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电控离子选择渗透膜分离过程传质模型的构建.pdf
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1、第5 4卷 第4期2 0 2 3年7月 太原理工大学学报J OUR NA L O F TA I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.4 J u l.2 0 2 3 引文格式:高凤凤,张雪锋,张忠林,等.电控离子选择渗透膜分离过程传质模型的构建J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(4):6 0 9-6 1 8.G AO F e n g f e n g,Z HAN G X u e f e n g,Z HANG Z h o n g l i n,e t a l.D e v e l o p m e n t o f m
2、 a s s t r a n s f e r m o d e l o f e l e c t r o-c h e m i c a l l y s w i t c h e d i o n p e r m s e l e c t i v e m e m b r a n e s e p a r a t i o n p r o c e s sJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h-n o l o g y,2 0 2 3,5 4(4):6 0 9-6 1 8.收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 4;修回日期:2
3、 0 2 2-0 9-1 3 基金项目:国家自然科学基金资助项目(2 2 1 0 8 1 8 8,U 2 0 A 2 0 1 4 1)第一作者:高凤凤(1 9 8 8-),博士,讲师,(E-m a i l)g a o f e n g f e n g t y u t.e d u.c n 通信作者:郝晓刚(1 9 6 7-),教授,博士生导师,主要从事电控离子膜分离、流态化、水处理技术及计算化学工程的研究,(E-m a i l)x g h a o t y u t.e d u.c nD e v e l o p m e n t o f M a s s T r a n s f e r M o d e l
4、 o f E l e c t r o c h e m i c a l l y S w i t c h e d I o n P e r m s e l e c t i v e M e m b r a n e S e p a r a t i o n P r o c e s sG A O F e n g f e n g,Z H A N G X u e f e n g,Z H A N G Z h o n g l i n,H A O X i a o g a n g(C o l l e g e o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d T e c h
5、n o l o g y,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】E l e c t r o c h e m i c a l l y s w i t c h e d i o n p e r m s e l e c t i v e(E S I P)i s a n o v e l i o n s e-l e c t i v e m e m b r a n e s e p a r a t i
6、 o n t e c h n o l o g y,w h i c h h a s b e e n a p p l i e d f o r t h e e f f i c i e n t,c o n t i n u o u s a n d s e l e c t i v e s e p a r a t i o n o f l o w-c o n c e n t r a t i o n t a r g e t i o n s.H o w e v e r,t h e i o n t r a n s f e r i n t h e E S I P m e m b r a n e i s d i s o
7、 b e d i e n t t o t h e N e r n s t-P l a n c k t h e o r y,a n d t h e d e v e l o p m e n t o f m a s s t r a n s f e r m o d e l o f E S I P c o n t r i b u t e s t o t h e u n d e r s t a n d i n g o f E S I P s e p a r a t i o n p r o c e s s.【M e t h o d s】I n t h e E S-I P m e m b r a n e s
8、e p a r a t i o n s y s t e m,a m o d i f i e d N e r n s t-P l a n c k m o d e l w a s p r o p o s e d t o s t u d y t h e m a s s t r a n s f e r b e h a v i o r i n t h e d y n a m i c f i e l d c o u p l e d w i t h t h e d o u b l e p u l s e p o t e n t i a l o n t h e m e m-b r a n e a n d t
9、h e c e l l v o l t a g e o n t h e e l e c t r o d e c o m p a r t m e n t.A c c o r d i n g t o D o n n a n e q u i l i b r i u m a n d e l e c t r o n e u t r a l i t y h y p o t h e s i s,t h e s t e a d y s t a t e m o d e l o f i o n t r a n s f e r i n E S I P m e m b r a n e s e p a r a t i
10、o n p r o c e s s w a s e s t a b l i s h e d.T h e e f f e c t s o f c u r r e n t d e n s i t y,m e m b r a n e t h i c k n e s s a n d i o n i c a c t i v e s i t e c o n c e n t r a t i o n o n i o n c o n c e n t r a t i o n a n d r e s i s t a n c e d i s t r i b u t i o n i n m e m b r a n e
11、s e p a r a t i o n s y s t e m w e r e i n v e s t i g a t e d b y n u m e r i c a l s i m u l a t i o n.【F i n d i n g s】T h e r e s u l t s s h o w t h a t i n t h e d i f f u s i o n l a y-e r o f f e e d s o l u t i o n a n d t h e m e m b r a n e p h a s e,t h e m e m b r a n e t h i c k n e s
12、 s a n d t h e i o n i c a c t i v e s i t e c o n c e n t r a t i o n h a v e g r e a t i n f l u e n c e o n t h e i o n c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n,a n d r e d u c i n g t h e m e m-b r a n e t h i c k n e s s a n d i n c r e a s i n g t h e i o n i c a c t i v e s i t e c o
13、 n c e n t r a t i o n a r e t h e m a i n w a y s t o i m p r o v e t h e i o n m a s s t r a n s f e r.U n d e r t h e i n f l u e n c e o f h i g h c u r r e n t d e n s i t y,t h i n m e m b r a n e a n d i o n i c a c t i v e s i t e c o n c e n t r a t i o n,r e s i s t a n c e i n t h e d i f
