電滲析是一種利用離子交換膜和電勢差從溶液及其他不帶電組分中分離出離子的物質分離過程,該技術具有適應性強、預處理簡單、能耗低、環(huán)境污染小等優(yōu)點,被廣泛應用于化工、生物等領域的分離純化過程。本文主要介紹了用于電滲析分離過程的6種傳質模型,總結了各模型的優(yōu)勢及存在的問題,指出限制電滲析技術進一步發(fā)展的主要原因是對包含物質傳遞、濃差極化、流體流動行為、電解質溶液-膜平衡等復雜現象的電滲析過程進行理論和實驗研究難度大,而傳質模型化為電滲析分離過程的物質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的傳遞機理,準確預測分離性能并導向性優(yōu)化電滲析結構設計和操作工藝。并且提出未來電滲析傳質模型的研究方向是結合經驗方程或傳質系數進一步優(yōu)化傳質模型,并采用仿真工具模擬傳質過程,提高模型的準確性和普適性。 

【文章來源】：化工進展. 2020,39(03)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

電滲析工作原理

為了更準確地描述電滲析過程中的物質傳遞現象，研究人員通過建立數學模型并配合電滲析實驗進行進一步傳質研究[36-37]。如圖2所示，結合電滲析分離原理將實際傳遞過程簡化并分解，采用相關方程描述各個物理化學過程。研究人員最初建立的傳質模型多為經驗性模型，一般通過簡單的數學工具與實驗結果結合得到。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過程中受到很大限制[38]。后來研究人員采用非平衡熱力學方程（如Maxwell-Stefan、Nernst-Planck方程等）并結合離子在電滲析中傳遞的相關物理參數建立數學傳質模型，使其更接近實際電滲析傳質過程。近年來，電滲析傳質模型化研究更系統(tǒng)深入，不僅關注物質在電驅動膜系統(tǒng)、主體溶液及膜邊界層中的傳遞行為，還對整個電滲析組器的物質傳遞、電流效率等進行研究[39-41]。隨著學科的交叉融合以及計算模擬技術的發(fā)展，如模糊邏輯系統(tǒng)、人工神經網絡等理論模型也被開發(fā)并應用于電滲析傳質過程的研究。3 電滲析過程傳質模型

Nernst-Planck模型基于離子通量獨立性原則，即不受其他離子電勢梯度影響，不考慮離子間相互作用系數。因此，每種離子對應一個擴散系數，使其與水動力學方程、連續(xù)方程和化學反應方程等聯立耦合后更易求解[45]。Jiang等[46]在Nernst-Planck方程的基礎上，如式(3)所示，利用離子在膜中遷移的毛細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在水中的擴散系數，F表示法拉第常數，V代表電滲析過程淡室中水減少速率，q表示表面電荷，r表示毛細管壁到溶液距離，η表示溶液動力黏度，i表示電流密度，l為毛細管長度，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，等號右邊兩項分別代表電滲透和滲透壓差引起的水遷移，通過計算分析明確電流密度、離子電荷數、溶液動力黏度、溶液濃度等對水遷移的影響規(guī)律。Casas等[47]已將基于Nernst-Planck方程的數學模型應用于電滲析濃縮反滲透濃水的中試項目，將Nernst-Planck方程和質量守恒方程聯立，通過進水濃度、流速、電流密度等工藝參數的輸入，預測了整個電滲析系統(tǒng)的性能與運行結果，盡管模型部分設計基于理想狀態(tài)，但模擬結果仍能與實驗數據較好吻合。研究結果表明Nernst-Planck傳質模型能較準確地描述電滲析的傳質過程，并且模擬結果可用于指導電滲析實驗的設計和操作以及解釋電滲析分離或濃縮過程中不同因素對結果的影響。


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