一种兼具降污功能的电磁场耦合脱盐装置及方法技术领域
本发明涉及海水淡化及生活污水处理领域，具体是指一种兼具降污功
能的电磁场耦合脱盐方法及装置。
背景技术
淡水资源缺乏是21世纪的焦点问题之一。据统计，地球上的水资源
总量巨大，约13.8亿立方公里，但其中97.5％是海水(13.45亿立方公里)，
淡水仅占2.5％，这其中绝大部分又为极地冰雪冰川和地下水，真正被人
类享用的只有0.01％。中国虽然淡水资源排名世界第六位，但水资源在空
间和时间上的分布不均匀导致中国人均淡水资源排名世界第119位，全国
更是有110个城市严重缺水，在此严峻现状下，发展海水淡化技术产业解
决水源稀缺的问题迫在眉睫。
传统的的海水淡化技术有蒸馏法、冷冻法、电渗析法、膜法等。蒸馏
法比较原始，通过加热海水，使水经过汽化再冷凝的方式与盐脱离。但蒸
馏设备存在造价高，高温高压条件下配件易损坏，耗能量巨大等问题。冷
冻法是从结冰海水里分离出盐分从而得到海水的办法。但冷冻海水过程也
是耗能巨大，且分离得到的海水质量差。电渗析法和膜法是两种海水淡化
的新方向，电渗析法虽然解决了能耗大、添加化学剂多、操作繁等问题，
但海水淡化室中添加的化学剂残留使出水不能用作饮用水；而膜法又存在
膜成本高，重复利用性差等缺点。
专利CN201510130271.3公开了一种海水淡化系统及海水淡化方法，
通过海水中的杂质粒子在电场的作用下发生离子浓差极化现象，然后海水
在外界压力的作用下，杂质粒子和淡水达成分离。但该系统配件复杂需要
多道工序组成，且该系统只适用于少量的海水淡化，扩大化过程中能耗也
会加大，应用前景较小。而专利CN201210289714.X发明涉及一种海水淡
化装置，包括空气增湿塔和空气脱湿塔，空气增湿塔和空气脱湿塔的上部
相互连通，该海水淡化的装置利用热力发电厂的余热制造淡水，使海水淡
化的成本降低，但由于这一特征使海水淡化大大受到了地域限制。
与此同时，随着城市化进程的加快，生活污水排放量急剧增加。目前，
生活污水的处理旨在去除其中的COD，而研究表明COD是一种劣质能源，
存在潜在的利用价值。另一方面，利用磁场浓缩和纯化水是一项具有潜在
应用前景的技术。
因此，如何将多种方向的水处理及多个生物物理技术耦合以达到节
能、环保、可持续的目的是有必要的。
发明内容
本发明提供了一种兼具降污功能的电磁场耦合脱盐装置及方法，能够
在处理生活污水的同时利用装置自己产生的电场耦合磁场脱去海水中的
盐分。
一种兼具降污功能的电磁场耦合脱盐装置，包括反应器，所述反应器
内依次分隔为阳极室、中间室和阴极室；
所述阳极室带有生活污水进口和生活污水出口，内置阳极电极；所述
中间室带有海水进口和淡水出口；所述阴极室带有酸性废水进口和酸性废
水出口，内置阴极电极；
所述阴极电极与阳极电极之间通过导线连接；
所述反应器外还设有为阳极室内提供水平磁场的弱磁铁及为中间室
内提供垂直磁场的强磁铁。
所述反应器内沿长度方向依次为阳极室、中间室和阴极室，阳极室与
中间室之间由阴离子膜隔开，中间室与阴极室之间由阳离子膜隔开，阴极
电极与阳极电极之间由导线连接并连接蓄电池，处理污水时产生的电能可
抵消一部分外部供电电能，在低能耗甚至无能耗的基础上达到既处理生活
污水，又脱除海水中盐分的目的，同时光催化阴极在自然光的催化下能够
还原酸性废水中的H+，阳极电子得以导出，不产生二次污染。
本发明在阳极室和阴极室中间增加第三室，形成三室体系，阳极附着
于碳刷电极上的微生物降解生活污水中的COD并产生额外电子，而阳极
