CN116401905B - 基于电渗析效率提升的结构优化方法及装置 - Google Patents
基于电渗析效率提升的结构优化方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116401905B CN116401905B CN202310126351.6A CN202310126351A CN116401905B CN 116401905 B CN116401905 B CN 116401905B CN 202310126351 A CN202310126351 A CN 202310126351A CN 116401905 B CN116401905 B CN 116401905B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electric field
- electrodialysis
- ion
- membrane
- potential
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 title claims abstract description 115
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 75
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000006872 improvement Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 173
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 84
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 76
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims abstract description 41
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 39
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 claims abstract description 9
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 110
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 79
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 34
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 31
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 claims description 21
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 16
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 14
- 230000032258 transport Effects 0.000 claims description 11
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 10
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 claims description 10
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 claims description 10
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 10
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 9
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims description 9
- 238000011160 research Methods 0.000 claims description 9
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 claims description 9
- 238000012795 verification Methods 0.000 claims description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 7
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 6
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 230000035772 mutation Effects 0.000 claims description 5
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000007785 strong electrolyte Substances 0.000 claims description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 5
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000000502 dialysis Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 16
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 8
- 239000000306 component Substances 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 3
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 230000032895 transmembrane transport Effects 0.000 description 3
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 2
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 125000002467 phosphate group Chemical group [H]OP(=O)(O[H])O[*] 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 description 1
