粒子的作用力公式可知，带电粒子所受的磁力即洛仑兹力还与带电粒子的磁感应强度和带电粒子相对于磁感应线运动的速度而不是相对于观察者的运动速度成正比，但洛仑兹力总是与带电粒子相对于磁感应线运动的方向垂直，只能使带电粒子相对于磁感应线运动的方向偏转，而不能改变其相对于磁感应线运动速度的大小。因此，当磁铁相对于溶液池运动，使溶液池中的溶液受到磁感应线切割时，溶液中的金属阳离子和酸根阴离子将在洛仑兹力的作用下沿相反的方向作迭加在离子的热运动之上的有序的定向运动，由于洛仑兹力总是与带电粒子相对于磁感应线运动的方向垂直，并不改变带电粒子相对于磁感应线运动的速度，故提高磁感应线切割溶液的速度可提高溶液中金属阳离子和酸根阴离子在洛仑兹力作用下产生的相对于溶液的有序定向运动的速度。
必需强调，磁场对运动电荷的作用力公式F＝q(V×B)中的速度V必须是磁感应线相对于电荷的运动速度，不是其它参照系相对于电荷的运动速度，洛仑兹力F的大小不可能随观察者选择的参照系的不同而改变。同样地洛仑兹力F的方向仅仅是与带电粒子相对于磁感应线运动的方向垂直，仅仅是在相对于磁感应线静止的参照系中不改变带电粒子的运动速度。
在水溶液中，大量离子在洛仑兹力作用下产生有序的定向运动，会使水溶液中以离子态存在的盐趋于发生分解反应，即水溶液中的金属阳离子在缺少其它酸根阴离子的区域会趋于同水溶液中的OH-离子结合生成碱，或者是生成金属氧化物或金属，而水溶液中的酸根阴离子在缺少金属阳离子的区域将趋于同水溶液中的H+离子结合生成酸，或者是生成非金属氧化物。
由于金属阳离子和酸根阴离子在相互分离时会立即被OH-离子和H+离子中和，不能在溶液中的任何区域产生带电离子的积累，因此也就不能在溶液中的任何区域形成恒稳电场，故水溶液性质的导体在磁场中运动并切割磁感应线不会像金属导体那样在切割磁感应线的导体两端产生电势差，也不会有电流在溶液中出现，但外界输入的能量在溶液切割磁场的磁感应线时也会发生转化，通常是转化成了溶液中以离子态存在的盐被磁解生成碱或碱性非金属氧化物和酸或酸性金属氧化物之间所具有的化学能。
如果水溶液中存在的仅仅是酸或者是碱，则水溶液中的金属阳离子或者是酸根阴离子在受到磁场的洛仑兹力作用时，同样会产生有序的定向运动，被集中浓缩在溶液池中的某个区域，在这一过程中，外界输入的能量通过磁场转化成了酸或者是碱脱水所需消耗的能量，在工业生产中可用于对酸或者是碱的浓缩脱水。
电解质溶液性质的导体切割磁场的磁感应线会使溶液中的电解质发生非自发的化学反应或物理变化，为了能够分析研究这种变化，可参照金属导体切割磁场的磁感应线的分析研究方法引入动生电离势概念，对动生电离势的分析计算可参照感生电动势的分析计算进行。不难理解，不同性质的电解质具有不同的电离势，只有当外加的动生电离势大于溶液中正负离子之间的电离势时，相应的化学反应或物理变化才会发生。
本发明的一种分离溶液中离子的方法是利用动力装置通过传动系统使磁铁相对于溶液池运动，令磁铁的磁感应线切割溶液池中的溶液，故制造溶液池上需要让磁铁的磁感应线穿进部位的材料显然不能是导磁材料，因为这会使磁铁的磁感应线无法切割到溶液池中的溶液。但制造溶液池上会受到磁铁的磁感应线切割部位的材料如果是铝、铜、不锈钢这类可导电的非导磁材料，则该部位在受到磁铁的磁感线的切割时，会在被切割的金属导体上产生动生电动势，动生电动势使金属导体上被磁感生线切割部位的两端出现过剩的正电荷和负电荷，这些过剩的正负电荷不仅会在金属导体上产生一个静电场，对金属导体上受磁铁的磁感应线切割部位的带电粒子产生与磁场的洛仑兹力相反的作用，阻挡过剩电荷的进一步增加，同时也会对溶液中受磁铁的磁感应线切割部位的离子产生与磁场的洛仑兹力相反的电解作用，阻止溶液中离子在磁场的洛仑兹力作用下的分离。此外，这一动生电动势还会通过溶液等导体形成电流回路，电解溶液中的离子，这种电解作用仅仅是消耗一些能量，没有什么有益的效果。故制造溶液池上会受到磁铁的磁感应线切割部位的材料应使用绝缘材料。
本发明的一种分离溶液中离子的方法通常采用将磁铁以异性磁极相对的方式相对静止地成对置于溶液池两侧，为使磁铁的两个异性磁极之间的磁通密度均匀，两个异性磁极之间的空间距离不宜很远，因此，置于其中的溶液池的高度受到很大限制，只能呈扁平状。为了能够在溶液穿过磁铁的磁感应线切割区域时保持较低的流速和较大的流量，可采取加大磁铁的磁感应线切割区域的方法，从而使得溶液流向磁铁的磁感应线切割区域的“入口”面积加大，使溶液能够以较低的流速较大的流量穿过磁铁的磁感应线切割区域。
下面结合附图对本发明的一种分离溶液中离子的方法的装置作进一步详细描述。
图1是本发明的一种分离溶液中离子的方法的装置的一种实施方式的主视图。
图2是本发明的一种分离溶液中离子的方法的装置的另一种实施方式的主视图。
