基于逆电渗析原理的能量转换利用技术专利进展

逆电渗析技术是依靠离子交换膜选择性将溶液盐差梯度转换为膜电势,进而可用于发电或驱动电化学反应的技术。文章着眼于我国逆电渗析技术相关专利前沿进展,首先,从膜阻、膜厚、离子选择性、离子交换容量、耐污抗菌、稳定性等角度探讨了适配离子交换膜的权衡考量机制,分析了膜的改性方法与优化发展方向;然后,重点介绍了逆电渗析技术在发电、制氢、污水处理及海水淡化等领域的发展与专利布局情况,厘清(热能→)盐差能→(电能→)氢能等多条能源转换技术路线,并阐释了循环工作溶液的再生方法与发展脉络。逆电渗析技术与电渗析技术、可再生能源发电技术、低品位热回收技术相耦合是实现各技术优势互补、提高能效与产出的有效策略。

选择性电渗析盐分离和资源化的研究进展

概括了目前选择性电渗析中阴离子交换膜提高盐分离效果的主要方式,同时就目前选择性电渗析技术的局限性进行了总结,并对离子交换膜、电极的开发和工艺优化进行了展望。

电渗析联合臭氧氧化法处理垃圾渗滤液膜浓缩液

随着膜工艺广泛应用于垃圾渗滤液的处理,产出的大量膜浓缩液成为新的处理难题。针对膜浓缩液含盐量高、含有机物浓度高的特点,对电渗析联合臭氧氧化法处理垃圾渗滤液膜浓缩液进行了研究,通过电渗析法对膜浓缩液进行脱盐,考察了施加电压、进料流速,浓缩室和稀释室体积比、连续实验等四个因素对电渗析浓缩过程中脱盐率及单位能耗的影响,采用X射线衍射分析电渗析浓缩水的主要成分,采用臭氧处理电渗析稀释水,分析废水中UV254和B/C比的变化。结果表明:电渗析表现出良好的盐浓缩性能,当施加电压为10 V,进料流速为260 L/h,浓缩液和稀释液体积比为1:4时,浓缩液电导率可达到109.6 mS/cm,单位能耗为4.1 kWh/m3。电渗析稀释水经臭氧氧化后UV254去除率达到83.26%,B/C比由0.18升高到0.72,提高了废水的可生化性。

基于双极膜电渗析的膜集成技术的高矿化度矿井水资源化处理

在当前煤矿矿井水“零排放”及煤炭与水资源逆向分布背景下,西部矿区的高矿化度矿井水如若不进行合理处置便直接排放,不仅对当地生态环境造成不可估量的破坏,而且造成严重的水资源浪费,最终将制约煤炭绿色开发与生态文明建设。传统的高盐废水零排放技术主要是利用蒸发结晶技术将无机盐由溶液态转变为结晶态进行回收。从经济性方面分析,该技术受投资高、运行成本高、无机盐附加值低等问题制约。基于此,以西部某矿井水为原水,以矿井水资源化零排放利用及脱盐低碳化为目标进行膜集成工艺设计,并在此基础上重点探讨电渗析和双极膜电渗析工序不同操作条件(操作电压、进料液浓度、温度、酸碱度、电流密度等)对电渗析脱盐性能及双极膜电渗析制酸碱性能的影响规律,之后以实验数据及经济评估模型,探究其经济可行性,旨在探索出适用于西部矿区高矿化度矿井水处理的膜集成技术,为高矿化度矿井水绿色资源化处理工艺的开发提供新的研究思路。通过对电渗析−双极膜电渗析实验过程探究,发现双极膜系统进料液质量浓度应不超过80 g/L、适宜的操作电压为18 V、适宜的进料液温度为25℃、进料液pH保持中性、更适合采用恒电压操作。此外,证实了以双极膜电渗析为核心的膜集成系统可实现高矿化度矿井水绿色资源化处理,以电渗析系统进料液总含盐量20 g/L为例,总的净收益为18604299元/a,且在耦合光伏电力供应系统时具有明显的二氧化碳减排效应,二氧化碳减排将超过3162 t/a,具有良好的经济效益和社会效益。

海水中的污染物对逆电渗析电堆性能的影响

海水淡化装置排出的浓缩卤水会造成盐差能的浪费,逆电渗析电堆可以有效回收这种盐差能,并直接转换为电能。但是以海水和浓缩卤水为工作溶液的电堆性能易受工作溶液中不溶性物质的影响。为揭示这种影响规律,对逆电渗析电堆进行了定期的污染物附着实验研究。首先定期测试逆电渗析电堆的输出性能,获得了电堆性能衰减的规律;进而采用扫描电镜和能谱分析仪对离子交换膜和隔垫上的污染物种类进行分析,探究各附着物引起电堆性能下降的原因。结果表明:运行初期(0~20 d),电堆的开路电压、最大功率密度、能量转换效率,以及内阻变化速度快;运行后期(20~45 d),浓缩卤水侧的压降增速较快。本研究可为逆电渗析电堆的清洗策略提供一定的理论支持。