- 239000008364 bulk solution Substances 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 125000002843 carboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000011033 desalting Methods 0.000 description 1
- 230000007646 directional migration Effects 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 230000005685 electric field effect Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010842 industrial wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 238000005184 irreversible process Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- VAOCPAMSLUNLGC-UHFFFAOYSA-N metronidazole Chemical compound CC1=NC=C([N+]([O-])=O)N1CCO VAOCPAMSLUNLGC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N phenol group Chemical group C1(=CC=CC=C1)O ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- -1 salt ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 125000000467 secondary amino group Chemical group [H]N([*:1])[*:2] 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 125000001302 tertiary amino group Chemical group 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C10/00—Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
- G16C20/10—Analysis or design of chemical reactions, syntheses or processes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
- Y02A20/124—Water desalination
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Geometry (AREA)
- Algebra (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
本发明公开一种基于电渗析效率提升的结构优化方法及装置，该方法目的是为了提高电渗析效率，从室池与膜的几何排列结构入手进行优化，降低外部电场在渗析区域的不均匀性，促进电渗析的离子迁移区域趋于均匀电场，从而促进电渗析效率提升。具体是根据电渗析系统中离子迁移方程，分析溶液与膜中离子迁移过程，并得到电渗析过程中的离子分布特性与离子聚集现象，从而分析整体电场分布特性。以促进离子迁移区域的电场均匀化为设计原则，设计膜组件不等距排列的优化结构，根据仿真结果调整设计方法，最终产生优化方法体系。
Description
技术领域
本发明涉及电渗析技术领域，更具体地，涉及一种基于电渗析效率提升的结构优化方法及装置。
背景技术
水是地球上所有生命生存的必需品。进入21世纪以来，随着科技的发展与工业领域的不断强大，我国的社会生产水平不断提升。但同时，工业废水的无效应用与随意排放引发自然河道的污染和破坏，诸多问题导致了水资源短缺这类难题发生，同时海水淡化也是一项重要的民生工程，所以水处理技术被赋予了更多的责任与期许。水处理是通过一系列处理方法，提高特定的水体的水质，使之达到某种水质标准的相关技术，可分为给水处理和废水处理。能应用于水处理的技术种类繁多，都有相应的优点与不足，而在其中，低排放、低污染、分离效率高、操作时间短的电渗析技术能够做到能耗更低、应用范围更广，是水处理领域最具发展前途的一项技术。
电渗析技术是一种依靠外加电场产生电场力驱动溶液离子移动，并且利用离子交换膜(ion exchange membrane，IEM)的选择性透过性能，进行盐离子与溶剂水分子分离的膜分离技术，从而实现含盐水体的脱盐提纯。其主要运行机制是电场对带电微粒的作用与离子交换膜的反离子交换、共离子排斥效应，所涉及到的膜过程运输离子称为反离子，选择性为电性，这种以电势差为驱动力的离子交换膜具有更高的截留率和更强的选择性。并且随着对离子交换膜的深入研究，将电化学与膜分离技术结合在一起，对离子交换膜的表面性质进行更改优化，可以得到更强的自适应性和更精细的离子选择性。电渗析技术是现代电化学技术和传统渗析扩散技术结合的产物，被广泛用于环保、冶金、化工、生物、食品，尤其以应用在化工行业“三废”处理过程中而备受重视，例如用于废盐资源化利用、重金属废水处理以及酸碱回收等。
在电渗析系统中，盐溶液是在电极施加外部电场作用下，通过离子定向迁移与跨膜运输实现浓缩与淡化的功能，完成的场所是系统中的室池与IEM。根据离子迁移方向与IEM类别的差异，可以将室分为浓缩室与淡化室，分别承担聚集离子与稀释离子的作用。由于电场作用受到离子分布的影响，在电渗析运行过程中存在着离子空间分布不均匀化，引起电场分布不均匀状态，而这种状态是与电渗析的结构相关的，因此为了降低电场的不均匀性，可以从室池与膜的几何排列结构入手进行优化，降低外部电场在渗析区域的不均匀性，促进电渗析的离子迁移区域趋于均匀电场，从而促进电渗析效率提升。
发明内容
提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。本发明是一种基于电渗析效率提升的结构优化方法及装置，根据外加电场的分布特性，设计室池与膜的不等距排列模式，设计出优化的电渗析结构，改善电场分布特性，促进电渗析效率提升。
本发明具体采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种基于电渗析效率提升的结构优化方法，所述方法包括：
确定研究区域：将离子交换膜与溶液的界面的电场突变区域确定为研究区域；
分析离子迁移过程：根据电渗析中离子迁移驱动力分析，结合流体运动规律，得到离子传输方程与浓差极化现象，分析电渗析过程中的离子迁移过程与离子分布特性、离子聚集现象；
计算电场分布：根据离子浓度分布与膜的电化学特性，分析所述研究区域的双电层与扩散边界层电场特性，计算得到电场分布关系式；
设计优化结构：根据电极产生的外部电场与室池、膜区域电场分布特性，设计电渗析系统中膜间距，按照电渗析离子迁移区域尽可能分布在电场分布均匀区域的原则，设计不等距的优化电渗析几何排布；
仿真验证：进行有限元仿真分析，计算相同初始条件下的电渗析效率，根据电渗析效率的变化特性，反馈调整电场分布的参数计算与优化结构参数的调整。
进一步地，所述分析离子迁移过程，具体包括：
