电流与浓差对逆电渗析电堆内质量传递的影响

以氯化钠溶液作为工质情况下,通过改变逆电渗析电堆输出电流和溶液浓差,对由5对Selemion型离子交换膜(IEMs)单元电池所构成的实验用RED电堆进行堆内质量传递规律的实验研究。研究结果发现,IEMs选择性系数(α)、溶剂透膜渗透速率(vw)、溶质透膜迁移通量(JNaCl)和同价离子透膜扩散率(DNaCl)均受电堆电流密度和溶液浓差的影响。当溶液浓差增大时,α降低,而vw、JNaCl和DNaCl均增大;当电流密度增大时,α和vw降低,JNaCl和DNaCl增大。     

直接接触式膜蒸馏用于处理含盐溶液的实验研究

采用聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜作为膜材料,利用直接接触式膜蒸馏法处理质量分数分别为5%、15%和25%的NaCl溶液;使用正交实验方法对操作条件进行优化设计,研究表明当料液侧入口温度T₁为80℃,渗透液侧入口温度T₃为20℃,流量100 L/h时膜通量最大,可达12.599 kg/（m²·h）;当料液侧入口温度T₁为80℃,渗透液侧入口温度T₃为35℃,流量Q为40 L/h时造水比最高,可达13.775,截留率均可达到99.9%以上;单因素实验结果表明膜通量随着T₁和Q的增大而增加,随着T₃的升高而降低;造水比随着T₁、T₃的升高而增加,随着Q的增加而降低。研究表明膜蒸馏技术处理含盐溶液具有很好的应用前景。     

EDI产水水质影响因素的试验及分析

研究了淡、浓水流量对膜堆电流、电压的影响，并重点研究了当膜堆电流一定时，淡、浓水流量对EDI产水水质的影响。结果表明：淡水流量的变化对膜堆电流的影响很小；增加浓水流量会减小膜堆电流。当膜堆电流一定时，淡、浓水流量对产水水质的影响主要取决于进出口的淡、浓水压差。当进出口的淡、浓水压差足够时（大于0．02MPa），EDI的产水水质能够得到保证；反之，产水水质则会发生恶化，     

直接接触式膜蒸馏过程的膜曝气强化

针对直接接触式膜蒸馏（direct contact membrane distillation,DCMD）过程存在的膜通量小及膜污染问题,设计了一种新型结构的膜蒸馏组件。以蔗糖溶液为处理液,考察了膜组件装填密度Φ、膜曝气量q、蔗糖浓度c与温度T₀对DCMD过程的影响。结果表明：随着Φ、q的增加,DCMD过程的膜通量先增大,后逐渐降低,Φ、q均存在最优值;随着c的增加,膜通量逐渐降低;随着T₀的增加,膜通量增大;对c为30%（mass）的蔗糖溶液进行DCMD法处理330 min时,膜曝气可使DCMD的初始膜通量J_initial提升24.7%、膜通量衰减率ΔJ降低55.0%,维持高膜通量的连续运行时间t₀延长4倍。主要原因是膜曝气强化了DCMD过程的传热传质,进而强化过程的分离性能;有效控制了DCMD过程的浓差极化,进而延缓过程的膜污染进程。研究结果有利于推进DCMD的工程化应用。     

浓水流量对电渗析脱盐过程性能参数的影响

采用电渗析装置,对苦咸水脱盐过程进行了研究。考察了浓水流量、操作电压对膜堆电流、电阻、脱盐率、系统能耗的影响。结果表明,提高浓水流量与加大操作电压均使电渗析的传质通量（脱盐率）和操作电流提高,系统能耗增大。膜堆电阻变化较为复杂,操作电压＜20 V时,膜堆电阻降低;操作电压为20~30 V时,膜堆电阻基本保持不变;操作电压＞30 V时,膜堆电阻增大。     