14、 f u s i o n l a y e r o f f e e d s o l u t i o n p l a y s a d o m i n a n t r o l e i n t h e o-v e r a l l r e s i s t a n c e,a n d t h e i o n m a s s t r a n s f e r r a t e c a n b e i n c r e a s e d b y i n c r e a s i n g t h e f l o w r a t e o r d e-c r e a s i n g t h e c h a m b e r t
15、 h i c k n e s s.【C o n c l u s i o n s】A t l o w c u r r e n t d e n s i t y a n d t h i c k m e m b r a n e,t h e r e s i s t a n c e o f D o n n a n l a y e r p l a y s a d o m i n a n t r o l e,a n d t h e i o n m a s s t r a n s f e r r a t e i s i m p r o v e d b y i n c r e a s i n g t h e i
16、o n i c a c t i v e s i t e s o f t h e m e m b r a n e.K e y w o r d s:E l e c t r o c h e m i c a l l y s w i t c h e d i o n p e r m s e l e c t i v e m e m b r a n e;i o n m a s s t r a n s p o r t;n u-m e r i c a l s i m u l a t i o n;c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n;r e s i s
17、t a n c e d i s t r i b u t i o n电控离子选择渗透膜分离过程传质模型的构建高凤凤,张雪锋,张忠林,郝晓刚(太原理工大学 化学工程与技术学院,太原 0 3 0 0 2 4)摘 要:【目的】电控离子选择渗透(e l e c t r o c h e m i c a l l y s w i t c h e d i o n p e r m s e l e c t i v i t y,E S I P)是一种新型的离子选择性膜分离技术,已成功应用于低浓度目标离子的高效、连续、选择性分离。然而,离子在膜内传质不符合N e r n s t-P l a n c k理论,建立E S
18、I P离子传质模型有助于人们理解E S I P分离过程。【方法】在E S I P膜分离系统中,为研究离子在膜上双脉冲电势与极室槽电压耦合动态场中的传质行为,提出了修正的N e r n s t-P l a n c k模型。根据唐南(D o n n a n)平衡以及电中性假设等,建立了E S I P膜分离过程的离子传递稳态模型。通过数值模拟考察了电流密度、膜厚、膜内离子活性位点浓度对膜分离系统中离子浓度和电阻分布的影响。【结果】在原料侧扩散层和膜相内,膜厚和离子活性位点浓度对离子浓度分布影响较大,降低膜厚、提高离子活性位点浓度是提高离子传质的主要方式。在高电流密度、低膜厚和高离子活性位点浓度下,原
19、料侧扩散层电阻在整体电阻中占主导作用,通过增加流体流速或减小腔室厚度以提高离子传质速率。在低电流密度、较高膜厚下,D o n n a n层电阻占主导作用,通过增加膜的离子活性位点来提高离子传质速率。【结论】在高电流密度、低膜厚和高离子活性位点浓度下,减弱扩散层电阻(增加流体流速、减少腔室厚度)是实现E S I P性能优化的主要途径。关键词:电控离子选择渗透膜分离;离子传质;数值模拟;浓度分布;电阻分布中图分类号:T Q 1 5 0.1 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.c n k i.i s s n 1 0 0 7-9 4 3 2 t y u t.2 0 2 3.0 4
20、.0 0 4 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 4-0 6 0 9-1 0 E l e c t r o-d r i v e n m e m b r a n e s e p a r a t i o n t e c h n o l o-g i e s h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n v a r i o u s i n d u s t r i a l f i e l d s s u c h a s s e a w a t e r d e s a l i n a t i o n,w a s t e w a t e r t r
21、e a t m e n t,a n d r e s o u r c e u t i l i z a t i o n o f s a l t-l a k e s b r i n e a n d s e a w a t e r d u e t o i t s e f f i c i e n t i o n s e p a r a-t i o n p e r f o r m a n c e1-5.Am o n g t h e e l e c t r o-d r i v e n m e m b r a n e s e p a r a t i o n t e c h n o l o g i e s,t
22、h e e l e c t r o-c h e m i c a l l y s w i t c h e d i o n p e r m s e l e c t i v e(E S I P)6-1 1 t e c h n o l o g y h a s a t t r a c t e d e x t e n s i v e a t t e n t i o n d u e t o i t s a b i l i t y t o a c h i e v e c o n t i n u o u s a n d h i g h l y s e l e c-t i v e s e p a r a t i
23、o n a n d r e c o v e r y o f t a r g e t i o n s f r o m d i-l u t e s o l u t i o n s.T h e E S I P c o m b i n e s e l e c t r o c h e m i-c a l l y s w i t c h e d i o n e x c h a n g e(E S I X)1 2-1 3 a n d e l e c-t r o d i a l y s i s(E D)t e c h n i q u e s t o a c h i e v e c o n t i n u o
24、u s a n d h i g h l y s e l e c t i v e s e p a r a t i o n o f t a r g e t i o n s b y a p-p l y i n g a d o u b l e p u l s e p o t e n t i a l o v e r t h e p e r m s e l e c-t i v e m e m b r a n e e l e c t r o d e u n d e r e f f e c t o f a n e x t e r n a l e l e c t r i c f i e l d.T h e E
25、S I P t e c h n o l o g y a c h i e v e s a b r e a k t h r o u g h f r o m i n t e r m i t t e n t o p e r a t i o n o f E S I X t e c h n o l o g y t o c o n t i n u o u s o p e r a t i o n,w h i c h h a s r e-a l i z e d t h e t r a n s f o r m a t i o n f r o m i n-s i t u a d s o r p t i o n/d
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- 关 键 词:
- 离子 选择 渗透 分离 过程 传质 模型 构建
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