构建Nernst–Planck方程以描述电渗析系统中的i离子输送通量：
式中，Di，zi和ci分别为离子i的扩散系数、化合价和浓度，为电势，为速度，F是法拉第常数，方程(1)右边的第一项表示扩散，第二项表示迁移，第三项表示对流，表示空间梯度算子，表示散度；
当研究强电解质溶液，流速很小时，忽略对流项，此时的电渗析系统中的i离子输送通量表示为化学扩散-欧姆传导通量，如下式所示：
式中，D为电解质扩散系数，ti为离子i的迁移数，为电流密度。
构建Navier-Stokes方程和连续性方程以描述溶液是不可压缩的流体运动：
式中，ρSOL表示流体密度，p表示压强，μ表示动力粘度；
构建Poisson方程以描述整个系统的电势分布：
其中εr和ε0分别表示相对介电常数和真空介电常数，ρe＝e(z+c+-z-c-)表示空间电荷密度，表示电场强度。
进一步地，所述计算电场分布，具体包括：
将所述研究区域划分为左侧主体溶液、左侧DBL、左侧EDL、IEM内部、右侧EDL、右侧DBL与右侧主体溶液，确定总电势降为：
式中右边各项分别表示，左侧主体溶液的欧姆电压降，左侧DBL内的欧姆电压降、左侧DBL内的(非欧姆)扩散电位、(非欧姆)膜电位、膜内的欧姆电压降、右侧DBL内的(非欧姆)扩散电位、右侧DBL内的欧姆电压降、右侧溶液体积内的欧姆电压降；
设定直流电源施加电压为Vtot，膜厚度为Wm，室池宽度为Wch，流道长度为H，系统宽度为D，系统整体宽度为L，n为系统中电渗析单元的数量，因此有L＝2n(Wm+Wch)，系统部件沿x轴排布，正极到负极方向为x轴正方向，且在电渗析系统中所处电场假定为匀强电场，确定电渗析系统中由电极施加的外部电场强度如下：
式中，表示x轴正方向的单位矢量。此时可以得到，在膜左右两侧溶液中，存在的电势差为溶液-膜-溶液区域的宽度为：
根据次生电场的定义，该区域的实际电场是电极施加匀强电场与次生电场的矢量和，由此可以得到次生电场的表达式如下：
在CEM与左侧淡化溶液、右侧浓缩溶液所组成的区域内，将电场分布依照TMS理论进行分段分析，将其分为几段电场进行分析，分别如下：
DBL区域：
DBL区域的浓度势或结势与欧姆电势降分别表示为：
式中，t+和t-分别为阳离子和阴离子的输运数，λ为等效电导率，当浓度梯度为负时，右边取：“-”，此时为正，存在下降的趋势；当浓度梯度为正时，右边取正“+”，此时为负，存在上升的趋势；
DBL的宽度为δ，通过浓度势与欧姆电势降相结合，确定DBL区域内的电场强度值与方向，得到的电场强度表示为：
EDL区域：
EDL区域的电场强度值表示为：
式中，F是法拉第常数，z是离子的化合价，R是理想气体常数，T是绝对温度，λD是双电层的宽度，a是离子的活度系数，下标i指盐溶液中的离子i，上标iem和SOL分别表示膜和所研究侧溶液。
IEM内部区域：
IEM内部区域的跨膜电场强度表示为：
式中，为单一电解质溶液的膜电位，为膜电位实际测量值，αiem为膜的选择渗透性，aSOL,L和aSOL,R为所研究系统中膜左右两侧溶液的活度系数，和tcounter分别为电渗析系统膜中和溶液中的反离子输运数。
进一步地，所述设计优化结构，具体包括：
根据电极施加外部电场特性，在靠近电极区域电场分布均匀程度最小，沿x轴正方向逐渐增大，且呈现增大速度初始很大，逐渐减小至0并趋于平稳，在中间区域为均匀电场分布，且系统左右对称分布，确定设计的膜间距与增长速度成正比关系，在中部区域为等间距排布，靠近电极区域为较大间距，且间距沿x轴正方逐渐减小至最小值。
进一步地，基于有限元分析法进行仿真，得到仿真结果。
本发明的第二方面，提供一种基于电渗析效率提升的结构优化装置，所述装置包括：
研究区域确定单元，被配置为：将离子交换膜与溶液的界面的电场突变区域确定为研究区域；
离子迁移过程分析单元，被配置为：根据电渗析中离子迁移驱动力分析，结合流体运动规律，得到离子传输方程与浓差极化现象，分析电渗析过程中的离子迁移过程与离子分布特性、离子聚集现象；
电场分布计算单元，被配置为：根据离子浓度分布与膜的电化学特性，分析所述研究区域的双电层与扩散边界层电场特性，计算得到电场分布关系式；
优化结构设计单元，被配置为：根据电极产生的外部电场与室池、膜区域电场分布特性，设计电渗析系统中膜间距，按照电渗析离子迁移区域尽可能分布在电场分布均匀区域的原则，设计不等距的优化电渗析几何排布；
仿真验证单元，被配置为：根据仿真结果，计算相同初始条件下的电渗析效率，根据电渗析效率的变化特性，反馈调整电场分布的参数计算与优化结构参数的调整。
进一步地，所述离子迁移过程分析单元被进一步配置为：
构建Nernst–Planck方程以描述电渗析系统中的i离子输送通量：
式中，Di，zi和ci分别为离子i的扩散系数、化合价和浓度，为电势，为速度，F是法拉第常数，方程(1)右边的第一项表示扩散，第二项表示迁移，第三项表示对流，表示空间梯度算子，表示散度；
当研究强电解质溶液，流速很小时，忽略对流项，此时的电渗析系统中的i离子输送通量表示为化学扩散-欧姆传导通量，如下式所示：
式中，D为电解质扩散系数，ti为离子i的迁移数，为电流密度。
构建Navier-Stokes方程和连续性方程以描述溶液是不可压缩的流体运动：
式中，ρSOL表示流体密度，p表示压强，μ表示动力粘度；
构建Poisson方程以描述整个系统的电势分布：
其中εr和ε0分别表示相对介电常数和真空介电常数，ρe＝e(z+c+-z-c-)表示空间电荷密度，表示电场强度。
进一步地，所述电场分布计算单元被进一步配置为：
将所述研究区域划分为左侧主体溶液、左侧DBL、左侧EDL、IEM内部、右侧EDL、右侧DBL与右侧主体溶液，确定总电势降为：
式中右边各项分别表示，左侧主体溶液的欧姆电压降，左侧DBL内的欧姆电压降、左侧DBL内的(非欧姆)扩散电位、(非欧姆)膜电位、膜内的欧姆电压降、右侧DBL内的(非欧姆)扩散电位、右侧DBL内的欧姆电压降、右侧溶液体积内的欧姆电压降；
设定直流电源施加电压为Vtot，膜厚度为Wm，室池宽度为Wch，流道长度为H，系统宽度为D，系统整体宽度为L，n为系统中电渗析单元的数量，因此有L＝2n(Wm+Wch)，系统部件沿x轴排布，正极到负极方向为x轴正方向，且在电渗析系统中所处电场假定为匀强电场，确定电渗析系统中由电极施加的外部电场强度如下：
式中，表示x轴正方向的单位矢量。此时可以得到，在膜左右两侧溶液中，存在的电势差为溶液-膜-溶液区域的宽度为：
根据次生电场的定义，该区域的实际电场是电极施加匀强电场与次生电场的矢量和，由此可以得到次生电场的表达式如下：
在CEM与左侧淡化溶液、右侧浓缩溶液所组成的区域内，将电场分布依照TMS理论进行分段分析，将其分为几段电场进行分析，分别如下：
DBL区域：
DBL区域的浓度势或结势与欧姆电势降分别表示为：
式中，t+和t-分别为阳离子和阴离子的输运数，λ为等效电导率，当浓度梯度为负时，右边取：“-”，此时为正，存在下降的趋势；当浓度梯度为正时，右边取正“+”，此时为负，存在上升的趋势；
DBL的宽度为δ，通过浓度势与欧姆电势降相结合，确定DBL区域内的电场强度值与方向，得到的电场强度表示为：
EDL区域：
EDL区域的电场强度值表示为：
式中，F是法拉第常数，z是离子的化合价，R是理想气体常数，T是绝对温度，λD是双电层的宽度，a是离子的活度系数，下标i指盐溶液中的离子i，上标iem和SOL分别表示膜和所研究侧溶液。
IEM内部区域：
IEM内部区域的跨膜电场强度表示为：
式中，为单一电解质溶液的膜电位，为膜电位实际测量值，αiem为膜的选择渗透性，aSOL,L和aSOL,R为所研究系统中膜左右两侧溶液的活度系数，和tcounter分别为电渗析系统膜中和溶液中的反离子输运数。
