基于PRO技术的盐差能发电过程操作条件优化与能量效率评价

发布时间：2020-11-05 11:59

　　 压力延迟渗透(Pressure retarded osmosis,PRO)技术是一种新型膜分离技术,主要应用于海洋盐差能发电过程,该过程仍存在功率密度低和能量利用效率低等瓶颈问题。PRO过程的功率密度不仅受溶液体系的影响,还与过程操作条件密切相关。为了实现PRO过程功率密度最大化,本文构建了包含FO膜浓差极化,反向盐通量和膜组件内驱动液侧压力损失等影响因素的水通量和功率密度模型。模型选取海水-河水和RO卤水-河水两种体系,分别研究操作压力(△P)、原料液与驱动液流量比(V_F/V_D)和驱动液流量与膜面积比(V_D/S_m)等操作条件对其PRO过程功率密度的影响规律。并采用商业化的正渗透膜,在膜的最大耐压范围内分别对两体系PRO过程的水通量和功率密度理模型结果进行了实验验证。结果表明:对海水-河水体系而言,当操作条件ΔP为17bar,V_F/V_D为0.8,V_D/S_m为47Lm~(-2)min~(-1)时,功率密度达到5.13Wm~(-2),高于经济值5.00Wm~(-2)。对RO卤水-河水体系最优操作条件ΔP为29bar,V_F/V_D为1.0,V_D/S_m为47Lm~(-2)min~(-1),此条件下功率密度可达13.61Wm~(-2),远高于海水-河水体系的功率密度。实验结果与模型结果间的误差小于5%,证明了模型的可靠性,为实际PRO过程操作条件选择提供参考依据。考虑到溶液体系是PRO过程能量利用效率的重要影响因素之一,本文构建了沿驱动液流动方向单位膜长度上的水通量和吉布斯自由能利用效率两种模型,重点研究了海水-河水,RO卤水-河水,死海-废水和死海-海水四种不同的溶液体系对水通量和吉布斯自由能利用效率的影响规律。结果表明,当PRO过程膜的工作长度为1米时,以上四种体系单位膜长度的水通量沿驱动液流动方向均逐渐降低,水通量总降幅分别为2.12%,12.01%,20.07%和48.24%。以上四种体系的吉布斯自由能总利用效率沿驱动液流动方向逐渐增加,其分别为10%,15%,32%和42%,但受水通量沿驱动液流动方向逐渐降低的影响,单位膜长度的吉布斯自由能利用效率逐渐降低。通过理论模型探究不同溶液体系的吉布斯自由能利用效率,为实际PRO过程能量利用效率提供参考依据。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM61;TQ028.8
【部分图文】：

表 1-2 总结了 5 种不同来源的海水理论上可提取的最大能量[18]。地球上主要河流包括：亚马逊河，刚果河，长江，密西西比河，格伦比亚河等，考虑到世界上所有河流汇入海洋的平均排放量，可以估计河水和海水混合时所释放的能量相当于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 浓度(molL-1) 理论功率 (kWhm-3)海水 0.6 0.75反渗透卤水 1.2 1.5大盐湖 8.3 10.4死海 12.5 14.1

[21]。二十世纪五十年代，Pattle 创新性的提出反电渗析的概念。典型的 RED 工作原理是利用阳离子交换膜（cation-exchangemembranes，CEM）和阴离子交换膜（anion-exchange membrane，AEM）以交替的顺序堆叠组装而形成高盐度的流动室（HS）和低盐度的流动室（LS），如图 1-1 所示。阳离子和阴离子在 HS 室以相应的浓度梯度在相反的方向分别通过 CEM 和 AEM 向 LS 室扩散，在这个过程中通过电极上的氧化还原反应将化学势能转化为电能[19]。目前，RED 未实现商业化的主要因素是缺乏离子交换膜，但随着全球膜需求量的增长可能会降低生产成本。压力延迟渗透技术是另外一种盐差能提取技术，属于正渗透技术的一种，用于提取膜两侧不同浓度溶液间的能量。压力延迟渗透过程的功率密度相比于反电渗析相比要高，具有更大的发展潜质，因此本文选择压力延迟渗透技术作为研究对象[23]。

延迟渗透技术原理及特点迟渗透（Pressure Retarded Osmosis，PRO）技术是一种使不允许溶质分子或离子透过的选择性半透膜，在膜两侧设利用溶液间的渗透压差（△π）作为驱动力，水从低浓度的原S）侧向高浓度的驱动液（Draw Solution，DS）侧渗透，小于渗透压差的压力（△P）来延迟水渗透速率的膜分离-2 显示了三种正渗透过程的工作原理，当△P=0 时，在渗发的从原料液侧扩散到驱动液侧的过程为正渗透（Forw7, 28]；当△P<0 时，即在原料液侧施加一定压力，水从原料速率增大，此过程为压力增强渗透（PressureAssistedOsm当 0<△P<△π 时，由于渗透压差减小，水依然是从低浓度水的渗透速率减小，此过程即 PRO 过程。渗透过程中选的影响因素，膜性能的好坏直接关系到分离过程的性能。
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本文编号：2871609