EDI产水水质影响因素的试验及分析

研究了淡、浓水流量对膜堆电流、电压的影响,并重点研究了当膜堆电流一定时,淡、浓水流量对EDI产水水质的影响。结果表明：淡水流量的变化对膜堆电流的影响很小;增加浓水流量会减小膜堆电流。当膜堆电流一定时,淡、浓水流量对产水水质的影响主要取决于进出口的淡、浓水压差。当进出口的淡、浓水压差足够时．EDI的产水水质能够得到保证：反之,产水水质则会发生恶化,其中以出口处的淡、浓水压差对产水水质的影响更为突出。试验还发现,当膜堆电流一定时,淡水流量过低会导致产水水质下降;浓水流量的增加则有利于产水水质的提高．     

双极膜电渗析处理精制浓海水制备酸碱

采用自行研制的三隔室型双极膜电渗析(BMED)膜堆,以模拟精制浓海水为原料制备酸碱,考察了操作条件对膜堆性能的影响和运行过程中酸碱室的盐组分泄漏问题。结果表明,在电流密度为30 m A/cm~2,精制浓海水盐的质量浓度为147 g/L,碱(酸)与盐初始溶液体积比为1:1的条件下,实验范围内产品碱的收率可达56.4%;膜堆产率和碱收率随电流密度的提高而提高,但电流效率随之下降;较大的碱(酸)与盐初始溶液体积比有利于盐离子的迁移,电流效率相应上升,过程能耗减小;膜堆电阻随浓海水盐含量的升高而减小,过程能耗降低,但产品碱的收率有所下降。实验过程在酸室中检测到有Na~+、K~+,而碱室中检测到Cl~-,表明所用双极膜和阴阳离子交换膜存在一定程度的离子泄漏,且随过程运行逐步加剧。     

临阈浓度时纳滤膜软化过程中膜面动电现象研究

荷电纳滤（NF）膜在相似浓度范围的进水端主体溶液软化过程中,浓水端的膜面处易出现结垢污染,因此开展临阈浓度条件下膜表面动电现象研究是十分必要的。本文选定DK型NF膜和c_K2SO4：c_CaCl2=1：1的双组分溶液为载体,以CaSO₄·0.5H₂O为典型代表的非碱性难溶垢为研究对象,通过自制的切向流动电位测试系统,分别考察临阈浓度条件下,进水端主体溶液中不同构晶离子浓度（0.5～18 mol·m^-3）、操作压力（25～200 kPa）和不同pH（3.0～10.0）对该NF膜流动电位、Zeta电位和膜表面电荷密度的影响效应。当操作压力恒定为180 kPa且逐渐增加构晶离子浓度（0.5～18 mol·m^-3）时,DK膜面流动电位和Zeta电位绝对值分别从87.37和59.13 mV下降至3.41和36.34 mV,均呈先急剧后缓慢下降的变化趋势。这可能是由于静电屏蔽和扩散层压缩共同作用的结果。而同时膜面电荷密度从13.94 mC·m^-2逐渐增加至34.86 mC·m^-2。研究表明,当NF浓水端膜面处开始出现结垢时,膜表面仍有中低强度的动电现象。     