进一步地，所述优化结构设计单元被进一步配置为：
根据电极施加外部电场特性，在靠近电极区域电场分布均匀程度最小，沿x轴正方向逐渐增大，且呈现增大速度初始很大，逐渐减小至0并趋于平稳，在中间区域为均匀电场分布，且系统左右对称分布，确定设计的膜间距与增长速度成正比关系，在中部区域为等间距排布，靠近电极区域为较大间距，且间距沿x轴正方逐渐减小至最小值。
进一步地，所述仿真验证单元被进一步配置为基于有限元分析法进行仿真，得到仿真结果。
根据本发明各实施例所述的基于电渗析效率提升的结构优化方法，根据电渗析系统中离子迁移方程，分析溶液与膜中离子迁移过程，并得到电渗析过程中的离子分布特性与离子聚集现象，从而分析整体电场分布特性。以促进离子迁移区域的电场均匀化为设计原则，设计不等距膜组件排列的优化结构，根据仿真结构调整设计方法，最终产生优化方法体系。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种基于电渗析效率提升的结构优化方法所应用的电渗析系统的结构图。
图2为根据本发明实施例的一种基于电渗析效率提升的结构优化方法的流程图。
图3为根据本发明实施例的一种基于电渗析效率提升的结构优化装置的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明实施例提供一种基于电渗析效率提升的结构优化方法，该方法在具体应用时，可根据电渗析系统的尺寸，调整电渗析组件排列结构(具体是离子交换膜的排列方式)，以提高离子迁移速率与电渗析效率。
为了充分阐述本发明的工作原理，示例性的提供一种电渗析系统，如图1所示，该电渗析系统包括两个离子交换膜组件，一个离子交换膜组件包括一个阳离子交换膜CEM和一个阴离子交换膜AEM，通过两个交换膜组件将该电渗析系统自左往右分格成了阳极室、浓缩室、淡化室、浓缩室和阴极室，其中阳极室和阴极室分别设置有阳极和阴极。
基于如图1所示的电渗析系统的结构，结合图2，该方法包括如下步骤：
(1)确定研究区域。离子交换膜IEM是离子交换膜IEM是电渗析系统的核心部件，是实现盐溶液的浓缩与淡化的关键，其对阴阳离子具有选择性的渗透功能，可以实现预设的离子聚集与分散的驱动，因此其与溶液的界面是电场突变区域。
(2)分析离子迁移过程。根据电渗析中离子迁移驱动力分析，结合流体运动规律，得到离子传输方程与浓差极化现象，分析电渗析过程中的离子迁移过程与离子分布特性、离子聚集现象。
(3)计算电场分布。根据离子浓度分布与膜的电化学特性，分析界面区域的双电层与扩散边界层电场特性，计算得到电场分布关系式。
(4)设计优化结构。根据电极产生的外部电场与室池、膜区域电场分布特性，设计电渗析系统中膜间距，按照电渗析离子迁移区域尽可能分布在电场分布均匀区域的原则，设计不等距的优化电渗析几何排布。
(5)仿真验证。根据仿真结果，计算相同初始条件下的电渗析效率，根据电渗析效率的变化特性，反馈调整电场分布的参数计算与优化结构参数的调整。
在一些实施例中，分析离子迁移过程的具体步骤及其工作原理如下：
为了对浓差极化梯度以及后续的次生电场衍生机制进行详细研究，首先对电渗析中离子传输过程中的控制方程进行介绍，通过控制方程来定量化其溶液离子的各因素的关系和变化趋势，具体内容如下：
(1)Nernst–Planck方程：描述系统中的i离子输送通量
式中，Di，zi和ci分别为离子i的扩散系数、化合价和浓度，为电势，为速度，F是法拉第常数。方程右边的第一项表示扩散，第二项表示迁移，第三项表示对流。表示空间梯度算子(表示散度)。当研究强电解质溶液，流速很小时，可以忽略对流项，此时的通量可以表示为化学扩散-欧姆传导通量，如下式所示。
式中，D为电解质扩散系数，ti为离子i的迁移数，为电流密度。
(2)Navier-Stokes方程和连续性方程：描述溶液是不可压缩的流体运动
式中，ρSOL表示流体密度，p表示压强，μ表示动力粘度。
(3)Poisson方程：描述整个系统的电势分布
其中εr和ε0分别表示相对介电常数和真空介电常数，ρe＝e(z+c+-z-c-)表示空间电荷密度，表示电场强度。
离子跨膜运输的具体原理如下：
离子交换膜IEM是电渗析系统的核心部件，是实现盐溶液的浓缩与淡化的关键，其对阴阳离子具有选择性的渗透功能，可以实现预设的离子聚集与分散的驱动，保证电渗析装置的成功运转。IEM是典型的聚合物薄膜，含有固定的带电基团，在水中可电离。根据正电荷或负电荷基团的存在，IEM可以吸引反离子(即与带电基团电性相反的离子)穿过它，并阻止共离子(即与带电基团电性相同的离子)，这种理论化的IEM特征是所有电膜过程的所有电膜过程的基础。
在电渗析过程中，IEM与电解质盐溶液界面将会形成特殊区域，称之为双电层(electric double layer，EDL)，其宽度量级为纳米级，宽度值称为德拜(Debye)长度(λD)。双电层产生于IEM与电解质盐溶液接触之后，膜表面固定电荷对于反离子的吸引与共离子的排斥，从而导致了该界面区域浓度急剧变化，最终形成双电层这样一块非常薄的带电区域，。其中，由于反离子与固定电荷的中和作用，它们的浓度远远高于共离子，由此便产生了与主体溶液的浓度差，反离子呈现从IEM向溶液的扩散趋势，共离子呈现从溶液向IEM扩散的趋势。在电渗析系统达到动态稳定状态时，浓差梯度与该区域电场梯度达到平衡，这种电化学势守恒的状态称为唐南(Donnan)平衡，此时的电势梯度称之为唐南势。
根据IEM的活性基团，常用的离子交换膜可以分为：(1)带有负电酸性活性基团的阳离子交换膜CEM，包括磺酸基(-SO3H)、磷酸基(-PO3H2)、磷酸基(-OPOH)、羧酸基(-COOH)、酚基(-CHOH)等；(2)带有正电碱性活性基团的阴离子交换膜AEM，包括季胺基[-N(CH)3OH]、伯胺基(-NH2)、仲胺基(-NHR)、叔胺基(-NR2)等；(3)由带正电荷的膜与带负电荷的膜两张贴在一起的双极膜(bipolar membrane，BPM)。除此之外，还有一些具有特殊应用场景的IEM，如由阳、阴离子活性基团在一张膜内均匀分布的两性离子交换膜，部分正电荷与部分负电荷并列存在于膜的厚度方向的镶嵌离子交换膜，以及在阳膜或阴膜表面上涂层阴或阳离子交换树脂的表面涂层膜，作为电解隔膜的多孔膜，资合离子交换膜等。
在一些实施例中，结合具体的步骤详细阐述电渗析系统中的电场分布的计算原理。
具体来说，在电渗析系统开始运行到动态稳定状态过程中，随着溶液中离子迁移量和跨膜运输量差值的累积，逐渐形成了双电层和扩散边界层，膜-溶液界面区域的离子浓度梯度逐渐增大，最终达到动态稳定状态，系统的离子净通量为0，区域内的浓度梯度势与电势达到平衡。此时，由于双电层和扩散边界层离子浓度梯度的存在，产生的电势差相较于电极施加的外部电场产生的电势差存在较大的差异，所得到的差值电场便称为次生电场。
1、溶液-膜-溶液区域的总体电势分布
为了对考虑DBL的多层系统电场分布情况进行分析，通过TMS分段建模方法来分析膜左右两侧溶液的总电势降，根据TMS理论，由一层膜和两侧溶液组成的系统单元，整个区域可以划分为左侧主体溶液、左侧DBL、左侧EDL、IEM内部、右侧EDL、右侧DBL与右侧主体溶液，图中标注了每一层区域中反离子的浓度和电势的变化，其中IEM为CEM，左侧室池为淡化池，右侧室池为浓缩池。通过分析可以得到，总电势降可以表示为：