较弱水平磁场的存在能极大程度提高阳极生物膜的性能，由导线导向阴极
形成回路，产生的电能收集于蓄电池用于补充装置进水所需电量，同时中
间室的阴阳离子在装置内部自产的电场耦合外加磁场强化作用下，阴离子
转向阳极室，阳离子转向阴极室，从而实现了脱盐。阴极采用光催化硅材
料，在自然光条件下不需阴极消耗物或外加电势即可还原酸性废水中的
H+，大大节约成本。更具意义的是，该过程能耗小，且处理了生活污水，
无额外污染物排放，是一种环境友好型的脱盐设计。
优选地，所述阳极电极的材料为碳基材料。如石墨极板，碳刷，碳毡。
进一步优选为碳刷，造价低廉，比表面积大，具有良好导电性能，利于电
子导出，且抗腐蚀能力好，可在实际应用中扩大化利用。阳极电极首先经
过表面活性剂润洗，如十二烷基苯磺酸钠，o-苯基苯酚。
优选地，所述阴极电极为表面处理的光催化硅电极。光催化硅电极及
表面处理本身可采用现有技术，优选地，光催化硅电极表面处理方法及步
骤如下：
(1)活性离子刻蚀单晶硅薄片，单晶硅表面形成纳米线阵列；
(2)然后轻参杂p-Si纳米线修饰一层薄的高参杂n+层，以提高光电
压输出；
(3)将30nm共形敷膜二氧化钛层在300℃高温下修饰到实现自制的
原子沉积层，以保证能长时地稳定工作在中性PH电解质环境下；
(4)约10nm厚度的Ni通过拟共形喷射修饰到电极上。
优选地，所述阳极室、中间室和阴极室沿反应器的长度方向依次排布，
所述反应器的高宽比为1:10～1:12。在该比例条件下脱盐效率得到进一步
提高。更进一步优选地，所述反应器的宽度为50cm以上。
优选地，所述中间室的厚度为1mm-10mm。进一步优选，中间室厚度
为5mm。
此处的厚度是指阳离子膜与阴离子膜之间的间距。
优选地，反应器的高度为5cm-15cm，过薄，中间室体积小。进一步
优选为10cm。
本发明还提供一种电磁场耦合脱盐的方法，优选采用本发明装置进
行，包括如下步骤：
生活污水送入阳极室中，酸性废水送入阴极室中，海水送入中间室中，
启动中间室的垂直磁场、阳极室的水平磁场以及反应器内的内电场，进行
电磁场耦合脱盐反应，净化后的生活污水、酸性废水及淡化水排出反应器
外。
经过对磁场力F＝q×V×B以及离子运动时对水的摩擦系数f＝6πηr(η
为液体粘度，r为离子半径)分析计算以及结合装置本身进行条件筛选。
优选地，中间室的磁场强度6000Gs-12000Gs。最优选择磁场强度
10000Gs的马蹄形钕铁硼强磁铁。中间室所加垂直磁场为相对中间室底面
垂直，即本发明中所述垂直磁场为竖直磁场。
磁场强度的增大有利于运动阴阳离子发生更大的偏转，洛仑磁力分力
做功更大用于克服对水的摩擦阻力做功。
优选地，阳极室的磁场强度为1500Gs-2500Gs。最优选择磁场强度
2000Gs的弱磁铁。
优选地，中间室的海水流速为0.5m/s-2m/s。考虑节能和离子偏转受力，
最优为1m/s。过慢偏转效果差，过快离子来不及透过膜就从出水口流出。
优选地，一次处理过程中，海水在中间室的停留时间为3～6小时。以
3h为一个周期处理一个周期后，海水盐度降为1.5g/L以下，脱盐率达到
95％以上。
优选地，中间室的水温度控制在25～35℃。进一步优选为30℃。
优选地，阴极室的进水为pH5～6的弱酸性废水。
最优选地，装置启动阶段，阴极室加入M9电解液，阳极室接种菌液，
菌液由含有机物2000mg/L的生活污水和产电混菌液1:2(体积比)组成，
中间室加入静止状态的盐度为约30％的海水，30℃条件下启动反应器，启