复合溶液膜吸收CO2的性能及其对膜孔润湿的影响

利用自行搭建的CO₂膜吸收实验台，采用聚丙烯（PP）膜组件，以质量分数10%的N-甲基二乙醇胺（MDEA）作为主体胺溶液，添加不同配比的哌嗪（PZ）、乙醇胺（MEA）、甘氨酸钾（PG），考察CO₂脱除效率和传质速率的变化，比较不同复配比的复合溶液表面张力以及对PP膜的浸润性，并以10%MDEA+10%PG混合溶液作为吸收液进行长时间实验。结果表明：添加少量的添加剂对MDEA溶液膜吸收CO₂均有显著的促进作用，当配比小于0.2时，促进作用大小为PZ>MEA>PG；当配比大于0.2时，促进作用大小为PZ>PG>MEA；PZ和MEA均随着添加配比的增加，溶液表面张力减小，而PG相反；表面张力小的溶液对膜浸润性较强，容易造成膜润湿；添加剂质量分数均为10%时，对膜溶胀性和疏水性以及膜孔结构影响大小为PZ>MEA>PG；在20天内，PG/MDEA混合溶液作用下的CO₂脱除效率从89.56%下降为83.09%，对PP的疏水性影响较小，膜组件可以稳定运行。吸收液表面张力对膜吸收法脱除CO₂性能的影响显著。所得结果可为膜吸收CO₂吸收剂复配提供依据，并可为揭示膜吸收CO₂过程中膜润湿导致膜失效的机理以及抑制膜润湿提供实验数据。     

聚醚酮超滤膜的污染及其对滤速影响的研究

通过对不同孔径聚醚酮（ＰＥＫ）超滤膜及其在不同实验条件下蛋白质对膜污染度的测定,研究了蛋白质溶液滤出速率的变化规律,并对污染机理进行了探讨,实验结果表明,ＰＨ值在３左右,温度为３０℃时,ＰＥＫ超滤ＢＳＡ溶液的滤出速度较高;ＢＳＡ对ＰＥＫ膜的污染度较小,提出滤出速度随蛋白质溶液浓度提高呈线性下降是浓差极化与膜污染共同影响的结果,提高切向流动速度,降低浓差极化是降低膜污染度的有效方法之一。     

不同单价电解质水溶液对逆电渗析电堆工作特性的影响

以5种工质盐溶液作为逆电渗析堆（RED）的工作溶液,分别在两种浓度（mol/L）比（3/0.05、5/0.05）下,分析逆电渗析堆主要工作特性参数：开路电压、电堆欧姆内阻以及功率密度。实验结果表明：电导率高的电解质溶液为工质时,电堆内阻降低,实验中以浓度比5/0.05溴化铵溶液为工质的电堆具有最低的欧姆内阻（2.80Ω）,同时电堆开路电压也最低（1.355V）。因为过高的溶液浓度梯度降低了离子交换膜的离子选择透过性。浓度比5/0.05乙酸钾溶液为工质的电堆具有高的开路电压,达到1.929V,比氯化锂溶液高6.9%,但其电堆内阻比氯化锂溶液高17%,以氯化锂溶液为工质的电堆输出的最大功率密度达到2.217W/m²。以乙酸钠溶液为工质开路电压比乙酸钾稍低,但其内阻过高,使得输出的最大功率密度最小。     

Preparation of ion exchange membranes by preirradiation induced grafting of styrene/divinylbenzene into crosslinked PTFE films and successive sulfonation

Ion exchange membranes (IEMs) were prepared by preirradiation induced grafting of styrene with or without divinylbenzene (DVB) into crosslinked polytetrafluoroethylene (RX‐PTFE) films and successively sulfonated by chlorosulfonic acid. The effects of the DVB concentration and solvent on the kinetic of the graft polymerization were studied. The ion exchange capacity (IEC) values of the prepared membranes ranging from 1.5 to 2.8 mequiv/g were obtained. The degree of swelling increased with the increase in the degree of grafting, while higher crosslinking density of both the RX‐PTFE matrices and the grafts suppressed the degree of swelling. The chemical stabilities of the IEMs were tested by recording the weight of the membranes being soaked in hot H₂O₂ solutions. The weight‐time curves of the prepared membranes showed one‐step quick decrease due to the decomposition of the poly(styrene‐sulfonic acid) (PSSA) grafts. Higher crosslinking density in both the RX‐PTFE matrices and the grafts improved the chemical stability of the IEMs. The ionic conductivity of the IEMs increases with the increase in the IEC values. The IEMs with IEC values higher than 2.2 mequiv/g hold the higher ionic conductivity than that of Nafion® 112 membrane. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 101: 3587–3599, 2006     