式中右边各项分别表示，左侧主体溶液的欧姆电压降，左侧DBL内的欧姆电压降、左侧DBL内的(非欧姆)扩散电位、(非欧姆)膜电位、膜内的欧姆电压降、右侧DBL内的(非欧姆)扩散电位、右侧DBL内的欧姆电压降、右侧溶液体积内的欧姆电压降；
2、次生电场衍生与各区域电场强度分布
设定直流电源施加电压为Vtot，膜厚度为Wm，室池宽度为Wch，流道长度为H，系统宽度为D，系统整体宽度为L，n为系统中电渗析单元的数量，因此有L＝2n(Wm+Wch)。系统部件沿x轴排布，正极到负极方向为x轴正方向，且在电渗析膜室系统中所处电场假定为匀强电场，因此电渗析系统中由电极施加的外部电场强度如下：
式中，表示x轴正方向的单位矢量。此时可以得到，在膜左右两侧溶液中，存在的电势差为溶液-膜-溶液区域的宽度为:
根据次生电场的定义，此区域的实际电场是电极施加匀强电场与次生电场的矢量和，由此可以得到次生电场的表达式如下：
在CEM与左侧淡化溶液、右侧浓缩溶液所组成的区域内，可以将电场分布依照TMS理论进行分段分析，将其分为几段电场进行分析，分别如下：
(1)DBL区域：
在此区域内，由于离子交换膜的选择性渗透作用，所产生溶液浓度梯度，由于DBL处为电中性区域，不存在由离子电荷所带来的的电势降，其中电势降的组成包括两个部分。一部分是源于离子扩散系数的差异性与维持局部电中性的需要，所产生的严格的非欧姆电势降，称为浓度势或结势另一部分是由于溶液浓度变化所引起的电导率变化，从而引起的欧姆电势降其具有耗散性质，即它是涉及焦耳效应的不可逆过程引起的，相反，非欧姆现象(至少在理想情况下)是可逆的，并最终将电能转化为浓度梯度的化学能。在忽略对流的影响情况下，DBL内溶度呈线性变化，且等效电导率(λ)不依赖于浓度的前提下，与可以表示为：
式中，t+和t-分别为阳离子和阴离子的输运数。当浓度梯度为负时，右边取：“-”，此时为正，存在下降的趋势；当浓度梯度为正时，右边取正“+”，此时为负，存在上升的趋势。由此分析可以知道，DBL的宽度为δ，内部的电场强度产生电势差是为了与该区域的浓度梯度形成平衡，方向与浓度梯度的方向相反，因此通过浓度势与欧姆电势降相结合，可以将该区域内的电场强度值与方向表示出来，得到的电场强度表示为：
(2)EDL区域：
根据如上分析可以得到，在EDL区域，所产生的电势降为唐南势区域宽度用德拜长度λD来表示，根据实际计算可以忽略渗透压差的影响，则电场强度可以用式(2.25)表示。经分析可以知道，λD大约为10-100nm，在电渗析系统中与室池或者膜的宽度相比很小，因此该电场强度值是一小段巨大场强值，类似于脉冲波形的场强值沿x轴正方向变化。
式中，F是法拉第常数，z是离子的化合价，R是理想气体常数，T是绝对温度，λD是双电层的宽度，a是离子的活度系数，下标i指盐溶液中的离子i，上标iem和SOL分别表示膜和所研究侧溶液。
(3)IEM内部区域：
由于双电层的宽度λD的量级为nm-μm级，所以相对于IEM的厚度可以忽略不计，则在研究IEM的电场强度时，同时将IEM及其附近区域作为整体进行分析，因此IEM的内部电场可以表示为两侧电势差作用产生，即为膜电位则跨膜电场强度可以表示为：
式中，为单一电解质溶液的膜电位，为膜电位实际测量值，αiem为膜的选择渗透性，aSOL,L和aSOL,R为所研究系统中膜左右两侧溶液的活度系数，和tcounter分别为电渗析系统膜中和溶液中的反离子输运数。
在一些实施例中，设计优化结构，具体原理为：根据电极施加外部电场特性，在靠近电极区域电场分布均匀程度最小，沿x轴正方向逐渐增大，且呈现增大速度初始很大，逐渐减小至0并趋于平稳，在中间区域为均匀电场分布，且系统左右对称分布。由此设计的膜间距与增长速度成正比关系，在中部区域为等间距排布，靠近电极区域为较大间距，且间距沿x轴正方逐渐减小至最小值。
在一些实施例中，通过搭建仿真验证平台以实现仿真验证的操作。具体说来，为了对电场进行分析，选用一种集成有限元分析技术的多物理场仿真软件进行建模计算，由于实际工程问题的复杂性，有限元分析法在应用中采用先简化问题再进行解答的思路，将每一个简单问题的解看作这个简单问题对应的小单元的近似解，这多个连接在一起的近似解又被称作有限元的互连子域。通过对总域满足条件的推导计算，当符合推导出的条件时，就可以得到解决问题的答案。通过这种方法求得的解并不是一个精确的值，而只是一个近似值。
本发明实施例还提供一种基于电渗析效率提升的结构优化装置，如图3所示，所述装置300包括：
研究区域确定单元301，被配置为：将离子交换膜与溶液的界面的电场突变区域确定为研究区域；
离子迁移过程分析单元302，被配置为：根据电渗析中离子迁移驱动力分析，结合流体运动规律，得到离子传输方程与浓差极化现象，分析电渗析过程中的离子迁移过程与离子分布特性、离子聚集现象；
电场分布计算单元303，被配置为：根据离子浓度分布与膜的电化学特性，分析所述研究区域的双电层与扩散边界层电场特性，计算得到电场分布关系式；
优化结构设计单元304，被配置为：根据电极产生的外部电场与室池、膜区域电场分布特性，设计电渗析系统中膜间距，按照电渗析离子迁移区域尽可能分布在电场分布均匀区域的原则，设计不等距的优化电渗析几何排布；
仿真验证单元305，被配置为：根据仿真结果，计算相同初始条件下的电渗析效率，根据电渗析效率的变化特性，反馈调整电场分布的参数计算与优化结构参数的调整。
在一些实施例中，所述离子迁移过程分析单元被进一步配置为：
构建Nernst–Planck方程以描述电渗析系统中的i离子输送通量：
式中，Di，zi和ci分别为离子i的扩散系数、化合价和浓度，为电势，为速度，F是法拉第常数，方程(1)右边的第一项表示扩散，第二项表示迁移，第三项表示对流，表示空间梯度算子，表示散度；
当研究强电解质溶液，流速很小时，忽略对流项，此时的电渗析系统中的i离子输送通量表示为化学扩散-欧姆传导通量，如下式所示：
式中，D为电解质扩散系数，ti为离子i的迁移数，为电流密度。
构建Navier-Stokes方程和连续性方程以描述溶液是不可压缩的流体运动：
式中，ρSOL表示流体密度，p表示压强，μ表示动力粘度；
构建Poisson方程以描述整个系统的电势分布：
其中εr和ε0分别表示相对介电常数和真空介电常数，ρe＝e(z+c+-z-c-)表示空间电荷密度，表示电场强度。
在一些实施例中，所述电场分布计算单元被进一步配置为：
将所述研究区域划分为左侧主体溶液、左侧DBL、左侧EDL、IEM内部、右侧EDL、右侧DBL与右侧主体溶液，确定总电势降为：
式中右边各项分别表示，左侧主体溶液的欧姆电压降，左侧DBL内的欧姆电压降、左侧DBL内的(非欧姆)扩散电位、(非欧姆)膜电位、膜内的欧姆电压降、右侧DBL内的(非欧姆)扩散电位、右侧DBL内的欧姆电压降、右侧溶液体积内的欧姆电压降；
设定直流电源施加电压为Vtot，膜厚度为Wm，室池宽度为Wch，流道长度为H，系统宽度为D，系统整体宽度为L，n为系统中电渗析单元的数量，因此有L＝2n(Wm+Wch)，系统部件沿x轴排布，正极到负极方向为x轴正方向，且在电渗析系统中所处电场假定为匀强电场，确定电渗析系统中由电极施加的外部电场强度如下：
式中，表示x轴正方向的单位矢量。此时可以得到，在膜左右两侧溶液中，存在的电势差为溶液-膜-溶液区域的宽度为：
根据次生电场的定义，该区域的实际电场是电极施加匀强电场与次生电场的矢量和，由此可以得到次生电场的表达式如下：
在CEM与左侧淡化溶液、右侧浓缩溶液所组成的区域内，将电场分布依照TMS理论进行分段分析，将其分为几段电场进行分析，分别如下：
DBL区域：
DBL区域的浓度势或结势与欧姆电势降分别表示为：
