CN112436758B

CN112436758B - 一种反电渗析发电装置

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Publication number: CN112436758B
Application number: CN202011249186.6A
Authority: CN
Inventors: 李美; 郭家斌; 王一玮
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-11-10
Also published as: CN112436758A

Abstract

本发明公开了一种反电渗析发电装置，包括反电渗析膜堆，反电渗析膜堆包括依次设置的阴极板、交替排列的阴离子交换膜和阳离子交换膜、阳极板，交替排列的阴离子交换膜和阳离子交换膜通过隔板间隔，隔板包括隔板垫，隔板垫上依次层叠有阳极网、阴离子交换网层、阳离子交换网层、阴极网；阴离子交换膜、阳离子交换膜之间的隔板为正向隔板，阳离子交换膜、阴离子交换膜之间的隔板为反向隔板，且阴离子交换网层靠近阴离子交换膜；反电渗析膜堆连接有浓水罐、淡水罐，浓水罐与正向隔板连通，淡水罐与反向隔板连通。能减小阴影效应对反电渗析的影响，通过施加电场加速离子迁移速率，加大反电渗析发电效率。

Description

一种反电渗析发电装置

技术领域

本发明属于发电设备技术领域，涉及一种反电渗析发电装置。

背景技术

盐差能是两种离子浓度不同的溶液之间的所存在的势能，是一种物理化学能，主要存在于河流入海口及内陆盐湖、盐矿中。我国海域辽阔，海岸线漫长，入海的江河众多，入海的径流量巨大，在沿岸各江河入海口附近蕴藏着丰富的盐差能资源。反电渗析发电是利用盐差能进行产电的一种新型可再生、可持续绿色清洁能源。作为盐差能发电技术中最有前景和潜力的一种，相比于其他方法，反电渗析发电具有更高的能量密度、更强的操作性和更低的成本，已经成为当今新能源探索中一个迅速增长、日趋活跃的研究课题。

与此同时，由于我国沿海淡水资源严重紧缺,燃煤电厂建在海湾内近海时适宜以海水作为循环冷却水,这样可以大幅度节约淡水资源。但是,海水直流冷却方式存在严重的环境污染冷却水直接排放会造成环境水域富营养化,促进菌藻的生长,严重污染电厂附近海域并破坏生态环境。因此,必须发展环保型海水循环冷却水处理技术。海水循环冷却技术是沿海城市和地区急需的环保型节水新技术,有着需水量小、浓缩倍数高(2-3倍)、药剂污染小、温排水污染小等特点。在节省大量淡水资源的同时,利于保护环境与生态平衡,应用前景十分广阔。海水循环冷却技术在我国沿海发电企业的应用,将有望改变我国沿海城市和地区的水资源结构,有力解决淡水资源紧缺问题,对我国经济和社会发展将产生较大影响。

反电渗析发电利用交替排列的离子交换膜分离淡水和海水，由浓度差驱动海水中的离子透过膜向淡水迁移，形成内电流，进而通过电极氧化还原反应将内电流转换为外电流，实现盐差能向电能的转化。由于反电渗析发电的物理过程复杂，涉及物理、化学、材料等多个学科交叉，其产电效率的提升一直是反电渗析发电领域的难点问题。目前反电渗析发电系统的能量转换效率普遍偏低。

发明内容

本发明的目的是提供一种反电渗析发电装置，解决了现有技术中存在的能量转换效率较低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种反电渗析发电装置，包括反电渗析膜堆，反电渗析膜堆包括依次设置的阴极板、交替排列的阴离子交换膜和阳离子交换膜、阳极板，交替排列的阴离子交换膜和阳离子交换膜通过隔板间隔，隔板包括隔板垫，隔板垫上依次层叠有阳极网、阴离子交换网层、阳离子交换网层、阴极网；阴离子交换膜、阳离子交换膜之间的隔板为正向隔板，阳离子交换膜、阴离子交换膜之间的隔板为反向隔板，且阴离子交换网层靠近阴离子交换膜；反电渗析膜堆连接有浓水罐、淡水罐，浓水罐与正向隔板连通，淡水罐与反向隔板连通。

本发明的特点还在于：

还包括有恒电压源，恒电压源正负极分别与阳极网、阴极网电性连接。

还包括有发电模块，发电模块通过入海口风能及势能发电；发电模块与恒电压源电性连接。

还包括有两个水泵，一个水泵分别与浓水罐、正向隔板连通，另一个水泵分别与淡水罐、反向隔板连通；水泵通过逆变器与恒电压源电性连接。

阳极网、阴离子交换网层、阳离子交换网层、阴极网的网孔尺寸相同。

隔板垫的材料为硅，阳极网的材料为钛涂钌，阴离子交换网层的材料与阴离子交换膜的材料相同，阳离子交换网层的材料与阳离子交换膜的材料相同，阴极网的材料为不锈钢。

浓水罐的水源为循环冷却海水，淡水罐的水源为河水。

本发明的有益效果是：

本发明一种反电渗析发电装置，采用高浓度、有余温、经处理的冷却海水作为反向电渗析的浓水输入，能增大反向电渗析发电效率；利用反向电渗析，中和冷却海水浓度，减小浓盐水对局部海水浓度的影响，实现海水循环冷却浓水零排放；由阳极网、阴离子交换网层、阳离子交换网层、阴极网组成的隔板，能减小阴影效应对反电渗析的影响，通过施加电场加速离子迁移速率，加大反电渗析发电效率；采用河流入海口的水流势能及风能发电，作为反电渗析装置水泵以及电场的电力供应，能实现反电渗析装置的电能零输入。

