压力延滞渗透技术在产能过程中的影响因素研究

摘要

当前世界能源结构中化石燃料约占80％的比重，是极为重要的能源物质。但化石燃料的储量有限且不可再生，据美国地质局估计，全世界石油还能还能维持约200年，而天然气则可能在80年内枯竭。此外，化石燃料的过度使用会对环境造成巨大的破坏，温室效应、酸雨和雾霾等环境问题都与之相关。为了应对上述情况，必须研究并开发出可替代化石燃料的新型可再生绿色能源。盐差能是不同浓度的溶液混合时产生的能量，与太阳能和风能相比，受气象条件和地理条件影响小，能够持续发电，并且在海洋中储量巨大，近年来受到了广泛关注。
　　压力延滞渗透（Pressure retarded osmosis, PRO）是一种利用盐差能进行产能的新型膜工艺，选择透过性膜是其核心部件。在本文研究的第一部分，首先利用多种技术对 PRO中采用的三醋酸纤维素无纺布膜（CTA-NW膜）进行了一系列表征，得到其表面形貌、截面形貌、化学基团、亲水性和孔径等信息，论证其能应用于压力延滞渗透过程的可能性；之后再通过反渗透（RO）试验对CTA-NW膜的盐水分离性能和承压性能进行测试，得到其水的透过系数和盐的透过系数，以及膜性能在不同压力条件下的变化规律，为之后的理论研究和实验参数的确定提供条件；最后，根据PRO与正渗透（FO）的相关性，由FO水通量模型得到PRO的水通量模型，从理论上分析浓差极化现象对压力延滞渗透性能的影响。
　　在本文研究内容的第二部分，以不同浓度的氯化钠溶液为原料液和汲取液，发现膜活性层朝向原料液（AL-DS）、增加汲取液浓度、降低原料液浓度、提高流速和温度等都有利于PRO过程中水通量和能量密度的提高。由于不同条件对PRO效果的影响实质是对渗透过程中内部浓差极化（ICP）强度的影响，而浓差极化的强度可以由膜的结构参数（S）体现，所以可以通过对S值的计算，直观看到各影响因素对浓差极化的影响程度：S值越大则浓差极化现象越严重，膜对水的传质阻力越大，水通量越小，产能密度越小。通过理论公式计算膜在不同条件下的扩散系数（D），再进一步推算出膜结构参数 S，以 S值对实验中膜对水的传质阻力进行评价。此外，在PRO过程中，传统的浓差极化模型假设膜的盐水分离性能不变，然而实验得到的能量密度低于预期值，这主要是由于盐的反向扩散引起内部浓差极化增强导致的。实验发现反向比盐通量随着外加压力的升高而增加，且实验结果比理论结果增长迅速，这可能是膜在高压下被损坏导致的。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 压力延滞渗透技术

1.3 压力延滞渗透过程中的关键技术

1.4 压力延滞渗透的研究现状及其发展

1.5 主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2 实验装置

2.3 膜的预处理和安装

2.4 实验操作

2.5 膜性能指标测试方法

2.6 CTA-NW膜的表征

第3章 CTA-NW膜的表征及性能研究

3.1 引言

3.2 CTA-NW膜的表征

3.3 膜的盐水分离性能

3.4 CTA-NW膜在外加压力下的表现

3.5 浓差极化分析

3.6 本章小结

第4章 压力延滞渗透的影响因素分析

4.1 引言

4.2 膜朝向对PRO的影响

4.3 汲取液浓度对PRO的影响

4.4 原料液浓度对PRO的影响

4.5 流速对PRO影响

4.6 温度对PRO的影响

4.7 盐反向扩散的影响

4.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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