图1所示的本发明的实施方式中的环形磁铁11是用永磁铁制造的，环形磁铁11与转盘9之间的固定联接方式可采用树脂粘接，螺栓紧固等方式，由于永磁磁铁可以用拼接的方式制成环形磁铁11，在工艺上较易加工制造成大直径的环形磁铁11，用于处理大流量的溶液。但永磁磁铁制造的环形磁铁11的磁场强度是不可调控的，对作用于溶液中离子的动生电离势的调整只能通过立轴5转速的变化来进行，即电机1需要是转速可调的，以便于处理不同性质的电解质溶液。
在图1所示的本发明的实施方式中，如果环形磁铁11的内环半径较大，其磁感应线远离立轴5，则立轴5可以不用非导磁材料。
从图1所示的本发明的实施方式的主视图还可以看出，两个环形磁铁11是以异性磁极相对的方式布置在环形溶液池12的上、下两个端面附近，环形溶液池12以立轴5为中心水平固定在机架8上，当电机1通过带轮2带动传送带4和带轮3及立轴5旋转时，立轴5通过定位键10使装配在立轴5上的两个转盘9随之转动，使两个环形磁铁11的磁感应线切割环形溶液池中的溶液，而立轴5则通过轴两端的轴承6和端盖7固定装配在机架8上。
向环形溶液池12中输入溶液的环形进液管13上均匀地钻有许多可通过溶液的洞孔，其目的是使溶液能以均恒的流速穿过两个环形磁铁11的磁感应线切割的区域。基于同样的目的，将溶液输出环形溶液池12的环形排液管14和环形出液管15也采用在其上均匀地钻许多可通过溶液的洞孔的方式输出溶液。为简单计，图1所示的主视图上仅象征性地各画了一圈环形进液管13、环形排液管14和环形出液管15，在具体实施时可根据输入溶液的流量和流速等因素设计管路的直径，开孔的数量、环绕圈数等。
图2所示的本发明的另一种实施方式是采用电磁制造两个环形磁铁16，其它部位与图1所示的实施方式基本相同。在图2所示的实施方式中，环形磁铁16与立轴5是通过电磁铁的铁芯以轴孔配合的方式装配的，并用定位键8定位。
采用电磁铁制造环形磁铁16可以通过对电磁铁线圈电流的大小和方向调控两个环形磁铁16的磁场方向和磁感应强度，可用于处理不同性质的电解质溶液。但利用电磁铁制造大直径的环形磁铁16其工艺难度较大，造价也较高。
利用本发明的一种分离溶液中离子的方法及装置处理离子浓度不高的溶液时，例如处理供工业锅炉使用的含钙、镁离子的硬水，可通过液压控制系统让环形进液管13和环形出液管15处于常开状态，让溶液从环形进液管13流经环形溶液池12中被环形磁铁11或16的磁感应线切割的区域后通过环形出液管15输出环形溶液池12，同时还需确定电机1的旋转方向，使磁场的洛仑兹力的方向是阻止金属阳离子穿过环形溶液池12中的磁感应线切割区域，当待处理的硬水进入环形溶液池12中的磁感应线切割区域时，由于磁场的洛仑兹力作用，水中的几种含钙、镁离子的盐，将发生如下化学反应：
由于环形磁铁11或16的磁感应线切割溶液的速度远大于溶液流动的速度，因此在磁场的洛仑兹力作用下溶液中离子作有序定向运动的速度也会相应较高，使得低速流动的溶液不能将受到磁场的洛仑兹力阻挡作用的钙，镁等金属阳离子带到环形出液管15附近，这样，从环形出液管15输出的就是不含钙，镁等金属阳离子的软化水了，其中含有少量的稳定酸根阴离子用少量的Na2CO3中和就可以了。而被磁场的洛仑兹力阻挡下来的钙、镁离子则在环形排液管14附近与OH-离子结合生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，并被环形排液管14定期或不定期地输出环形溶液池12。不难理解，上述原理及过程也可以用来清除掉生活用水中以离子态存在的汞、铅、镉等有害元素。
如果待处理的溶液中离子的浓度非常高，则环形出液管15输出的溶液中可能也会混进需分离出去的离子，在这种情况下可将环形出液管15输出的溶液输入其它本发明的一种分离溶液中离子的方法及装置中再进行处理，就可以清除掉溶液中需分离出去的离子了。此外，在溶液中需分离的离子浓度非常高的情况下，例如利用NaCI的饱和溶液生产NaOH和HCI的情况，可通过液压控制系统使环形进液管13，环形排液管14和环形出液管15都处于常开状态，以便及时地将被分离的离子输出环形溶液池12。
淡化海水及生产纯水不仅要除掉溶于水中的各种金属阳离子，还需除掉其中大量的酸根阴离子。利用本发明的一种分离溶液中离子的方法及装置淡化海水及生产纯水，需将多套装置的环形出液管15通过液压控制系统与环形进液管串联起来，构成一个多级分离溶液中离子的方法及装置，各级装置利用磁场的洛仑兹力交替阻挡分离溶液中的金属阳离子或酸根阴离子，并通过各级装置的环形排液管14将富含金属阳离子或酸根阴离子的溶液排出，如此循环往复，在多级分离溶液中离子的方法及装置终端的环形出液管15得到的就是淡水或纯水了。
本发明的一种分离溶液中离子的方法及装置中的动力装置，并不仅限于使用电动机，同样也可以使用其它动力装置，如液压马达，内燃机等；其传动系统也不仅限于带传动，同样也可采用其它传动形式，如齿轮传动，链传动等。为了防止高速旋转的转盘9等转动零部件对操作人员安全操作产生安全隐患，还需将整个装置置于铁皮的包覆之中，包覆整个装置的铁皮罩用螺栓固定在机架8上。