附图说明

图1是本发明一种反电渗析发电装置的结构示意图；

图2是本发明一种反电渗析发电装置中反电渗析膜堆的结构示意图；

图3是本发明一种反电渗析发电装置中隔板的结构示意图。

图中，1.反电渗析膜堆，2.阴极板，3.阴离子交换膜，4.阳离子交换膜，5.阳极板，6.隔板，601.隔板垫，602.阳极网，603.阴离子交换网层，604.阳离子交换网层，605.阴极网，7.浓水罐，8.淡水罐，9.恒电压源，10.水泵，11.发电模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种反电渗析发电装置，如图1所示，包括反电渗析膜堆1，如图2所示，反电渗析膜堆1包括依次设置的阴极板2、交替排列的阴离子交换膜3和阳离子交换膜4、阳极板5，交替排列的阴离子交换膜3和阳离子交换膜4通过隔板6间隔，如图3所示，隔板6包括隔板垫601，隔板垫601上依次层叠有阳极网602、阴离子交换网层603、阳离子交换网层604、阴极网605；阴离子交换膜3、阳离子交换膜4之间的隔板6为正向隔板(隔板6正向放置，左侧为阴离子交换网层603)，阳离子交换膜4、阴离子交换膜3之间的隔板6为反向隔板(隔板6反向放置，左侧为阳离子交换网层604)，阴离子交换网层603靠近阴离子交换膜3，阳离子交换网层604靠近阳离子交换膜4；反电渗析膜堆1连接有浓水罐7、淡水罐8，浓水罐7与正向隔板连通，淡水罐8与反向隔板连通。

还包括有恒电压源9，恒电压源9正负极分别与阳极网602、阴极网605电性连接。恒电压源9为隔板6施加恒定直流电压，形成定向电场，达到加速离子移动的目的。还包括有发电模块11，所述发电模块11通过入海口风能及势能发电；发电模块11与恒电压源9电性连接。发电模块采用现有的风能发电技术和水力发电技术将入海口风能及势能转换为直流电能，通过稳压技术为恒电压源9提供直流电压。

还包括有两个水泵10，一个水泵10分别与浓水罐7、正向隔板连通，另一个水泵10分别与淡水罐8、反向隔板连通；水泵10通过逆变器与恒电压源9电性连接。恒电压源9的直流电压通过逆变器与逆变，作为水泵10的交流电供应。

阳极网602、阴离子交换网层603、阳离子交换网层604、阴极网605的网孔大小相同。隔板垫601的材料为硅，阳极网602的材料为钛涂钌，阴离子交换网层603的材料与阴离子交换膜3的材料相同，阳离子交换网层604的材料与阳离子交换膜4的材料相同。阴极网605的材料为不锈钢。隔板6在反电渗析膜堆1中起到支撑离子交换膜的作用，同时存在良好的搅拌功能，降低浓差极化现象的影响。隔板6网孔的大小影响流体动力，网孔间距越大，隔板6死区越大且湍流越强，但对应的水流能量损失小。隔板6在反电渗析装置中的电阻影响主要体现在厚度及阴影效应(传统隔板的导流网占据了溶液与离子膜的接触面积，从而导致离子迁移效率低下，称此现象为隔板的阴影效应)，隔板6厚度会直接影响反电渗析膜堆中溶液隔室的欧姆电阻，隔板6厚度增加，对应的欧姆电阻增大；隔板6的阴影效应会影响离子的迁移，采用网孔大小相同的阳极网602、阴离子交换网层603、阳离子交换网层604、阴极网605会使反电渗析装置的功率密度增加近3倍。

本实施例中，隔板垫601厚度为0.5mm，起到支撑离子交换膜的作用；阳极网602的厚度为0.1mm，网孔大小为2mm×2mm；阴离子交换网层603厚度为0.15mm，网孔大小为2mm×2mm；阳离子交换网层604厚度为0.15mm，网孔大小为2mm×2mm；阴极网605厚度为0.1mm，网孔大小为2mm×2mm。

