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基于逆电渗析原理的能量转换利用技术专利进展

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可再生能源 2024年第3期42卷 300-307页

作者：吴曦吕一博董付江徐士鸣大连理工大学能源与动力学院海洋能源利用与节能教育部重点实验室辽宁大连116024

逆电渗析技术是依靠离子交换膜选择性将溶液盐差梯度转换为膜电势,进而可用于发电或驱动电化学反应的技术。文章着眼于我国逆电渗析技术相关专利前沿进展,首先,从膜阻、膜厚、离子选择性、离子交换容量、耐污抗菌、稳定性等角度探讨了... 详细信息

逆电渗析技术是依靠离子交换膜选择性将溶液盐差梯度转换为膜电势,进而可用于发电或驱动电化学反应的技术。文章着眼于我国逆电渗析技术相关专利前沿进展,首先,从膜阻、膜厚、离子选择性、离子交换容量、耐污抗菌、稳定性等角度探讨了适配离子交换膜的权衡考量机制,分析了膜的改性方法与优化发展方向;然后,重点介绍了逆电渗析技术在发电、制氢、污水处理及海水淡化等领域的发展与专利布局情况,厘清(热能→)盐差能→(电能→)氢能等多条能源转换技术路线,并阐释了循环工作溶液的再生方法与发展脉络。逆电渗析技术与电渗析技术、可再生能源发电技术、低品位热回收技术相耦合是实现各技术优势互补、提高能效与产出的有效策略。

关键词：逆电渗析盐差能离子交换膜水处理制氢

逆电渗析电堆与电絮凝器耦合系统处理乳化油废水

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环境工程学报 2023年第4期17卷 1234-1242页

作者：罗乐燕徐士鸣吴曦贾永大连理工大学能源与动力学院大连116024

通过对由逆电渗析(RED)技术与电絮凝(EC)技术结合构成由盐差能驱动的RED-EC耦合废水处理系统处理模拟乳化油废水的实验研究,探讨了电絮凝器电极材料、极板间距、支撑电解质浓度、废水初始pH及温度变化对乳化油废水除油率的影响。结果表... 详细信息

通过对由逆电渗析(RED)技术与电絮凝(EC)技术结合构成由盐差能驱动的RED-EC耦合废水处理系统处理模拟乳化油废水的实验研究,探讨了电絮凝器电极材料、极板间距、支撑电解质浓度、废水初始pH及温度变化对乳化油废水除油率的影响。结果表明,与采用铝阳极材料相比,采用铁阳极材料的耦合废水处理系统具有更高的除油率。极板间距和含油废水参数(电导率、初始p H和温度)变化会对耦合废水处理系统的除油率产生影响。过大或过小的极板间距均对系统的除油率不利,在所研究的系统中,电絮凝器极板间距为1 cm时最佳。当废水的电导率很低时,系统的除油率也较低,适当增加支撑电解质可以迅速提高系统的除油率。中性或微碱性条件下系统的除油率较高。温度越高,系统的除油率也越高。在实验范围内,对总量为2 L、质量浓度为1 g·L^(-1)模拟乳化油废水经60 min絮凝处理后,除油率可达98.39%。

关键词：逆电渗析电絮凝乳化油废水去除率

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逆电渗析热机新型工质开发及电化学特性研究

化工学报 2023年第8期74卷 3513-3521页

作者：胡亚丽胡军勇马素霞孙禹坤谭学诣黄佳欣杨奉源太原理工大学电气与动力工程学院太原山西030024

逆电渗析(reverse electrodialysis,RED)热机能够将低品位热能有效地转换为电能。作为热机的核心部件,RED电堆的性能直接影响热机的整体能量转换性能。为提升RED热机能量转换效率,通过开发一种由氯化锂、氯化铵与水混合形成的三元工质用... 详细信息