An experimental investigation of streaming potentials through homogeneous ion-exchange membranes

Streaming potentials through homogeneous ion-exchange membranes (IEMs) were studied with several anion-exchange membranes prepared in our laboratory. Discussions are mainly concentrated on the effects of the chemistry, concentration and pH of the outer solution as well as the thickness and ion-exchange capacity of the IEMs. Results show that except for the membrane thickness hardly affecting the streaming potential coefficient, the remaining factors influence it more or less. The difference of the streaming potential coefficient for different electrolyte solutions with equal concentrations is due to different mobilities of the cations or anions of those electrolytes; the pH of outer solution only alters the magnitude of the streaming potential coefficient, but has no influence on its sign; and the streaming potential coefficient increases with increasing IEC and with decreasing concentration of the outer solution. The desalination rate of the IEMs can be also roughly estimated by the difference of the electrical potential in two opposite pressure directions including the pressure-increase direction (+) and the pressure-reduced direction (−).     

NH4Cl溶液浓度对Incoloy 825合金腐蚀行为的影响

通过电化学阻抗技术、极化曲线和浸泡腐蚀实验对Incoloy 825合金在不同浓度NH₄Cl溶液中的腐蚀行为进行了研究。研究结果表明：开路电位随着浓度的升高而负移,腐蚀倾向增大;采用等效电路R_S（Q₁R₁）（Q_dlR_t）对电化学阻抗谱进行拟合,电荷转移电阻R_t随浓度增加而减小,Incoloy 825合金的维钝电流密度和腐蚀速率随浓度的增加而增大;825合金的腐蚀形貌主要为局部腐蚀,点蚀的密集度和大小随浓度的增加而增大;EDS结果表明Cl^-参与了电化学反应过程。     

Transport analysis in reverse electrodialysis with pulsatile flows for enhanced power generation

Time-dependent velocity profile and concentration distributions formed in a single reverse electrodialysis (RED) unit have been successfully pursued using simulation framework for evaluating performance of the unit, i.e., open circuit voltage and short circuit current. The single RED unit consists of two adjunct fluid channels, separated by the semi-permeable membrane. Through one of the channels, sea water flows, and the other is occupied by fresh water, flowing in the opposite direction (countercurrent operation). The diffusion-convection transport of the rate-limiting ion, Na+ in this study, for both channels is treated. The diffusive transport of cation across the membrane is expressed as boundary conditions for the bi-mechanism model. Our simulations conducted using an orthogonal collocation on finite element scheme show that the concentration difference of 35 g/L between sea water and fresh water results in the open circuit voltage of 63 mV and the short circuit current density of 11.5 A/m². These values are close to ones that were obtained from the experiments.     

硫酸银对氯离子环境下Alloy690缓蚀特性的电化学分析

针对Alloy690在局部腐蚀过程中氯离子的自催化腐蚀作用,提出了利用Ag₂SO₄作为缓蚀剂防止氯离子对Alloy690的局部腐蚀。首先利用Tafel极化曲线和电化学阻抗谱,分析了将不同浓度的Ag₂SO₄加入到0.005 mol·L^-1的NaCl 溶液对Alloy690的缓蚀效率和表面结构的影响;然后通过X射线光电子能谱（XPS）对样品表面钝化膜的组成进行了分析,并与电化学阻抗谱分析结果进行了对比。研究结果表明：在Ag₂SO₄浓度较低时,它与氯离子形成络合物可有效降低腐蚀溶液中氯离子的活动性,并且这些络合物会覆盖在Alloy690表面,抑制了Alloy 690的阳极氧化过程,改变了电极表面双电层结构,有良好的缓蚀效果。     