式中，t+和t-分别为阳离子和阴离子的输运数，λ为等效电导率，当浓度梯度为负时，右边取：“-”，此时为正，存在下降的趋势；当浓度梯度为正时，右边取正“+”，此时为负，存在上升的趋势；
DBL的宽度为δ，通过浓度势与欧姆电势降相结合，确定DBL区域内的电场强度值与方向，得到的电场强度表示为：
EDL区域：
EDL区域的电场强度值表示为：
式中，F是法拉第常数，z是离子的化合价，R是理想气体常数，T是绝对温度，λD是双电层的宽度，a是离子的活度系数，下标i指盐溶液中的离子i，上标iem和SOL分别表示膜和所研究侧溶液。
IEM内部区域：
IEM内部区域的跨膜电场强度表示为：
式中，为单一电解质溶液的膜电位，为膜电位实际测量值，αiem为膜的选择渗透性，aSOL,L和aSOL,R为所研究系统中膜左右两侧溶液的活度系数，和tcounter分别为电渗析系统膜中和溶液中的反离子输运数。
在一些实施例中，所述优化结构设计单元被进一步配置为：
根据电极施加外部电场特性，在靠近电极区域电场分布均匀程度最小，沿x轴正方向逐渐增大，且呈现增大速度初始很大，逐渐减小至0并趋于平稳，在中间区域为均匀电场分布，且系统左右对称分布，确定设计的膜间距与增长速度成正比关系，在中部区域为等间距排布，靠近电极区域为较大间距，且间距沿x轴正方逐渐减小至最小值。
在一些实施例中，所述仿真验证单元被进一步配置为基于有限元分析法进行仿真，得到仿真结果。
需要说明的是，本实施例提供的基于电渗析效率提升的结构优化装置与在先提供的方法属于同一技术思路，其具有相同的技术原理，能够起到相同的技术效果，本实施例此处不赘述。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于电渗析效率提升的结构优化方法，其特征在于，所述方法包括：
确定研究区域：将离子交换膜与溶液的界面的电场突变区域确定为研究区域；
分析离子迁移过程：根据电渗析中离子迁移驱动力分析，结合流体运动规律，得到离子运输方程与浓差极化现象，分析电渗析过程中的离子迁移过程与离子分布特性、离子聚集现象；
计算电场分布：根据离子浓度分布与膜的电化学特性，分析所述研究区域的双电层与扩散边界层电场特性，计算得到电场分布关系式；
设计优化结构：根据电极产生的外部电场与室池、膜区域电场分布特性，设计电渗析系统中膜间距，按照电渗析离子迁移区域尽可能分布在电场分布均匀区域的原则，设计不等距的优化电渗析几何排布；
仿真验证：根据仿真结果，计算相同初始条件下的电渗析效率，根据电渗析效率的变化特性，反馈调整电场分布的参数计算与优化结构参数的调整；
分析离子迁移过程，具体包括：
构建Nernst-Planck方程以描述电渗析系统中的i离子输送通量：
式中，Di，zi和ci分别为离子i的扩散系数、化合价和浓度，为电势，为速度，F是法拉第常数，方程(1)右边的第一项表示扩散，第二项表示迁移，第三项表示对流，表示空间梯度算子，表示散度；
当研究强电解质溶液，流速很小时，忽略对流项，此时的电渗析系统中的i离子输送通量表示为化学扩散-欧姆传导通量，如下式所示：
式中，D为电解质扩散系数，ti为离子i的迁移数，为电流密度；
构建Navier-Stokes方程和连续性方程以描述溶液是不可压缩的流体运动：
式中，ρSOL表示流体密度，p表示压强，μ表示动力粘度；
构建Poisson方程以描述整个系统的电势分布：
其中εr和ε0分别表示相对介电常数和真空介电常数，ρe＝e(z+c+-z-c-)表示空间电荷密度，表示电场强度；
根据离子迁移方程，可以得到所述计算电场分布，具体包括：
将所述研究区域划分为左侧主体溶液、左侧DBL、左侧EDL、IEM内部、右侧EDL、右侧DBL与右侧主体溶液，确定总电势降为：
式中右边各项分别表示，左侧主体溶液的欧姆电压降，左侧DBL内的欧姆电压降、左侧DBL内的扩散电位、膜电位、膜内的欧姆电压降、右侧DBL内的扩散电位、右侧DBL内的欧姆电压降、右侧溶液体积内的欧姆电压降；
设定直流电源施加电压为Vtot，膜厚度为Wm，室池宽度为Wch，流道长度为H，系统宽度为D，系统整体宽度为L，n为系统中电渗析单元的数量，因此有L＝2n(Wm+Wch)，系统部件沿x轴排布，正极到负极方向为x轴正方向，且在电渗析系统中所处电场假定为匀强电场，确定电渗析系统中由电极施加的外部电场强度如下：
式中，表示x轴正方向的单位矢量；此时可以得到，在膜左右两侧溶液中，存在的电势差为溶液-膜-溶液区域的宽度为：
根据次生电场的定义，该区域的实际电场是电极施加匀强电场与次生电场的矢量和，由此可以得到次生电场的表达式如下：
在CEM与左侧淡化溶液、右侧浓缩溶液所组成的区域内，将电场分布依照TMS理论进行分段分析，将其分为几段电场进行分析，分别如下：
DBL区域：
DBL区域的浓度势或结势与欧姆电势降分别表示为：
式中，t+和t-分别为阳离子和阴离子的输运数，λ为等效电导率，当浓度梯度为负时，右边取：“-”，此时为正，存在下降的趋势；当浓度梯度为正时，右边取正“+”，此时为负，存在上升的趋势；
DBL的宽度为δ，通过浓度势与欧姆电势降相结合，确定DBL区域内的电场强度值与方向，得到的电场强度表示为：
EDL区域：
EDL区域的电场强度值表示为：
式中，F是法拉第常数，z是离子的化合价，R是理想气体常数，T是绝对温度，λD是双电层的宽度，a是离子的活度系数，下标i指盐溶液中的离子i，上标iem和SOL分别表示膜和所研究侧溶液；是在EDL区域，所产生的电势降为唐南势；
IEM内部区域：
IEM内部区域的跨膜电场强度表示为：
式中，为单一电解质溶液的膜电位，为膜电位实际测量值，αiem为膜的选择渗透性，aSOL,L和aSOL,R为所研究系统中膜左右两侧溶液的活度系数，和tcounter分别为电渗析系统膜中和溶液中的反离子输运数；
根据电场分布关系式，可以得到所述设计优化结构，具体包括：
根据电极施加外部电场特性，在靠近电极区域电场分布均匀程度最小，沿x轴正方向逐渐增大，且呈现增大速度初始很大，逐渐减小至0并趋于平稳，在中间区域为均匀电场分布，且系统左右对称分布，确定设计的膜间距与增长速度成正比关系，在中部区域为等间距排布，靠近电极区域为较大间距，且间距沿x轴正方逐渐减小至最小值。
2.根据权利要求1所述的基于电渗析效率提升的结构优化方法，其特征在于，基于有限元分析法进行仿真，得到仿真结果。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310126351.6A CN116401905B (zh) | 2023-02-10 | 2023-02-10 | 基于电渗析效率提升的结构优化方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310126351.6A CN116401905B (zh) | 2023-02-10 | 2023-02-10 | 基于电渗析效率提升的结构优化方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116401905A CN116401905A (zh) | 2023-07-07 |
| CN116401905B true CN116401905B (zh) | 2024-02-06 |
Family
