电渗析过程传质模型的研究进展

发布时间：2021-09-17 03:25

　　电渗析是一种利用离子交换膜和电势差从溶液及其他不带电组分中分离出离子的物质分离过程,该技术具有适应性强、预处理简单、能耗低、环境污染小等优点,被广泛应用于化工、生物等领域的分离纯化过程。本文主要介绍了用于电渗析分离过程的6种传质模型,总结了各模型的优势及存在的问题,指出限制电渗析技术进一步发展的主要原因是对包含物质传递、浓差极化、流体流动行为、电解质溶液-膜平衡等复杂现象的电渗析过程进行理论和实验研究难度大,而传质模型化为电渗析分离过程的物质传递研究提供了一条有效途径,有助于深入研究电渗析过程中物质的传递机理,准确预测分离性能并导向性优化电渗析结构设计和操作工艺。并且提出未来电渗析传质模型的研究方向是结合经验方程或传质系数进一步优化传质模型,并采用仿真工具模拟传质过程,提高模型的准确性和普适性。 

【文章来源】：化工进展. 2020,39(03)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

电渗析工作原理

为了更准确地描述电渗析过程中的物质传递现象，研究人员通过建立数学模型并配合电渗析实验进行进一步传质研究[36-37]。如图2所示，结合电渗析分离原理将实际传递过程简化并分解，采用相关方程描述各个物理化学过程。研究人员最初建立的传质模型多为经验性模型，一般通过简单的数学工具与实验结果结合得到。虽然这类模型的建立和求解较为简单，但在详尽描述电渗析传质过程中受到很大限制[38]。后来研究人员采用非平衡热力学方程（如Maxwell-Stefan、Nernst-Planck方程等）并结合离子在电渗析中传递的相关物理参数建立数学传质模型，使其更接近实际电渗析传质过程。近年来，电渗析传质模型化研究更系统深入，不仅关注物质在电驱动膜系统、主体溶液及膜边界层中的传递行为，还对整个电渗析组器的物质传递、电流效率等进行研究[39-41]。随着学科的交叉融合以及计算模拟技术的发展，如模糊逻辑系统、人工神经网络等理论模型也被开发并应用于电渗析传质过程的研究。3 电渗析过程传质模型

Nernst-Planck模型基于离子通量独立性原则，即不受其他离子电势梯度影响，不考虑离子间相互作用系数。因此，每种离子对应一个扩散系数，使其与水动力学方程、连续方程和化学反应方程等联立耦合后更易求解[45]。Jiang等[46]在Nernst-Planck方程的基础上，如式(3)所示，利用离子在膜中迁移的毛细管理论建立电渗析过程水迁移模型，如式(4)所示。式中，Di表示离子i在水中的扩散系数，F表示法拉第常数，V代表电渗析过程淡室中水减少速率，q表示表面电荷，r表示毛细管壁到溶液距离，η表示溶液动力黏度，i表示电流密度，l为毛细管长度，cˉ1表示面向淡室的膜表面离子i浓度，cˉ2表示面向浓室的膜表面离子i浓度。式(4)中，等号右边两项分别代表电渗透和渗透压差引起的水迁移，通过计算分析明确电流密度、离子电荷数、溶液动力黏度、溶液浓度等对水迁移的影响规律。Casas等[47]已将基于Nernst-Planck方程的数学模型应用于电渗析浓缩反渗透浓水的中试项目，将Nernst-Planck方程和质量守恒方程联立，通过进水浓度、流速、电流密度等工艺参数的输入，预测了整个电渗析系统的性能与运行结果，尽管模型部分设计基于理想状态，但模拟结果仍能与实验数据较好吻合。研究结果表明Nernst-Planck传质模型能较准确地描述电渗析的传质过程，并且模拟结果可用于指导电渗析实验的设计和操作以及解释电渗析分离或浓缩过程中不同因素对结果的影响。


本文编号：3397867