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时间:2018-04-18
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1、反电渗析盐差发电功率密度的实验研究阮慧敏马晓姣沈江南浙江工业大学海洋学院浙江工业大学膜分离与水科学技术中心反电渗析(RED)盐差发电是一种无污染的、可持续的技术。在探究功率密度测试方法的基础上,用电化学工作站计时电位法测定了RH)膜堆的放电性能,分别考察了浓淡盐水进料方向、料液循环、进料流速以及膜种类对RED功率密度的影响。结果表明,浓淡盐水均从膜堆下方进料、进出料液不循环、增大进料流速均有利于功率密度的输出。用商业阴离子交换膜(AEM-typel)的膜堆输出的最大功率密度为1.69W/m2,优于用自制膜(AEM2)的膜堆(1.38W/m2),但商业膜的价格远高于自制膜。自制
2、有低电阻的KED离子交换膜有更好的应用前景。关键词:反电渗析;盐差能;功率密度;电化学工作站;盐差能是指两种含盐度不同的溶液之间存在的化学电位差能U1,反电渗析(RED)是一种利用盐差能发电的方法。全球海水与河水可得到盐差能约2TWm。RED的原理:两种不同浓度的盐水分别进入膜两侧,带正电的离子通过阳离子交换膜(CEM)向阴极移动,带负电的离子通过阴离子交换膜(AEM)向阳极移动,带电离子在电极处发生氧化还原反应,电荷迁移转变成电子迁移从而产生电流。RED盐差能发电主要是对离子交换膜和膜堆性能的研宄。现在用于RH)的膜大多是商业电渗析膜,只有少数关于定制Rm)膜的研宄H1。对
3、RH)膜堆性能的研究包括:盐度差m、进料流速、隔网种类及厚度m、电极材料m等的影响,而对于一些棊本问题如:功率密度的测试方法、进料方向、料液是否需循环都没有系统的研宄。本文针对这些问题进行了探讨,优化了RED发电工艺,同时对比了商业膜(AEM-typel)与自制膜(AEM2)的RED性能。这些研宄加强了对RED发电规律的认识,指出了未来RED膜的研宄方向,对其工业化的实现有一定的意义。1实验部分1.1实验仪器和材料离子交换膜:AEM-typel(厚度=125gm;R=l.3Q/cm,商用),CEM-typel(厚度=135um;R=2.7Q/cm),自制膜AEM2(厚度=70
4、um;IEC=l.18mmol/g;R=1.4Q/cm)0蠕动泵:YZ1515X;电化学工作站:PGSTAT302N。1.2RED膜堆KED膜堆装置见阁1。膜堆是由阳离子交换膜、阴离子交换膜、隔板和电极等组成,共包含3对膜和1个屏蔽膜。膜的尺寸均为11cmX27cm,有效面积为189cm,隔网厚度为0.7mm。电极淋洗液为0.05mol/LK4Fe()6、0.05mol/LK3Fe()6和0.25mol/LNaCl的混合溶液。进料为人造海水(0.5mol/LNaCl)和河水(0.017mol/LNaCl)。将2种不同浓度的NaCl用蠕动泵吸入膜堆,流速分别为37.8、75.8
5、、113.7、151.7、189.7mL/min。淋洗液以300mL/min的速率循环。图1RED膜堆Fig.1SchematicdrawingoftheREDstack•卜载原图1.3功率密度测试测最大功率的电路图如图2所示。通过调节可变电阻R1的值,改变整个电路的电流,读取电压表的值,得到电压(U)随电流(I)变化的曲线,然后计算得到功率(P)的值,再通过P-I曲线拟合得到最大功率。图2测最大功率的电路图Fig.2Circuitdiagramofmaximumpowermeasurement用电化学工作站(Autolab)测功率密度,基本原理同上。首先,Autolab上的
6、参比电极(RE)与辅助电极(CE)与膜堆负极相连,反馈电极(S)与工作电极(WE)与膜堆正极相连,其中RE,WE与电压表组成测量回路。其次,用Autolab计时电位法测量膜堆的输出电压:设罝膜堆放电电流为:-0.02,-0.04,-0.06…-0.2A共10个,每个电流保持30s,间隔5s。最后,绘制P-I曲线拟合得到最大功率,除以膜的有效面积得到最大功率密度[7]。2结果与讨论2.1功率密度的测试进料流速为189.7mL/min吋,用Autolab设置的放电电流1和测得的U随吋间(t)的变化如图3所示。由图3可知,在特定电流下,膜堆运行稳定时,输出电压也趋于稳定。U-I曲线
7、和P-I曲线如图4所示,从U-I曲线可以看出随着膜堆放电电流的增大输出电压逐渐减小,说明在低电流下只有欧姆阻力m。因为随放电电流的増大,浓盐水屮的离子会向淡盐水屮迁移,膜两侧盐度差越来越小,所以膜堆输出电压越来越低。由P-1曲线知随着膜堆放电电流的增加,功率密度先增大后减小,有最大值。图3RED膜堆屮设置的放电电流和相应的输出电压Fig.3DischargecurrentoftheREDstackandcorrespondingstackvoltageoutput图4膜堆电压和功率密度随电流变化Fig.
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