壓力延遲滲透(Pressure retarded osmosis,PRO)技術(shù)是一種新型膜分離技術(shù),主要應(yīng)用于海洋鹽差能發(fā)電過程,該過程仍存在功率密度低和能量利用效率低等瓶頸問題。PRO過程的功率密度不僅受溶液體系的影響,還與過程操作條件密切相關(guān)。為了實現(xiàn)PRO過程功率密度最大化,本文構(gòu)建了包含F(xiàn)O膜濃差極化,反向鹽通量和膜組件內(nèi)驅(qū)動液側(cè)壓力損失等影響因素的水通量和功率密度模型。模型選取海水-河水和RO鹵水-河水兩種體系,分別研究操作壓力(△P)、原料液與驅(qū)動液流量比(V_F/V_D)和驅(qū)動液流量與膜面積比(V_D/S_m)等操作條件對其PRO過程功率密度的影響規(guī)律。并采用商業(yè)化的正滲透膜,在膜的最大耐壓范圍內(nèi)分別對兩體系PRO過程的水通量和功率密度理模型結(jié)果進(jìn)行了實驗驗證。結(jié)果表明:對海水-河水體系而言,當(dāng)操作條件ΔP為17bar,V_F/V_D為0.8,V_D/S_m為47Lm~(-2)min~(-1)時,功率密度達(dá)到5.13Wm~(-2),高于經(jīng)濟(jì)值5.00Wm~(-2)。對RO鹵水-河水體系最優(yōu)操作條件ΔP為29bar,V_F/V_D為1.0,V_D/S_m為47Lm~(-2)min~(-1),此條件下功率密度可達(dá)13.61Wm~(-2),遠(yuǎn)高于海水-河水體系的功率密度。實驗結(jié)果與模型結(jié)果間的誤差小于5%,證明了模型的可靠性,為實際PRO過程操作條件選擇提供參考依據(jù)。考慮到溶液體系是PRO過程能量利用效率的重要影響因素之一,本文構(gòu)建了沿驅(qū)動液流動方向單位膜長度上的水通量和吉布斯自由能利用效率兩種模型,重點研究了海水-河水,RO鹵水-河水,死海-廢水和死海-海水四種不同的溶液體系對水通量和吉布斯自由能利用效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明,當(dāng)PRO過程膜的工作長度為1米時,以上四種體系單位膜長度的水通量沿驅(qū)動液流動方向均逐漸降低,水通量總降幅分別為2.12%,12.01%,20.07%和48.24%。以上四種體系的吉布斯自由能總利用效率沿驅(qū)動液流動方向逐漸增加,其分別為10%,15%,32%和42%,但受水通量沿驅(qū)動液流動方向逐漸降低的影響,單位膜長度的吉布斯自由能利用效率逐漸降低。通過理論模型探究不同溶液體系的吉布斯自由能利用效率,為實際PRO過程能量利用效率提供參考依據(jù)。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM61;TQ028.8
【部分圖文】：

表 1-2 總結(jié)了 5 種不同來源的海水理論上可提取的最大能量[18]。地球上主要河流包括：亞馬遜河，剛果河，長江，密西西比河，格倫比亞河等，考慮到世界上所有河流匯入海洋的平均排放量，可以估計河水和海水混合時所釋放的能量相當(dāng)于225 米高的瀑布。表 1-2 不同水源最大提取能[18]Table1-2 Maximum extractable energy from the mixing of fresh waterwith saline water from different sources水源 濃度(molL-1) 理論功率 (kWhm-3)海水 0.6 0.75反滲透鹵水 1.2 1.5大鹽湖 8.3 10.4死海 12.5 14.1

[21]。二十世紀(jì)五十年代，Pattle 創(chuàng)新性的提出反電滲析的概念。典型的 RED 工作原理是利用陽離子交換膜（cation-exchangemembranes，CEM）和陰離子交換膜（anion-exchange membrane，AEM）以交替的順序堆疊組裝而形成高鹽度的流動室（HS）和低鹽度的流動室（LS），如圖 1-1 所示。陽離子和陰離子在 HS 室以相應(yīng)的濃度梯度在相反的方向分別通過 CEM 和 AEM 向 LS 室擴(kuò)散，在這個過程中通過電極上的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)勢能轉(zhuǎn)化為電能[19]。目前，RED 未實現(xiàn)商業(yè)化的主要因素是缺乏離子交換膜，但隨著全球膜需求量的增長可能會降低生產(chǎn)成本。壓力延遲滲透技術(shù)是另外一種鹽差能提取技術(shù)，屬于正滲透技術(shù)的一種，用于提取膜兩側(cè)不同濃度溶液間的能量。壓力延遲滲透過程的功率密度相比于反電滲析相比要高，具有更大的發(fā)展?jié)撡|(zhì)，因此本文選擇壓力延遲滲透技術(shù)作為研究對象[23]。

延遲滲透技術(shù)原理及特點遲滲透（Pressure Retarded Osmosis，PRO）技術(shù)是一種使不允許溶質(zhì)分子或離子透過的選擇性半透膜，在膜兩側(cè)設(shè)利用溶液間的滲透壓差（△π）作為驅(qū)動力，水從低濃度的原S）側(cè)向高濃度的驅(qū)動液（Draw Solution，DS）側(cè)滲透，小于滲透壓差的壓力（△P）來延遲水滲透速率的膜分離-2 顯示了三種正滲透過程的工作原理，當(dāng)△P=0 時，在滲發(fā)的從原料液側(cè)擴(kuò)散到驅(qū)動液側(cè)的過程為正滲透（Forw7, 28]；當(dāng)△P<0 時，即在原料液側(cè)施加一定壓力，水從原料速率增大，此過程為壓力增強(qiáng)滲透（PressureAssistedOsm當(dāng) 0<△P<△π 時，由于滲透壓差減小，水依然是從低濃度水的滲透速率減小，此過程即 PRO 過程。滲透過程中選的影響因素，膜性能的好壞直接關(guān)系到分離過程的性能。
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本文編號：2871609