ID=87016772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310126351.6A Active CN116401905B (zh) | 2023-02-10 | 2023-02-10 | 基于电渗析效率提升的结构优化方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116401905B (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2364859C1 (ru) * | 2008-04-21 | 2009-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" | Способ определения доннановского потенциала |
| CN102976454A (zh) * | 2012-10-29 | 2013-03-20 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种填充床电渗析器用于发酵废液中同电性阳离子NH4+和Mg2+分离的方法 |
| CN205367830U (zh) * | 2015-10-08 | 2016-07-06 | 张长玉 | 一种家用纯水机用电渗析器 |
| CN110161106A (zh) * | 2019-06-08 | 2019-08-23 | 天津工业大学 | 一种电渗析脱盐过程中离子交换膜污染的原位在线电化学-光谱学监测装置 |
| CN110648724A (zh) * | 2019-08-16 | 2020-01-03 | 杭州水处理技术研究开发中心有限公司 | 一种电渗析传质过程的数值模拟方法 |
| CN112203747A (zh) * | 2018-03-27 | 2021-01-08 | 加州大学董事会 | 用于集成式太阳能光渗析的系统和方法 |
| CN112960741A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-15 | 江苏省环境科学研究院 | 一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统及应用 |
| CN113111550A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-13 | 广西大学 | 一种基于有限元分析碱性水电解槽工作特性的方法及系统 |
| CN113213585A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-08-06 | 曲阜师范大学 | 基于电液相似原理的多膜组建模及性能分析方法 |
| CN114021491A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-02-08 | 华东理工大学 | 电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用 |
| CN114436377A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-05-06 | 中国科学院生态环境研究中心 | 一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法 |
| WO2022230998A1 (ja) * | 2021-04-30 | 2022-11-03 | 国立大学法人山口大学 | イオン交換膜、イオン交換膜の製造方法及びイオン交換膜セル |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020055578A1 (en) * | 2018-09-11 | 2020-03-19 | Walsh Kevin Michael | Membrane electrode assemblies for ion concentration gradient devices |
-
2023
- 2023-02-10 CN CN202310126351.6A patent/CN116401905B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2364859C1 (ru) * | 2008-04-21 | 2009-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" | Способ определения доннановского потенциала |
| CN102976454A (zh) * | 2012-10-29 | 2013-03-20 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种填充床电渗析器用于发酵废液中同电性阳离子NH4+和Mg2+分离的方法 |
| CN205367830U (zh) * | 2015-10-08 | 2016-07-06 | 张长玉 | 一种家用纯水机用电渗析器 |
| CN112203747A (zh) * | 2018-03-27 | 2021-01-08 | 加州大学董事会 | 用于集成式太阳能光渗析的系统和方法 |
| CN110161106A (zh) * | 2019-06-08 | 2019-08-23 | 天津工业大学 | 一种电渗析脱盐过程中离子交换膜污染的原位在线电化学-光谱学监测装置 |
| CN110648724A (zh) * | 2019-08-16 | 2020-01-03 | 杭州水处理技术研究开发中心有限公司 | 一种电渗析传质过程的数值模拟方法 |
| CN112960741A (zh) * | 2021-02-08 | 2021-06-15 | 江苏省环境科学研究院 | 一种电催化氧化-电渗析耦合处理系统及应用 |
| CN113111550A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-13 | 广西大学 | 一种基于有限元分析碱性水电解槽工作特性的方法及系统 |
| WO2022230998A1 (ja) * | 2021-04-30 | 2022-11-03 | 国立大学法人山口大学 | イオン交換膜、イオン交換膜の製造方法及びイオン交換膜セル |
| CN113213585A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-08-06 | 曲阜师范大学 | 基于电液相似原理的多膜组建模及性能分析方法 |
| CN114021491A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-02-08 | 华东理工大学 | 电化学过程的多尺度多物理场模拟方法及应用 |
| CN114436377A (zh) * | 2022-04-08 | 2022-05-06 | 中国科学院生态环境研究中心 | 一种用于饮用水目标离子选择性去除的电渗析设备与方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Electrodialysis for water desalination: A critical assessment of recent developments on process fundamentals, models and applications;Campione, A et al.;《Desalination》;第434卷;121-160 * |