双极膜电渗析再生处理氨氮的阳离子交换树脂

采用阳离子交换树脂去除饮用水中低浓度氨氮并应用双极膜电渗析技术再生阳离子交换树脂。研究了双极膜电渗析技术树脂再生性能,确定了最佳再生条件。结果表明,当槽电压为15 V,树脂室循环液初始pH值为3,不同氨氮吸附量的树脂,其再生率均达到55%以上。该方法较相同浓度酸再生法,再生率由0.54%提升至63.34%。此外,该方法可一定程度降低树脂的铁中毒。

电渗析技术在含盐工业废水处理中的应用研究进展

为了处理含盐工业废水的高盐污染问题,电渗析技术(electrodialysis)因其独特优点成为含盐工业废水脱盐的研究重点。介绍了填充床电渗析工艺、频繁倒电极电渗析工艺、双极膜电渗析工艺3种新型电渗析工艺,阐述了近几年电渗析技术在稀土工业废水、煤化工废水、锂提取加工和锂电池回收方面的应用。结果显示,3种新型电渗析工艺表现了较好的脱盐效能和资源回收能力;同时电渗析技术适用于稀土工业废水、煤化工废水脱盐处理及水资源回收利用,也能够应用于锂提取加工和锂电池回收。现阶段,电渗析技术在脱盐成本和脱盐性能方面还存在不足,因此电渗析技术需要与其他工艺进行耦合、优化电渗析技术的系统结构和工艺参数、优化离子交换膜来作为重点研究方向。

双极膜电渗析资源化硝酸钠制酸碱

工业生产中产生的含有NaNO_(3)的高盐废水是一种可回收再利用的资源,通过双极膜电渗析(BMED)技术可制备出相应的酸和碱,对高盐废水的资源化利用具有重要的意义。采用三隔室双极膜电渗析膜堆,以NaNO_(3)溶液模拟高盐废水制备HNO_(3)和NaOH。选取能耗、电流效率、转化率作为评价指标,探究电流密度、原料液浓度、极液种类及浓度、酸碱室初始浓度对BMED制酸碱过程的影响。结果表明:随着电流密度的增大,盐转化率提高,能耗增加;随着原料液浓度的增大,电流效率增加,能耗降低,原料液浓度过高会导致电流效率明显降低;极液以3%(质量分数)的NaOH最宜;酸碱室初始浓度的增加可提高盐转化率,降低能耗。综合各因素最优参数进行实验,在电压为35 V、电流密度为700 A/m^(2)、酸碱室初始浓度为0.05 mol/L、原料液为12%(质量分数)的硝酸钠、极液为3%(质量分数)的NaOH的条件下,制得的碱浓度为2.227 mol/L,盐转化率可达93.42%,电流效率为60.83%,能耗为3.23 kW·h/kg。研究结果可为工业生产中NaNO_(3)高盐废水的资源化利用提供参考。

不同离子交换膜在电渗析技术中的应用评价研究

选用三种不同工艺制备的离子交换膜,详细考察对比不同膜片的微观形貌、热稳定性、含水量、离子交换容量、离子选择透过性、面电阻等理化性质,系统评价不同膜片在盐浓缩电渗析技术中的应用性能。结果表明,流延法和拉伸法均相膜结构相对致密且均一,孔径分布集中在10 nm以下,元素分布均匀,具有较低的面电阻和能耗,较高的离子选择透过率、电流效率和盐通量;且拉伸法均相膜横向致密、纵向疏松的结构更有利于降低面电阻和能耗,增加电流效率和盐通量。热压法异相膜具有多相结构,膜较厚,且含有一些大孔(<6μm),面电阻和能耗约是均相膜的2倍,同时离子选择透过率、电流效率和盐通量均较低。所选用离子交换膜均能达到在电渗析脱盐应用中对材料热稳定性的要求。研究结果可为电渗析用离子交换膜的结构设计、制备工艺等提供参考。