逆电渗析(reverse electrodialysis,RED)热机能够将低品位热能有效地转换为电能。作为热机的核心部件,RED电堆的性能直接影响热机的整体能量转换性能。为提升RED热机能量转换效率,通过开发一种由氯化锂、氯化铵与水混合形成的三元工质用于RED电堆,并与常规氯化钠水溶液对比探讨了进、出口溶液电导率和电化学性能。首先,测试了不同比例氯化锂与氯化铵混合水溶液作为RED电堆工质的电导率,并根据相关性能指标筛选出两种盐的最佳质量摩尔浓度比例为2∶8。然后,将此最佳比例下的溶液应用于RED。通过实验与NaCl水溶液对比研究了改变浓、稀溶液浓度对电堆进、出口溶液电导率和电堆内阻的影响。结果表明,适当增加进料浓、稀溶液浓度有利于降低RED电堆内阻,从而改善电堆性能。

关键词：逆电渗析电化学盐差能膜离子交换电导率

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气隙扩散蒸馏-逆电渗析化学热机工作特性理论研究

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气隙扩散蒸馏-逆电渗析化学热机工作特性理论研究

作者：吴文娟大连理工大学

学位级别：硕士

不同浓度溶液之间具有的化学势能称之为盐(浓)差能。自然界中的盐差能主要存在于入海口的河水与海水之间。基于膜技术将盐差能转换为电能主要有压力延迟渗透(PRO)和逆电渗析(RED)两种方法。目前,RED热机研究尚不充分,提升RED热机发电效... 详细信息

不同浓度溶液之间具有的化学势能称之为盐(浓)差能。自然界中的盐差能主要存在于入海口的河水与海水之间。基于膜技术将盐差能转换为电能主要有压力延迟渗透(PRO)和逆电渗析(RED)两种方法。目前,RED热机研究尚不充分,提升RED热机发电效率仍然是研究的主要方向。本课题组提出一种新型气隙扩散蒸馏(AGDD)-RED化学热机。AGDD装置利用低品热作为驱动热源,先将盐溶液分离成具有大浓度差的浓、稀两股溶液。然后这两股溶液进入多级串联的RED电堆进行发电,以实现从“热—盐差能—电”的能量转换过程。该技术可以实现溶液在装置内部闭式循环,避免了溶液杂质引起的效率下降问题。本文建立了AGDD-RED热机数学模型,主要有ε-NTU方法下AGDD的传热、传质模型,以及RED电堆的电输出特性和电堆内部传质特性模型。通过对所建数学模型的求解,分析了各运行参数(进料溶液浓度、进料质量流量、浓缩比、热水进口温度、冷水进口温度、输出电流)和结构参数(气隙厚度、气隙高度)变化对热机系统主要输出参数和效率的影响。研究结果表明:在设计条件且排除电渗析的情况下,电流越小串联电堆数越多。串联多电堆系统中首电堆的输出电压最高,沿溶液流动方向各个电堆输出电压逐渐降低,且从首电堆到末电堆,输出电压的下降幅度逐渐减小。多级串联电堆的输出功率随着电流的增大先升高后减小。能量转换过程中溶液热分离单元的损失最大。提高溶液热分离单元的热分离效率是提升该热机性能的重点。此外,运行条件和结构条件的变化会影响热机系统的性能输出参数。对于热机系统,在给定的运行条件和结构条件下,存在最佳的运行参数为:进料溶液浓度2 mol/L,浓缩比1.4。热源升高有利于提升热机系统能量转换效率,而冷源温度升高则不利于热机能量转换效率的提升。进料质量流量的增加有利于功率输出,但不利于热机的能量转换效率。气隙厚度的增加不利于热机系统的能量转换效率,但气隙高度的增加对热机能量转换有利,两者的变化都对电堆发电功率影响较小。

关键词：逆电渗析气隙扩散蒸馏低品位热化学热机能量转换效率

基于氦气隙扩散蒸馏的逆电渗析热机能量转换性能研究

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基于氦气隙扩散蒸馏的逆电渗析热机能量转换性能研究

作者：孙禹坤太原理工大学

学位级别：硕士

人类生产生活过程中会产生大量的低于100℃的低温废热。然而,这部分热能的温度低、能量密度小以及温度波动范围大等特点增加了对其有效利用的难度。作为一种新兴的发电技术,逆电渗析热机(Reverse Electro-Dialysis Heat Engine,REDHE)... 详细信息