浓水罐7的水源为有余温、高浓度的循环冷却海水，淡水罐8的水源为经过药液处理杀菌、去杂质后的河水。溶液温度升高，反电渗析膜堆1的膜电阻、溶液电阻将对应降低，跨膜电压对应升高；浓淡溶液浓度差越大，跨膜电压越大。所以采用有余温、高浓度的海水循环冷却液能有效提高反电渗析装置的发电效率。

本发明一种反电渗析发电装置的工作原理如下：

当料液进入反电渗析膜堆1时，由于阴离子交换膜3和阳离子交换膜4的膜特质(阴离子交换膜3由于存在正电性的高分子聚合附着基的原因只允许氯离子越过，阳离子交换膜4由于存在负电性的高分子聚合附着基的原因只允许钠离子越过)且两侧溶液浓度不同，钠离子在阳离子交换膜4两边溶液浓度的差异的推动下发生定向移动，由离子浓度较大的地方向较小的一侧迁移，越过阳离子交换膜4向阳极板运动，氯离子同理；钠离子、氯离子在电池内部定向移动，形成“内电流。然后在阴极板2上发生得到电子的还原反应，在阳极板5上发生失去电子的氧化反应，电极液中的二价铁离子失去电子变成三价离子，此时，离子向电极运动以维持溶液的电中性。接入负载、接通电路后电子流动，此时溶液中的离子定向移动就转换成了反电渗析膜堆1的外电流，形成了电动势，实现化学能到电能转化，同时将高浓度海水中和排出，降低其对周围海域生态的影响。

本发明的隔板包括阳极网602、阴离子交换网层603、阳离子交换网层604、阴极网605，阴离子交换网层603的材料与阴离子交换膜3的材料相同，阳离子交换网层604的材料与阳离子交换膜4的材料相同，阴离子交换网层603、阳离子交换网层604作为导流网，能消除阴影效应的影响，增强传质过程的离子迁移效应。同时根据电泳现象(在直流电场中，带电粒子向带符号相反的电极移动)，两侧的阳极网602、阴极网605，能加速Na⁺、Cl^-离子向阳、阴离子交换膜移动，增强离子迁移效应。

通过以上方式，本发明一种反电渗析发电装置，采用高浓度、有余温、经处理的冷却海水作为反向电渗析的浓水输入，能增大反向电渗析发电效率；利用反向电渗析，中和冷却海水浓度，减小浓盐水对局部海水浓度的影响，实现海水循环冷却浓水零排放；由阳极网、阴离子交换网层、阳离子交换网层、阴极网组成的隔板，能减小阴影效应对反电渗析的影响，通过施加电场加速离子迁移速率，加大反电渗析发电效率；采用河流入海口的水流势能及风能发电，作为反电渗析装置水泵以及电场的电力供应，能实现反电渗析装置的电能零输入。

Claims

1.一种反电渗析发电装置，包括反电渗析膜堆（1），所述反电渗析膜堆（1）包括依次设置的阴极板（2）、交替排列的阴离子交换膜（3）和阳离子交换膜（4）、阳极板（5），所述交替排列的阴离子交换膜（3）和阳离子交换膜（4）通过隔板（6）间隔，其特征在于，所述隔板（6）包括隔板垫（601），所述隔板垫（601）上依次层叠有阳极网（602）、阴离子交换网层（603）、阳离子交换网层（604）、阴极网（605）；所述阴离子交换膜（3）、阳离子交换膜（4）之间的隔板（6）为正向隔板，所述阳离子交换膜（4）、阴离子交换膜（3）之间的隔板（6）为反向隔板，且所述阴离子交换网层（603）靠近阴离子交换膜（3）；所述反电渗析膜堆（1）连接有浓水罐（7）、淡水罐（8），所述浓水罐（7）与正向隔板连通，所述淡水罐（8）与反向隔板连通；所述阳极网（602）、阴离子交换网层（603）、阳离子交换网层（604）、阴极网（605）的网孔尺寸相同；所述隔板垫（601）的材料为硅，所述阳极网（602）的材料为钛涂钌，所述阴离子交换网层（603）的材料与阴离子交换膜（3）的材料相同，所述阳离子交换网层（604）的材料与阳离子交换膜（4）的材料相同，所述阴极网（605）的材料为不锈钢。

2.根据权利要求1所述的一种反电渗析发电装置，其特征在于，还包括有恒电压源（9），所述恒电压源（9）正负极分别与阳极网（602）、阴极网（605）电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种反电渗析发电装置，其特征在于，还包括有发电模块（11），所述发电模块（11）通过入海口风能及势能发电；所述发电模块（11）与恒电压源（9）电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种反电渗析发电装置，其特征在于，还包括有两个水泵（10），一个所述水泵（10）分别与浓水罐（7）、正向隔板连通，另一个所述水泵（10）分别与淡水罐（8）、反向隔板连通；所述水泵（10）通过逆变器与恒电压源（9）电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种反电渗析发电装置，其特征在于，所述浓水罐（7）的水源为循环冷却海水，所述淡水罐（8）的水源为河水。