【摘 要】
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反向电渗析（RED）是一种基于离子交换膜的产电技术,通过控制浓缩电解质溶液中的自由离子有选择的迁移至稀释电解质溶液中的特点来产生可持续的电能。由于实验测量方法和外界条件改变单一的限制,目前对于RED膜堆的产电特性的研究缺乏全面的电化学特征参数支撑,无法进行较为完整和系统性的比较。特别地,发生在离子交换膜表面的浓差极化现象对RED膜堆产电性能影响的实验研究也没有深入开展。此外,以往针对RED膜堆的研
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（编号:51807162）；
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反向电渗析（RED）是一种基于离子交换膜的产电技术,通过控制浓缩电解质溶液中的自由离子有选择的迁移至稀释电解质溶液中的特点来产生可持续的电能。由于实验测量方法和外界条件改变单一的限制,目前对于RED膜堆的产电特性的研究缺乏全面的电化学特征参数支撑,无法进行较为完整和系统性的比较。特别地,发生在离子交换膜表面的浓差极化现象对RED膜堆产电性能影响的实验研究也没有深入开展。此外,以往针对RED膜堆的研究主要是围绕其宏观产电特性展开的,尚没有形成系统描述基于RED膜堆的膜-溶液系统中用来表征浓差极化现象的微观离子跨膜输运过程以及跨膜迁移特征参数变化规律的实验研究。鉴于此,本文通过分析级纯度的NaCl溶液分别对现实中的河水和海水进行模拟,对RED膜堆产电性能和浓差极化现象进行了细致的研究。本文通过实验研究了不同的膜堆构型和运行条件对RED膜堆产电性能的影响。研究表明,采用膜面电阻最小的SELEMION膜时,膜堆的总电阻最小,最大功率密度值最大。当膜对数量为5对时,膜堆的最大功率密度取得最大值,能获得最优的产电性能。膜堆的功率密度随着溶液浓度的增加而不断增大,特别地当浓室和淡室溶液浓度分别为120-4 g/L时,膜堆能够获得最大的功率密度。而随着溶液流速的增大,膜堆的最大功率密度先增大后降低,其最大值可在流速为20 L/h时取得。本文也基于RED膜堆的膜-溶液系统,研究了不同条件因素下浓差极化现象的变化规律。研究表明,相同条件下由于Na+向阳离子交换膜迁移的数目小于Cl-向阴膜的迁移数目,故相较于阳离子交换膜系统,在到达完全浓差极化状态时阴离子交换膜系统中的极限电流密度更大。SELEMION膜的使用以及溶液浓度、流速和温度的提升,一方面使得系统中极限电流密度和离子迁移时间升高,离子在膜和溶液中迁移数的差值降低,这意味着系统中的完全浓差极化现象更难发生。另一方面也使得系统中扩散边界层厚度减小,这表示稳定状态下系统发生的浓差极化程度变得更弱。
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