人类生产生活过程中会产生大量的低于100℃的低温废热。然而,这部分热能的温度低、能量密度小以及温度波动范围大等特点增加了对其有效利用的难度。作为一种新兴的发电技术,逆电渗析热机(Reverse Electro-Dialysis Heat Engine,REDHE)技术由于能够将100℃以下的低温废热有效转化为电能而备受关注。其工作原理是,热分离装置首先将低温废热转换成溶液盐差能,然后逆电渗析(Reverse Electro-Dialysis,RED)电堆将溶液盐差能转换成电能。目前,由于对REDHE的研究尚处于起步阶段,其能量转换效率较低,这严重限制了该技术的推广应用。因此,本文重点围绕提高REDHE能量转换效率开展相应的研究工作,旨在为REDHE技术的发展提供一些基础。作为REDHE的“热能→盐差能”的发生地,热分离装置将热能转换成溶液盐差能的能力很大程度上决定了REDHE的能量转换性能。为此,本文在空气隙扩散蒸馏(Air-Gap Diffusion Distillation,AGDD)的基础上提出了氦气隙扩散蒸馏(Helium-Gap Diffusion Distillation,HGDD)这一新型热分离技术,并研究基于该技术的REDHE性能。首先,采用实验研究方法对HGDD的可行性进行验证,对其运行机制及溶液分离性能进行探究。通过搭建单个氦气隙单元的HGDD系统实验装置,验证了HGDD用于溶液分离的可行性。而后,对比研究了HGDD与AGDD的溶液分离性能,并探究了相关参数对HGDD热质传递和溶液分离性能的影响机制。结果发现,HGDD相较于AGDD的热质传递和溶液分离性能更佳;提高热流入口温度或者减小气隙厚度有利于提高HGDD的热质传递、造水比以及热效能;增大冷流质量流量有利于提高HGDD的热质传递,但其造水比以及热效能会减小。为了提高溶液盐差能的转换能力,本文使用串联电路控制策略下的多级逆电渗析(Multi-Stage Reverse Electro-Dialysis,MSRED)代替单级RED。在此基础上,结合HGDD形成HGDD-MSRED热机。基于HGDD的热质传递特性和RED电堆内部传质及电输出特性,构建了HGDD-MSRED热机理论模型,并完成了模型验证。而后,通过改变相关参数对热机的能量转换特性进行研究。结果表明,适当提高进料溶液质量摩尔浓度、增大热流入口温度、增大冷流入口温度、减小氦气隙厚度和增加氦气隙高度均有利于提升热机的能量转换效率。此外,通过对比相同工况下采用当前离子交换膜和理想离子交换膜时热机的性能,发现采用理想离子交换膜能够进一步提高热机能量转换效率。当进料溶液质量摩尔浓度为2 mol·kg、热流入口温度为95℃、冷流入口温度为35℃、氦气隙厚度为3 mm以及氦气隙高度为5 m时,采用当前离子交换膜时的热机能量转换效率为3.27%,而采用理想离子交换膜时的热机能量转换效率可达5.90%。

关键词：低温废热氦气隙扩散蒸馏逆电渗析热机盐差能

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异形膜逆电渗析电堆的性能模拟

异形膜逆电渗析电堆的性能模拟

作者：黄思文大连理工大学

学位级别：硕士

逆电渗析（RED）是利用离子交换膜将盐差能转化为电能的技术。在RED电堆中,通常使用隔网来支撑起相邻的离子交换膜以形成供溶液流动的通道。隔网的存在虽然能促进溶液掺混,减少浓差极化,但也会增加溶液的压力降。同时,不传导离子的隔网... 详细信息

