電滲析是一種利用離子交換膜和電勢(shì)差從溶液及其他不帶電組分中分離出離子的物質(zhì)分離過程,該技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)處理簡單、能耗低、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于化工、生物等領(lǐng)域的分離純化過程。本文主要介紹了用于電滲析分離過程的6種傳質(zhì)模型,總結(jié)了各模型的優(yōu)勢(shì)及存在的問題,指出限制電滲析技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要原因是對(duì)包含物質(zhì)傳遞、濃差極化、流體流動(dòng)行為、電解質(zhì)溶液-膜平衡等復(fù)雜現(xiàn)象的電滲析過程進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究難度大,而傳質(zhì)模型化為電滲析分離過程的物質(zhì)傳遞研究提供了一條有效途徑,有助于深入研究電滲析過程中物質(zhì)的傳遞機(jī)理,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分離性能并導(dǎo)向性優(yōu)化電滲析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作工藝。并且提出未來電滲析傳質(zhì)模型的研究方向是結(jié)合經(jīng)驗(yàn)方程或傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化傳質(zhì)模型,并采用仿真工具模擬傳質(zhì)過程,提高模型的準(zhǔn)確性和普適性。 

【文章來源】：化工進(jìn)展. 2020,39(03)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

電滲析工作原理

為了更準(zhǔn)確地描述電滲析過程中的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象，研究人員通過建立數(shù)學(xué)模型并配合電滲析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步傳質(zhì)研究[36-37]。如圖2所示，結(jié)合電滲析分離原理將實(shí)際傳遞過程簡化并分解，采用相關(guān)方程描述各個(gè)物理化學(xué)過程。研究人員最初建立的傳質(zhì)模型多為經(jīng)驗(yàn)性模型，一般通過簡單的數(shù)學(xué)工具與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合得到。雖然這類模型的建立和求解較為簡單，但在詳盡描述電滲析傳質(zhì)過程中受到很大限制[38]。后來研究人員采用非平衡熱力學(xué)方程（如Maxwell-Stefan、Nernst-Planck方程等）并結(jié)合離子在電滲析中傳遞的相關(guān)物理參數(shù)建立數(shù)學(xué)傳質(zhì)模型，使其更接近實(shí)際電滲析傳質(zhì)過程。近年來，電滲析傳質(zhì)模型化研究更系統(tǒng)深入，不僅關(guān)注物質(zhì)在電驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)、主體溶液及膜邊界層中的傳遞行為，還對(duì)整個(gè)電滲析組器的物質(zhì)傳遞、電流效率等進(jìn)行研究[39-41]。隨著學(xué)科的交叉融合以及計(jì)算模擬技術(shù)的發(fā)展，如模糊邏輯系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論模型也被開發(fā)并應(yīng)用于電滲析傳質(zhì)過程的研究。3 電滲析過程傳質(zhì)模型

Nernst-Planck模型基于離子通量獨(dú)立性原則，即不受其他離子電勢(shì)梯度影響，不考慮離子間相互作用系數(shù)。因此，每種離子對(duì)應(yīng)一個(gè)擴(kuò)散系數(shù)，使其與水動(dòng)力學(xué)方程、連續(xù)方程和化學(xué)反應(yīng)方程等聯(lián)立耦合后更易求解[45]。Jiang等[46]在Nernst-Planck方程的基礎(chǔ)上，如式(3)所示，利用離子在膜中遷移的毛細(xì)管理論建立電滲析過程水遷移模型，如式(4)所示。式中，Di表示離子i在水中的擴(kuò)散系數(shù)，F(xiàn)表示法拉第常數(shù)，V代表電滲析過程淡室中水減少速率，q表示表面電荷，r表示毛細(xì)管壁到溶液距離，η表示溶液動(dòng)力黏度，i表示電流密度，l為毛細(xì)管長度，cˉ1表示面向淡室的膜表面離子i濃度，cˉ2表示面向濃室的膜表面離子i濃度。式(4)中，等號(hào)右邊兩項(xiàng)分別代表電滲透和滲透壓差引起的水遷移，通過計(jì)算分析明確電流密度、離子電荷數(shù)、溶液動(dòng)力黏度、溶液濃度等對(duì)水遷移的影響規(guī)律。Casas等[47]已將基于Nernst-Planck方程的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于電滲析濃縮反滲透濃水的中試項(xiàng)目，將Nernst-Planck方程和質(zhì)量守恒方程聯(lián)立，通過進(jìn)水濃度、流速、電流密度等工藝參數(shù)的輸入，預(yù)測(cè)了整個(gè)電滲析系統(tǒng)的性能與運(yùn)行結(jié)果，盡管模型部分設(shè)計(jì)基于理想狀態(tài)，但模擬結(jié)果仍能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好吻合。研究結(jié)果表明Nernst-Planck傳質(zhì)模型能較準(zhǔn)確地描述電滲析的傳質(zhì)過程，并且模擬結(jié)果可用于指導(dǎo)電滲析實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作以及解釋電滲析分離或濃縮過程中不同因素對(duì)結(jié)果的影響。


本文編號(hào)：3397867