检索结果-南通市图书馆

作者：向喆榆西安理工大学

学位级别：硕士

反向电渗析技术(Reverse Elec-trodialysis,RED)作为一项蓝色能源技术,利用离子交换膜的选择性透过性,将盐度梯度能转换为电能。然而,在实际应用中,离子在膜与溶液间的传输速率不匹配,导致膜表面形成具有浓度梯度的扩散边界层,即浓差极... 详细信息

反向电渗析技术(Reverse Elec-trodialysis,RED)作为一项蓝色能源技术,利用离子交换膜的选择性透过性,将盐度梯度能转换为电能。然而,在实际应用中,离子在膜与溶液间的传输速率不匹配,导致膜表面形成具有浓度梯度的扩散边界层,即浓差极化现象。这一现象减少了膜两侧的浓度差,从而降低了 RED的输出功率。目前,测量边界层厚度多采用电化学工作平台,通过测定边界层产生的电阻和电容间接计算得到边界层厚度。在仿真方面,研究多以二维模型为主,而三维模型则主要关注离子传质过程,较少将产电性能纳入综合评估。针对上述情况,本文提出了一种基于两电极测量法的直接测量扩散边界层厚度的方法,并基于此方法评估了流速、温度、浓度和膜类型等因素对浓差极化的影响。同时,本文还采用三维数值模型,探讨了空流道和隔网流道模型中膜-溶液系统的浓差极化的形成和变化,以及不同模型系统的产电性能差异。首先,基于Nernst-Levich浓度分布模型对水泵作用下的溶液流速增加所导致的膜附近流动状态变化进行了深入分析。随着流速的增加,膜附近的溶液扩散区域被划分为两个不同的部分:一部分靠近膜面,表现出显著的浓度梯度;另一部分远离膜面,由于新溶液的持续加入,浓度梯度相对较小。基于这一现象,本研究构建了一个全新的浓度分布模型。在此新模型中,分界线不仅划分了流速区域,同时也界定了边界层的范围,其厚度由分界线到膜面的距离决定。为了进一步验证这一模型,本研究构建了一个反电渗析的膜-溶液系统,并采用双电极测量法对不同条件下扩散边界层的厚度变化进行了研究。实验结果表明,从无流速条件转变为有流速条件会使得膜附近溶液形成明显的边界层。并且,流速的提高(从50mL/min增至90mL/min)能够大幅度减少边界层厚度;适度提升溶液温度(每增加10℃)也能有效地降低边界层厚度,平均降幅约为15%。随着浓室溶液浓度的增加,扩散边界层厚度增加;而淡室溶液浓度的增加则导致扩散边界层厚度减小。此外,不同膜材料对边界层厚度的影响存在显著差异,Nafion-117膜得益于其较大的厚度和较小的离子交换容量,在相同条件下边界层厚度比在Neosepta膜中减少了约20%。然后,基于流场和电化学场耦合的三维浓差渗透模型,模拟了由两个溶液隔室和一个阳离子交换膜组成的空流道-膜溶液系统,用以探究膜表面浓差极化的变化规律。结果显示,浓差极化的形成过程与离子在膜表面的积聚与耗散紧密相关。在淡溶液隔室中,随着垂直高度的增加,膜表面溶液流速和离子通量有所增加。同时,淡溶液-膜界面的离子浓度也随垂直高度的增加而增加,浓差极化现象加剧。流速提升促进了离子的跨膜运输,减少膜表面离子聚集,有效缓解了浓差极化。高浓度溶液加剧浓差极化,因为增加了离子数量和跨膜运输的驱动力,导致淡室侧的离子聚集。而低浓度溶液则通过增加淡溶液隔室内离子数量,减小膜表明和隔室溶液的浓度差异,缓解了浓差极化。此外,随着膜的固定电荷浓度的减小和膜厚度的增大,浓差极化逐渐减弱。实验与仿真计算得到的边界层厚度差异在数十到一百微米之间,这主要是由于模型中对水通量和膜内离子通道的影响进行了理想化假设。最后,基于流场和电化学场耦合的三维浓差渗透模型构建了包含隔网和异形膜的膜-溶液系统,用以探究流道构型对膜表面浓差极化的影响。结果表明,采用异形膜能显著改善溶液的流动状态,提升膜表面溶液流速,增加离子通量,从而显著削弱浓差极化,提升离子传输效率。在负载工况下,三种模型系统的产电性能分析显示,淡室电阻占主导地位,超过80%。尽管异形膜系统的总电阻达到310Ω,略高于无隔网和隔网系统的281.3Ω与297.7Ω,但其功率密度达到3.74mW/m2,优于后两者的3.53mW/m2和3.16mW/m2。这说明异形膜通过强化离子传输,减小浓差极化,有效促进了系统整体输出功率的提升,弥补了其较高膜电阻的不足。

关键词：反电渗析离子交换膜浓差极化边界层测量数值仿真隔网流道

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CFD用于反渗透膜组件隔网构型的优化研究

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膜科学与技术 2018年第1期38卷 74-80页

作者：方健张峰仲兆祥刘业飞邢卫红南京工业大学化工学院国家特种分离膜工程技术研究中心南京210009

RO膜已广泛应用于废水处理过程,采用计算流体力学(CFD)优化RO膜组件结构是近年来研究的重点.本研究通过CFD方法建立卷式RO膜组件隔网流道的3D纯水渗透模型,对现有的商品型隔网丝构型进行改进,分析了隔网丝的结构对流道内的传质效率、能... 详细信息

RO膜已广泛应用于废水处理过程,采用计算流体力学(CFD)优化RO膜组件结构是近年来研究的重点.本研究通过CFD方法建立卷式RO膜组件隔网流道的3D纯水渗透模型,对现有的商品型隔网丝构型进行改进,分析了隔网丝的结构对流道内的传质效率、能耗以及渗透通量等参数的影响.结果表明,隔网丝结构对反渗透膜流道内的流体流动具有重要的影响,随着隔网丝长度的减小,流道的流动死区面积减少明显;随隔网丝细直径的减小,流道内的逆流涡流增加,浓差极化现象减弱.改进的隔网构型较商品化的隔网,流道内传质有较大的提升,能耗明显下降,渗透通量提升了10%左右.

关键词：反渗透膜组件 CFD 隔网流道构型优化

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