逆电渗析（RED）是利用离子交换膜将盐差能转化为电能的技术。在RED电堆中,通常使用隔网来支撑起相邻的离子交换膜以形成供溶液流动的通道。隔网的存在虽然能促进溶液掺混,减少浓差极化,但也会增加溶液的压力降。同时,不传导离子的隔网还将增加溶液通道内离子的平均传递路径,并减小离子交换膜的有效面积,从而增加电堆的欧姆内电阻。利用表面具有凸起微结构的异形膜来代替隔网可以有效地弥补隔网带来的不足。异形膜表面微结构的几何参数不仅对溶液通道内的流动和离子传递有影响,对膜内的离子传递也有着重要的影响。但现有的研究大多只关注异形膜微结构的几何参数对溶液流道内的流动和传质的影响。因此,为了全面评价异形膜的性能,有必要对包括膜内离子传递行为在内的异形膜电堆的性能开展研究。本文基于Nernst-Planck方程、连续性方程、Navier-Stokes方程、唐南平衡方程和电中性方程,建立了计算域包括异形膜和溶液通道的三维RED数学模型。利用所建立的模型,计算研究了具有圆柱、圆台和方柱形表面微结构的异形膜对RED电堆发电性能的影响。结果表明,微结构的几何参数对于微结构内的电流密度分布影响明显。增加圆柱微结构的半径会增加微结构内离子的平均传递路径。当圆柱微结构的半径增加时,离子更倾向于在溶液侧传递,而非经过微结构内部进行传递。减小圆台顶半径会改变微结构内的离子的有效传递路径和电流密度分布。当圆柱微结构的高度为0.2mm时,使净功率密度最大的最佳圆柱半径为0.1mm。在圆柱、方柱和圆台异形膜电堆中,圆台形异形膜电堆的性能最好。减小圆台顶半径可以有效地提高电堆性能。另外,减小微结构高度可以显著降低溶液通道的内电阻,从而提高净功率密度。溶液主流方向和两个微结构中心间的连线的夹角对电堆性能也有影响,当这个夹角为60°时,电堆的性能达到最优。

关键词：异形膜逆电渗析多物理场模拟离子传递净功率密度

逆电渗析反应器阴、阳极联合降解酸性橙Ⅱ实验研究

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环境科学学报 2019年第7期39卷 2163-2171页

作者：徐士鸣冷强吴曦徐志杰胡军勇吴德兵金东旭王平大连理工大学能源与动力学院海洋能源利用与节能教育部重点实验室

通过对由溶液浓差能驱动的逆电渗析(RED)反应器阴、阳极联合降解酸性橙Ⅱ模拟废水串、并联两种流程的实验研究,结果发现:在膜电势作用下,有机废水流经RED反应器阴、阳极时会生成两种强氧化剂-次氯酸(HClO)和过氧化氢(H2O2),在强氧化剂... 详细信息

通过对由溶液浓差能驱动的逆电渗析(RED)反应器阴、阳极联合降解酸性橙Ⅱ模拟废水串、并联两种流程的实验研究,结果发现:在膜电势作用下,有机废水流经RED反应器阴、阳极时会生成两种强氧化剂-次氯酸(HClO)和过氧化氢(H2O2),在强氧化剂的作用下废水中有机物会发生氧化降解.在通过正交实验方法获得的最佳操作条件下,对1 L浓度为150 mg·L^-1酸性橙Ⅱ模拟废水进行20 min的降解实验.3次实验结果表明,串、并联流程的酸性橙Ⅱ平均降解率分别为59.26%和87.93%,平均脱色率分别为57.08%和86.87%,均低于RED阴、阳极独立降解时的降解率和脱色率.原因在于:在联合降解条件下反应器阴、阳极之间的产物会相互干扰,使得废水中有机物降解率降低.但降解过程中循环废水的pH值可以保持稳定.

关键词：逆电渗析有机废水氧化反应降解次氯酸过氧化氢

溶液浓差能驱动的逆电渗析有机废水氧化降解机理研究

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环境科学学报 2018年第12期38卷 4642-4651页

作者：徐士鸣徐志杰吴曦冷强金东旭王平胡军勇吴德兵大连理工大学能源与动力学院海洋能源利用与节能教育部重点实验室大连116024

将逆电渗析(RED)电极氧化还原反应作用于有机废水降解,可以达到利用低品位热氧化降解有机废水的目的.RED反应器阳极产生氧化反应生成的HClO及阳极表面直接电化学氧化反应对有机废水产生氧化降解作用,阴极发生电芬顿反应生成H_2O_2对有... 详细信息

将逆电渗析(RED)电极氧化还原反应作用于有机废水降解,可以达到利用低品位热氧化降解有机废水的目的.RED反应器阳极产生氧化反应生成的HClO及阳极表面直接电化学氧化反应对有机废水产生氧化降解作用,阴极发生电芬顿反应生成H_2O_2对有机废水产生氧化降解作用.为了验证溶液浓差能驱动的RED有机废水氧化降解工作机理,通过搭建一个由40对膜电池单元所构成的实验室规模的RED有机废水氧化降解反应器及相应的实验系统,对偶氮染料——酸性橙Ⅱ模拟废水进行氧化降解机理研究.通过3次重复性实验研究发现:在通过正交试验确定的最佳降解条件下,浓度为150 mg·L^(-1)各500 mL的酸性橙Ⅱ模拟废水分别流经RED反应器阴、阳两极,阴、阳极12 min酸性橙Ⅱ平均降解率分别可达90.14%和97.87%,20 min酸性橙Ⅱ平均降解率分别达到97.56%和99.81%.初步研究结果表明,溶液浓差能驱动的RED反应器对难生化降解有机物有较好的降解效果,为后续相关理论和实验研究提供了参考依据.

关键词：逆电渗析氧化降解次氯酸电芬顿反应有机废水酸性橙Ⅱ

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逆电渗析法热制氢系统匹配工质基础物性研究

逆电渗析法热制氢系统匹配工质基础物性研究

作者：杨帅帅大连理工大学

学位级别：硕士

探索利用可再生能源、提高能源利用率已成为现代社会普遍关注的问题。本课题组基于开式逆电渗析法(Reverse electrodialysis,RED)盐差能发电原理,同时汲取吸收式制冷技术和热法海水淡化技术在低品位热能利用领域的优势,提出一种闭式逆... 详细信息

探索利用可再生能源、提高能源利用率已成为现代社会普遍关注的问题。本课题组基于开式逆电渗析法(Reverse electrodialysis,RED)盐差能发电原理,同时汲取吸收式制冷技术和热法海水淡化技术在低品位热能利用领域的优势,提出一种闭式逆电渗析法热-电/氢循环转换方法。工作过程为:首先利用蒸馏法将热能转换为浓、稀两股溶液间盐差能;然后基于RED原理通过溶液混合及离子跨膜迁移,形成电堆内离子流和两端电势差;最后借助电堆两端电极-电极液相界面处分别发生的氧化和还原反应,实现制取氢气和氧气。废液被收集并导回溶液再生装置,受热后实现浓度再生。工作溶液作为循环系统的“血液”,是影响闭式逆电渗析法热-氢循环转换系统能效水平、流程结构、经济性和稳定性的关键因素。选取传统NaCl水溶液以及新型乙酸盐(KAc、Na Ac)水溶液作为候选物,综合考量各工作溶液的基础物性(热力学性质、电化学性质、输运性质、及危险性)。结果表明,乙酸盐在溶解度、活度系数比等关键物性方面较传统的NaCl水溶液优势明显;且在功率密度、热转换效率等方面优势显著。这表明乙酸盐在该领域具有较大发展潜力。为进一步提高热制氢系统能量转换效率,本课题组曾提出无机盐-溶解剂-调节剂三元工作溶液体系,即选取两种或多种溶剂,使其在热分离阶段及电化学反应过程中能够发挥各自优势。本文采用激光动态法测定了乙酸盐(KAc、Na Ac)在水、有机溶剂以及二元混合溶剂中的关键性质—溶解度。分析了温度、溶剂物性对于溶解度的影响,并与溶解度静态测试法进行比较研究。进一步地,采用五种经验模型对溶解度数据进行关联。最后用van’t Hoff分析法从能量角度来分析固体在溶解过程中的热力学性质变化规律。优选出工作溶液后,本文将气隙扩散蒸馏法、逆电渗析技术以及碱性电解水制氢工艺相耦合,建立闭式逆电渗析法热制氢系统理论循环模型。以优选的KAc水溶液作为工作溶液,采用单因素控制变量法,分别对比研究了溶液浓度、过膜流速、溶液温度等因素对逆电渗析法热制氢系统输出特性(U-I曲线、功率密度、转换效率等)的影响,为优化电堆运行条件以提高产氢量奠定基础。

关键词：逆电渗析乙酸盐溶解度制氢模型