动时间约1天；中间室的磁场强度10000Gs，阳极室的磁场强度为2000Gs；
装置稳定运行后，将COD为300mg/L生活污水以水流量为4.6t/(m3·d)
送入阳极室中，使阳极电极上的微生物获得充足碳源，同时污水COD得
到有效降解；阴极室中以水流量为9.2m3/(m3·d)送入弱酸性废水；
装置稳定运行后，海水原水以1m/s的流速进入中间室，从海水出水
口流出的水通过管道与原水合并再经水泵压入中间室，如此形成循环，以
6h为一个周期。
一个周期后，生活污水出水COD降为80mg/L以下，海水浓度降为
1g/L左右，脱盐率达到96.7％以上。
本发明在装置结构上增加中间室的强磁铁，利用带电粒子的洛仑磁力
耦合内电路的电场力强化脱盐效果；阳极室外增加普通磁铁，利用弱磁场
对微生物的作用增大输出电流，从而进一步提升脱盐效率。处理工艺上，
本发明本质上利用内电路电场和外加强磁场的耦合作用于阴阳离子；阴极
采用表面处理的光催化硅电，在日光条件下可还原H+。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)阳极水平弱电场提升生物膜性能，增大产电量。
(2)表面处理的光催化硅电极，可在日光条件下还原弱酸性电解质，
解决阴极消耗物的问题，大大节约成本。
(3)阳极弱电场提升生物膜性能，提高内电路电场，耦合强磁场，
达到电场磁场强化脱盐效果。
(4)表面处理的光催化阴极电极，可额外处理弱酸性废水，达到产
电、强化脱盐、处理生活污水和处理弱酸性废水四效合一的效果，且没有
二次污染，无阴极消耗，真正实现低成本运行。
(5)脱盐时间短，效率高，以3h为一个周期处理一个周期后，生活
污水出水COD降为100mg/L，海水盐度降为1.5g/L以下，脱盐率达到95％
以上。
附图说明
图1是本发明装置的立体结构示意图。
图2是本发明装置本发明装置的俯视示意图。
图中所示附图标记如下：
1-阴极电极2-阴极室3-生活污水进口
4-海水进口5-阳极室6-阳极电极
7-淡水出口8-垂直磁场9-内电场
10-生活污水出口11-中间室12-强磁铁
13-阴离子膜14-阳离子膜15-酸性废水进口
16-酸性废水出口。17-弱磁铁18-水泵
19-储水罐。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，一种兼具降污功能的电磁场耦合的脱盐装置，包
括反应器、若干水泵和蓄电池。
反应器内沿长度方向依次为阴极室2、中间室11、阳极室5。阴极室
和中间室由阳离子膜14隔开，阳极室和中间室由阴离子膜13隔开，使各
个室独立。
阴极室内设置阴极电极1，阴极电极为光催化硅电极，阴极室侧壁上
设置酸性废水进口15和酸性废水出口16，阴极室2由阴极电极、阳离子
膜14、酸性废水进口15及酸性废水出口16组成；阳极室内设置阳极电极
6，阳极采用碳刷电极，阳极室的侧壁上开设有生活污水进口3和生活污
水出口10，阳极室由附着产电微生物的碳刷阳极、生活污水进口3和生活
污水出口10及阴离子交换膜组成；位于阳离子膜14和阴离子膜13之间
为中间室11，中间室的侧壁上开设海水进口4和淡水出口7。
在阳极室5的外部设置弱磁铁17，弱磁铁为普通磁铁，为阳极室内提
供水平磁场；中间室外设置强磁铁12，强磁铁为马蹄形钕铁硼强磁铁，为
中间室提供垂直磁场8，阳极电极与阴极电极之间形成内电场9。
阳极电极与阴极电极之间由导线连接并连接蓄电池，蓄电池与各路水
