【摘 要】
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目前,水资源短缺和温室效应问题严重制约了人类社会的发展。为了解决两大环境问题,课题组前期开展了化学法海水脱钙固碳的研究,但存在引入外来碱源、成本较高的缺点。在此基础上,本课题开发了双极膜电渗析海水脱钙固碳工艺,分别探究了单膜组离子迁移规律和工艺优化条件,并对此工艺的连续运行进行了经济分析,实现双极膜电渗析海水脱钙固碳。离子迁移速率决定了盐室中的离子浓度、反应速率和膜污染速率。因此,首先探索了体系下
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目前,水资源短缺和温室效应问题严重制约了人类社会的发展。为了解决两大环境问题,课题组前期开展了化学法海水脱钙固碳的研究,但存在引入外来碱源、成本较高的缺点。在此基础上,本课题开发了双极膜电渗析海水脱钙固碳工艺,分别探究了单膜组离子迁移规律和工艺优化条件,并对此工艺的连续运行进行了经济分析,实现双极膜电渗析海水脱钙固碳。离子迁移速率决定了盐室中的离子浓度、反应速率和膜污染速率。因此,首先探索了体系下可能存在的离子在电渗析系统内由碱室到盐室之间的迁移速率,从而确定工艺可行性。通过考察双极膜电流密度的影响,确定实验操作电流后,经过多次实验测定了单离子(OH-、CO32-、HCO3-)迁移速率和双离子(CO32-与HCO3-、OH-和CO32-)竞争迁移速率。该离子体系中除存在传统的离子迁移,还存在复杂的离子反应,通过筛选对比确定OH-和HCO3-离子的反应和迁移速率是关键因素,并确定了二者之间的相对迁移速率,由此推测出可以通过控制双极膜电解速率与二氧化碳的水解速率来控制OH-和HCO3-离子间的相对浓度,从而抑制OH-导致的离子交换膜表面结垢。确定了工艺可行性之后,对耦合工艺进行优化研究。首先通过调整曝气装置,提高了固碳率。然后以固碳率、脱钙率、单位海水处理能耗、脱钙能耗、固碳能耗等参数为指标,考察了电流密度、CO2通入量、气液接触方式以及碱室溶液的初始p H值等工艺条件。为了进一步降低实验能耗,又考察了搅拌、温度以及不同初始脱钙率溶液对养晶平衡时的溶液中脱钙率的影响,提出迁移+反应+养晶的优化工艺,从而可缩短电渗析系统操作时间,从而降低能耗成本。在最优条件下,海水脱钙率达90%以上,固碳率接近100%,海水处理能耗、脱钙能耗和固碳能耗分别为1.85 k Wh/（t海水）、1.97 k Wh/（kg Ca CO3）,0.87 k Wh/（kg CO2）。在工艺可行性研究和工艺优化的基础上,最后开展了双极膜电渗析连续操作研究。并初步估算了小试实验研究的总工艺成本,结果显示处理每吨海水的成本约1.84元,同时可获得0.9225 kg Ca CO3副产品,固定0.64 m3CO2。在后续扩大实验甚至工业化后,实际能耗和总生产成本将远低于这项工作所计算的能耗和总生产成本,初步验证了该方法在经济上是可行的,具有工业化的潜力。
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