| Water electro-transport with hydrated cations in electrodialysis;Jiang Chenxiao et al.;《Desalination》;第365卷;204-212 * |
| 基于固态纳米孔的高效能反电渗析盐差能转换技术研究;曾庆钰;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (基础科学辑)》;A010-42 * |
| 电渗析脱盐过程离子传递现象的数值模拟;祝海涛 等;化工学报;第71卷(第08期);3518-3526 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116401905A (zh) | 2023-07-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Campione et al. | Electrodialysis for water desalination: A critical assessment of recent developments on process fundamentals, models and applications | |
| Nikonenko et al. | Effect of electroconvection and its use in intensifying the mass transfer in electrodialysis | |
| Rommerskirchen et al. | Modeling continuous flow-electrode capacitive deionization processes with ion-exchange membranes | |
| Kim et al. | Electrodialysis with spacers: Effects of variation and correlation of boundary layer thickness | |
| Kwak et al. | Enhanced salt removal by unipolar ion conduction in ion concentration polarization desalination | |
| Strathmann et al. | Limiting current density and water dissociation in bipolar membranes | |
| Tanaka | Mass transport and energy consumption in ion-exchange membrane electrodialysis of seawater | |
| Schlumpberger et al. | Scalable and continuous water deionization by shock electrodialysis | |
| Nikonenko et al. | Desalination at overlimiting currents: State-of-the-art and perspectives | |
| Biesheuvel et al. | Membrane capacitive deionization | |
| Zhu et al. | Reducing pumping energy by using different flow rates of high and low concentration solutions in reverse electrodialysis cells | |
| Hassanvand et al. | Improvement of MCDI operation and design through experiment and modelling: Regeneration with brine and optimum residence time | |
| Kniaginicheva et al. | Water splitting at an anion-exchange membrane as studied by impedance spectroscopy | |
| Takagi et al. | Theoretical study of the permselectivity of an anion exchange membrane in electrodialysis | |
| Wang et al. | Capacitive neutralization deionization with flow electrodes | |
| CN103237600A (zh) | 阴离子交换膜及制造方法 | |
| Tanaka | Mass transport in a boundary layer and in an ion exchange membrane: Mechanism of concentration polarization and water dissociation | |
| Wagholikar et al. | Analysis of RED/dRED stack performance using a resistances in series model | |
| Koseoglu-Imer et al. | Recent developments of electromembrane desalination processes | |
| Uzdenova et al. | Theoretical analysis of the effect of ion concentration in solution bulk and at membrane surface on the mass transfer at overlimiting currents | |
| Kim et al. | Nernst–Planck analysis of reverse-electrodialysis with the thin-composite pore-filling membranes and its upscaling potential | |
| Asadi et al. | Electrodialysis of lithium sulphate solution: model development and validation | |
| CN116401905B (zh) | 基于电渗析效率提升的结构优化方法及装置 | |
| Mareev et al. | Accounting for the concentration dependence of electrolyte diffusion coefficient in the Sand and the Peers equations | |
| Pärnamäe et al. | Origin of limiting and overlimiting currents in bipolar membranes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |