离子迁移动力学对新型扩散渗析酸回收效率与发电功率密度的影响研究

Energy capture from a salt concentration gradient of river water and sea water by reverse electrodialysis (RED) has been intensively investigated in recent years. In various industries (e.g., steel production, metal-refining, electroplating, non-ferrous metal melting, aluminum etching etc.), large volume and high concentration of waste acids are generated with production (e.g., 8×103 kg of 2 mol/L H2SO4 waste is generated when one ton of titanium white is produced). From the energy point of view, these waste acids also store a large amount of chemical potential. Conventional diffusion dialysis (DD) has been applied for waste acid recovery, but no power can be generated from this apparatus since both anions and cations pass through the same membrane. This research presents a novel method and apparatus, named “DDPower”, to recover these waste acids and simultaneously, to extract the chemical energy, stored in the strong acids. This work will investigate characterization of commercial membranes, transport number of anions and cations and configuration design of DDPower stack,which will provide solid support on their influence to acid flux and power density. The results of this work will not only promote the possible industrial application and parameter design of DDPower, but also provide useful information for the development of ion exchange membrane fabrication, diffusion dialysis and reverse electrodialysis.

近年来，国际学者对通过反电渗析（RED）利用河水与海水的盐度差获取绿色电能进行了广泛的研究。在另一方面，盐度差不仅仅在自然界中存在，在工业产品生产的同时所产生的大量高浓度的废酸（比如生产每吨钛白粉同时会产生约2 mol/L的废硫酸8吨）也具有很高的盐差能。由此，废酸中蕴藏着大量的能量有待开发，这些能量可以用于废酸的后续提纯与生产。传统扩散渗析（DD）可以回收废酸，但由于阴阳离子同时穿透同种膜，所以并不能产生电能。新型扩散渗析（DDPower）实现了在高效回收酸的同时持续产生可观的电能。本项目基于这种新型扩散渗析，从各种商用膜的表征，阴、阳离子扩散系数以及新型扩散渗析器的构型设计出发，研究离子迁移动力学对新型扩散渗析酸回收效率与发电功率密度的影响，为其应用提供理论和设计指导，同时也为离子交换膜制备、扩散渗析、反电渗析的进一步发展提供有用信息。

近年来由于能源短缺的危机，利用海水和河水的盐差进行反电渗析发电得到了广泛的关注和研究。然而在工业领域，每年有大量的高浓度工业废酸产生需要处理，这些废酸蕴含着大量的化学能，可以加以利用。本项目设计了一种新型膜堆装置，命名为DDPpower，在纯化回收酸的同时，可以利用酸差发电。膜堆中，与常规的酸扩散渗析回收不同的是，阻氢膜和酸扩散渗析膜交替重复排列，阻氢膜对氢离子的阻隔作用，使得氢离子可以定向迁移，形成离子电流。优化实验条件之后，仅在重复单元数为2的条件下，即实现了27.53 μW•cm-2的最大输出功率密度，最大输出电流密度和开路电位分别为382.82 μA•cm-2 和0.274 V。在批式循环实验中，酸的回收率达到33.10%，平均通量为9.12 mol/m2•h。而模拟杂质阳离子的通量为零，证明的酸的纯化效果较好。.通过对商业化膜组成的DDPower装置的氢离子迁移动力学分析，发现进一步提高膜的阻氢效率是提高DDPower输出功率的关键因素。因此制备了一系列包含离子液体的聚合物包覆膜（PIM）作为酸阻截阴离子交换膜，研究了离子液体含量对离子交换容量、吸水率、膜电阻和离子迁移数的影响。此外，在硫酸浓缩的电渗析过程中，将制备的离子液体聚合物包覆膜与商业的酸阻截膜（来自ASTOM的ACM）进行比较。结果表明，聚合物包覆膜显示出优异的质子阻截性能和良好的电化学性能。在稀硫酸浓缩的电渗析实验中，含有季鏻盐离子液体Cyphos IL 101的PIM达到最高酸浓度2.21 mol / L，与ACM膜实验相比增加了36.41％。