磺化聚砜改性阳离子交换膜用于高盐乙二醇废液电渗析脱盐

深水油气田开采过程中普遍需要使用乙二醇(EG)作为水合物抑制剂,副产大量高盐乙二醇废液(SEGW),对其进行除盐回用具有重要的经济价值和生态环境效益。SEGW回收系统的脱盐工序通常采用热法蒸馏,以离子选择性电迁移为除盐机制的电渗析(ED)技术有望显著简化脱盐工艺、降低投资成本和运行能耗,具有较好应用潜力。但常规ED技术用于SEGW脱盐时存在着盐迁移和EG泄漏间的trade-off效应,阻碍了实际应用。为了减少ED脱盐过程中EG的损失,提出采用磺化聚砜(SPSF)对阳离子交换膜(CEM)进行表面改性,SPSF改性层的引入使得CEM表面形成致密离子传输通道,基于空间位阻和电荷效应促使EG分子与水合阳离子的迁移速率形成显著差异,赋予了改性CEM良好的阻醇脱盐性能。实验结果表明,对于EG含量为60%的SEGW,改性膜在达到与原膜同等脱盐效率时可降低61%的EG损失。

复分解电渗析连续化制备谷氨酸钠工艺研究

谷氨酸钠(NaGA)传统发酵法生产工艺消耗大量酸碱,亦产生大量高浓有机废水.复分解电渗析(EDM)技术以发酵液和硫酸钠等廉价盐为原料一步直接制备NaGA,但其连续化工艺模式和节能降耗仍需进行深入、系统的研究工作.在前期EDM制备NaGA的工作基础上,提出了一次式EDM运行工艺策略,以产品浓度、转化率及能耗等为评价指标,研究了进水流量、产品室/原料室流量比等参数的影响规律,继而构建了一级两段式EDM内部水流工艺.结果表明,在45 mA/cm^(2)电流密度下,原料室进水流量为1.5 L/h、产品室/原料室进水流量比0.6时,常规一次式EDM的产品转化率达73.35%,能耗为1.41 kWh/kg NaGA.进一步地,在优化条件下研究了一级两段式EDM的转化性能,并在相同条件下与一级一段过程比较,在30 mA/cm^(2)电流密度下,一级两段过程产品转化率达89.2%,较同等膜对数下一级一段过程提高11.5%,能耗为2.01 kWh/kg NaGA,较间歇操作模式降低32.6%,优于一级一段EDM过程.

基于双极膜电渗析的矿井浓盐水资源化处理工艺研究

双极膜电渗析(BMED)工艺能够将矿井水膜浓缩系统产生的浓盐水转化为酸和碱,从而实现浓盐水的资源化处理。BMED系统的运行能耗较高,且其性能与系统的初始酸/碱浓度、电解质质量分数以及电流密度等参数密切相关,有必要对其进行优化研究,以降低系统运行成本。以某矿井水零排放处理系统产生的纳滤(NF)浓盐水和碟管式反渗透(DTRO)浓盐水为研究对象,采用BMED小试装置研究了不同初始酸/碱浓度、电解质质量分数以及电流密度工况下,BMED系统运行电压、酸/碱浓度、电流效率等变化情况。实验结果表明,实验条件下处理浓盐水,当初始酸/碱浓度为0.1 mol/L左右时,BMED产生的酸/碱浓度最高;BMED装置产生酸/碱的速度与电解质质量分数有关,电解质质量分数较低的工况下酸/碱浓度增加较快;此外,产生酸/碱的速度与电流密度呈正相关,而电流效率与电流密度呈负相关。对于NF浓盐水的处理,在初始酸/碱浓度为0.1 mol/L左右、电流密度控制在21 mA/cm^(2)时经济性最高。此外,根据BMED系统的运行参数进行浓盐水资源化处理的成本收益测算,结果表明,采用双极膜电渗析工艺处理NF浓盐水的运行成本低于DTRO-蒸发结晶工艺,具有经济可行性。

双极膜电渗析与废水资源化——膜制备、应用和改性

随着工业化的推进,大量工业废水的产生给环境带来了严重威胁,废水的资源化利用势在必行。双极膜电渗析(BMED)以其独特的水解离和离子转移机制,已经被应用于包括废水处理和资源化在内的诸多领域,可以富集离子态的无机或有机污染物并产生化学品以实现资源回用。文章介绍了BMED工艺的装置组成和工作机理,并对双极膜的制备方法、废水资源化方面的应用和改性方法进行了综述,最后提出了现阶段制约BMED工艺发展的因素,并对此工艺未来的发展趋势进行了展望。

双极膜电渗析清洁制备L-苹果酸过程工艺优化

生产L-苹果酸的传统工艺多用钙盐法,需向发酵液投加大量无机酸,酸化过程产生大量废盐,导致额外的环境处置成本.本文提出两隔室型双极膜电渗析(BMED)法制备L-苹果酸的新型工艺,以转化率、电流效率及能耗等为评价指标,研究了电流密度、初始盐浓度、膜面流速等工艺参数对产酸性能的影响规律,优化了操作条件并进行了经济性分析.结果表明,对于模拟L-苹果酸二钠发酵液,控制电流密度为40 mA/cm^(2)、初始L-苹果酸浓度为0.2 mol/L、膜面流速为1.44 cm/s时,L-苹果酸的转化率可达94.99%,能耗为6.77 kWh/kg L-苹果酸,经济性分析显示其生产费用为11.34￥/kg L-苹果酸.研究可为L-苹果酸清洁制备工艺的开发、推进BMED在有机酸生产的应用提供有益参考.

