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(guò)程,該過(guò)程仍存在功率密度低和能量利用效率低等瓶頸問(wèn)題。PRO過(guò)程的功率密度不僅受溶液體系的影響,還與過(guò)程操作條件密切相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)PRO過(guò)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(dòng)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(dòng)液流量比(V_F/V_D)和驅(qū)動(dòng)液流量與膜面積比(V_D/S_m)等操作條件對(duì)其PRO過(guò)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(duì)兩體系PRO過(guò)程的水通量和功率密度理模型結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:對(duì)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(shí),功率密度達(dá)到5.13Wm~(-2),高于經(jīng)濟(jì)值5.00Wm~(-2)。對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)際PRO過(guò)程操作條件選擇提供參考依據(jù)�？紤]到溶液體系是PRO過(guò)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(dòng)液流動(dòng)方向單位膜長(zhǎng)度上的水通量和吉布斯自由能利用效率兩種模型,重點(diǎn)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(duì)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(guò)程膜的工作長(zhǎng)度為1米時(shí),以上四種體系單位膜長(zhǎng)度的水通量沿驅(qū)動(dòng)液流動(dòng)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(dòng)液流動(dòng)方向逐漸增加,其分別為10%,15%,32%和42%,但受水通量沿驅(qū)動(dòng)液流動(dòng)方向逐漸降低的影響,單位膜長(zhǎng)度的吉布斯自由能利用效率逐漸降低。通過(guò)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(shí)際PRO過(guò)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TM61;TQ028.8
【部分圖文】：

表 1-2 總結(jié)了 5 種不同來(lái)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(zhǎng)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(jì)河水和海水混合時(shí)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(yáng)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(dòng)室（HS）和低鹽度的流動(dòng)室（LS），如圖 1-1 所示。陽(yáng)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(guò) CEM 和 AEM 向 LS 室擴(kuò)散，在這個(gè)過(guò)程中通過(guò)電極上的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能[19]。目前，RED 未實(shí)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(zhǎng)可能會(huì)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(guò)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(duì)象[23]。

延遲滲透技術(shù)原理及特點(diǎn)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(guò)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(dòng)力，水從低濃度的原S）側(cè)向高濃度的驅(qū)動(dòng)液（Draw Solution，DS）側(cè)滲透，小于滲透壓差的壓力（△P）來(lái)延遲水滲透速率的膜分離-2 顯示了三種正滲透過(guò)程的工作原理，當(dāng)△P=0 時(shí)，在滲發(fā)的從原料液側(cè)擴(kuò)散到驅(qū)動(dòng)液側(cè)的過(guò)程為正滲透（Forw7, 28]；當(dāng)△P<0 時(shí)，即在原料液側(cè)施加一定壓力，水從原料速率增大，此過(guò)程為壓力增強(qiáng)滲透（PressureAssistedOsm當(dāng) 0<△P<△π 時(shí)，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(guò)程即 PRO 過(guò)程。滲透過(guò)程中選的影響因素，膜性能的好壞直接關(guān)系到分離過(guò)程的性能。
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本文編號(hào)：2871609