泵18连接，为水泵提供部分电能。
反应器的高宽比为1:10～1:12。反应器的宽度为50cm以上(本实施方
式中优选为100cm)。高度为5cm-15cm(本实施方式中优选为10cm)，中
间室的厚度为1mm-10mm(本实施方式中优选为2mm)。
脱盐装置其具体运行过程如下：
装置启动阶段，阴极室加入M9电解液，阳极室接种菌液，菌液由含
有机物2000mg/L的生活污水和产电混菌液(常规产电菌)1:1(体积比)
组成，中间室加入静止状态的盐度为约3％的海水，30℃条件下启动反应
器，启动时间约2天。处理过程中中间室的垂直磁场强度为10000Gs，阳
极室的水平磁场强度为2000Gs。
装置稳定运行几个周期以后，阳极室通过蠕动泵更换并控制COD为
500mg/L的生活污水进入进水口，进水流量为4.6m3/(m3·d)，使阳极电极
上的微生物获得充足碳源，同时污水COD得到有效降解；阴极室通过蠕
动泵更换并控制弱酸性废水进入进水口进水流量为9.2m3/(m3·d)。
装置稳定运行几个周期以后，海水原水通过水泵以1m/s的流速进入
海水进水口，从海水出水口流出的水通过管道与原水合并再经水泵压入中
间室，如此形成循环，以1.5h为一个周期。
一个周期后，生活污水出水COD降为200mg/L，海水盐度降为10g/L
以下，脱盐率达到66.7％以上。
实施例2
装置结构整体结构域实施例1相同。
装置启动阶段，阴极室加入M9电解液，阳极室接种菌液，菌液由含
有机物2000mg/L的生活污水和产电混菌液(常规产电菌)1:2(体积比)
组成，中间室加入静止状态的盐度为约3％的海水，30℃条件下启动反应
器，启动时间约1天。处理过程中中间室的垂直磁场强度为10000Gs，阳
极室的水平磁场强度为2000Gs。
装置稳定运行几个周期以后，通过蠕动泵更换并控制COD为500mg/L
的生活污水进入进水口，进水流量为2.3t/(m3·d)，使阳极电极上的微生物
获得充足碳源，同时污水COD得到有效降解；阴极室通过蠕动泵更换并
控制弱酸性废水进入进水口进水流量为9.2m3/(m3·d)。
装置稳定运行几个周期以后，海水原水通过水泵以1m/s的流速进入
海水进水口，从海水出水口流出的水通过管道与原水合并再经水泵压入中
间室，如此形成循环，以3h为一个周期。
一个周期后，生活污水出水COD降为100mg/L，海水盐度降为1.5g/L
以下，脱盐率达到95％以上。
实施例3
装置结构整体结构域实施例1相同。
装置启动阶段，阴极室加入M9电解液，阳极室接种菌液，菌液由含
有机物2000mg/L的生活污水和产电混菌液(常规产电菌)1:2(体积比)
组成，中间室加入静止状态的盐度为约3％的海水，30℃条件下启动反应
器，启动时间约1天。处理过程中中间室的垂直磁场强度为10000Gs，阳
极室的水平磁场强度为2000Gs。
装置稳定运行几个周期以后，通过蠕动泵更换并控制COD为300mg/L
的生活污水进入进水口，进水流量为4.6t/(m3·d)，使阳极电极上的微生物
获得充足碳源，同时污水COD得到有效降解；阴极室通过蠕动泵更换并
控制弱酸性废水进入进水口进水流量为9.2m3/(m3·d)。
装置稳定运行几个周期以后，海水原水通过水泵以2m/s的流速进入
海水进水口，从海水出水口流出的水通过管道与原水合并再经水泵压入中
间室，如此形成循环，以6h为一个周期。
一个周期后，生活污水出水COD降为80mg/L以下，海水盐度降为
1g/L左右，脱盐率达到96.7％以上。