电渗析浓缩钢铁工业浓盐水试验研究

以泰山钢铁反渗透浓水为对象进行电渗析(ED)浓缩中试研究。结果表明:ED对钢铁工业浓盐水具有较为理想的浓缩效果,能够实现浓盐水电导率的高倍浓缩,浓缩倍数为5~10倍。ED淡水电导率均<3000μs/cm;ED对浓盐水的浓缩效果受水中不同离子种类的影响;ED对COD的浓缩效果不明显,具有一定的抗有机物污染能力;试验期间ED能耗为2.3~2.4 kWh/t,浓水系统回收率≥85%,能够低能耗、高效率地实现浓盐水浓缩减量,为进一步实施废水零排放提供了可行性方向。

双极膜电渗析硝酸钠溶液影响因素的研究

本研究建立了一种双极膜电渗析(BMED)工艺,将硝酸钠溶液转化为氢氧化钠和硝酸。在硝酸钠的初始量和通过膜堆的电量一致的条件下,研究了初始硝酸钠浓度、电流密度对BMED制备酸/碱工艺的影响。结果表明,初始硝酸钠浓度、电流密度对CE和EC的影响不大。最终建议初始硝酸钠浓度在0.5 mol·L^(-1)~1.0 mol·L^(-1),电流密度在40 mA·cm^(-2)~60 mA·cm^(-2)。将碱产品的浓度控制在1.0 mol·L^(-1)~2.0 mol·L^(-1),相应的CE为57%~74%,EC为3.8 kWh·kg^(-1)~4.5 kWh·kg^(-1)。

电渗析处理含甘油废水过程中甘油迁移现象

电渗析法处理环氧氯丙烷工业废水时,脱盐率达到99.8%以上。在脱盐的同时,也伴随着甘油跨膜迁移。文章将甘油的跨膜迁移过程分为自扩散、水迁移引起的扩散和离子迁移三种情况,并通过设计不同的扩散渗析实验探究各种扩散原因及影响比例。根据公式计算,电渗析脱除CaCl_(2)的过程中,甘油自扩散占甘油总迁移的7.11%,水迁移引起的扩散分别占了甘油总迁移量的61.57%,离子迁移引起的扩散占甘油总迁移量的31.32%。实验结果表明,绝大多数甘油迁移是由于水迁移引起的甘油扩散和离子迁移引起的甘油扩散。

基于LiCl-NH_(4)Cl水溶液多级逆电渗析性能的实验研究

与单级逆电渗析相比,多级逆电渗析(multi-stage reverse electrodialysis,MSRED)在逆电渗析热机输出功率方面更具有优势,因其可将更多的溶液盐差能转换为电能。为进一步提高MSRED的输出功率,对比研究了先前开发的LiCl-NH_(4)Cl水溶液(质量摩尔比为2∶8)与传统NaCl水溶液在作为MSRED工作溶液时装置的总净输出功率。结果表明,采用LiCl-NH_(4)Cl水溶液的MSRED能够实现大电流输出,且与等质量摩尔浓度的NaCl水溶液相比,MSRED的总净输出功率最高提升28.6%。另外,无论相关工况参数如何变化,采用LiCl-NH_(4)Cl水溶液的MSRED均能获得比等质量摩尔浓度的NaCl水溶液条件下更高的总净输出功率;同时系统所使用的电堆数量更少,从而可节省设备成本并减小装置体积。

如何处理电渗析器的常见故障?

电渗析器在实际运行中常见的故障原因及其处理方法总结为以下6方面。1)电渗析器的水压高、出水量低或水流不畅。故障的原因可能是:①开车前管路未冲洗干净,致使杂质堵塞水流通道。②在组装时,隔板和膜的进出水孔未对准,或是部分隔板框网收缩变形,或是隔板框和隔网厚度配合不适当。③级段间的水流倒向时,进出水孔错位。

电渗析法浓缩含氨铷净化液的研究

针对铷净化液浓度低且含氨浓度高的问题,采用分段三级电渗析浓缩工艺对吸附法获得的低浓度含氨铷净化液进行浓缩。考察了不同的电流密度及进料流量对浓缩实验的时间、能耗、相对浓缩率和铷回收率的影响。结果表明,在电流密度为20 mA/cm、流速为130 mL/min时,经过三级浓缩后Rb+质量浓度由26.6 mg/L浓缩到1976.2 mg/L。此外,在浓缩过程中,采用电解除氨的工艺可有效去除该净化液中的氨。