碳酸锂在碳酸钠溶液中的溶解度与热力学

采用等温溶解平衡法开展碳酸锂在碳酸钠溶液中(278.15～358.15 K)的溶解平衡实验研究,测定平衡体系碳酸锂溶解度和平衡溶液密度,利用E-DH方程对碳酸锂溶解度实验数据进行关联,标准偏差小于0.01;利用Connaughton方程对液相密度数据进行关联,标准偏差小于2×10^-3。实验和计算研究结果表明：在同离子和盐效应协同影响下,碳酸锂在Na₂CO₃-H₂O体系中溶解度随碳酸钠浓度增加先降低后降低趋势变缓,在278.15～358.15 K温度范围内,溶解度转变折点为碳酸钠浓度约为0.1 mol·kg^-1;通过溶解热力学计算,得到碳酸锂在碳酸钠中的溶解焓变(ΔH_d)、熵变(ΔS_d)和Gibbs自由能变(ΔG_d),结果表明溶解过程为放热、熵减的非自发过程,溶解焓变和熵变随着碳酸钠浓度增加而增加,Gibbs自由能变在0.6 mol·kg^-1出现最大值,且溶解过程为熵控制过程。研究结果将为卤水提锂碳化沉锂过程设计提供基础数据。     

反电渗析法海洋盐差电池的结构优化与能量分析

盐差能是存在于海水和淡水之间或者两种含盐浓度不同的海水之间的化学位差能,是以化学能形态存在的海洋能。反电渗析法是一种利用盐差能发电的方法,相比于其他方法,具有更高的能量密度。但是,目前对反电渗析法盐差电池的研究均限于小尺寸膜堆,放大实验发现功率密度显著降低,对过程的能量效率更少有分析。因此,对反电渗析法海洋盐差能利用过程进行数学模拟,对膜堆进行结构优化,研究在不同的结构参数下反电渗析盐差电池的功率密度和能量效率。结果表明,减小隔板厚度可以很大程度地提高反电渗析过程的功率密度和能量效率,增加RED装置的长度会获得较高的能量效率,但是平均功率密度有所降低。     

溶液浓差能驱动的逆电渗析反应器制氢实验研究

低品位热能制氢技术首先是将热能转换为溶液浓差能,然后通过逆电渗析（RED）反应器将溶液浓差能转换成氢能。为了验证RED反应器能将溶液浓差能转换为氢能,探索关键运行参数变化对能量转换过程的影响。设计了一个由40个膜对所构成的RED反应器,以NaCl水溶液为工作溶液,NaOH水溶液为电极液的制氢系统。通过改变浓/稀溶液入口浓度,溶液过膜流速以及输出电流来考察对RED反应器产氢率、制氢效率和能量转换效率的影响。实验结果发现,浓/稀溶液入口浓度,过膜流速变化均会影响RED反应器的输出电流。在外电路短接条件下,输出电流越大,反应器产氢率和制氢效率越高,但能量转换效率越低。     

Novel design of flow path spacers for reverse electrodialysis cell

Reverse electrodialysis (RED) is one of the technologies used to harness ‘Blue Energy’, which is generated from the controlled separation of ions between salt water and fresh water through cation and anion exchange membranes (CEM/AEM) stack with end electrodes. The spacers present in between CEM and AEM allows the flow of salt and fresh water significantly affecting the fouling and concentration polarization in the RED cell. The present work focuses on improvement in flow path design, which may be used in place of mesh spacers in order to reduce pressure drop and enhance shear stress on the surface of the membrane to reduce concentration polarization. A three-dimensional direct numerical simulation of the Navier–Stokes equation is conducted using Fluent 14.0 to analyze four different flow field designs, including serpentine, criss-cross, rhombus, diamond, and standard mesh spacers. The simulation predicted closely the experimental data on pressure drop for the mesh spacers available in the literature. The present study points out that the diamond type flow field design, which combines characteristics of mesh spacers and flow field plates, gives lesser pressure drop per unit length with the increase in velocity within the same range of shear stress generated in mesh spacers. In other words, net power density of RED would improve with the use of diamond type spacer flow field with the decrease in concentration polarization loss and pumping power density.