电控离子选择渗透膜分离过程传质模型的构建

TQ150.1; [目的]电控离子选择渗透(electrochemically switched ion permselectivity,ESIP)是一种新型的离子选择性膜分离技术,已成功应用于低浓度目标离子的高效、连续、选择性分离.然而,离子在膜内传质不符合 Nernst-Planck 理论,建立 ESIP 离子传质模型有助于人们理解 ESIP 分离过程.[方法]在 ESIP 膜分离系统中,为研究离子在膜上双脉冲电势与极室槽电压耦合动态场中的传质行为,提出了修正的 Nernst-Planck 模型.根据唐南(Donnan)平衡以及电中性假设等,建立了 ESIP 膜分离过程的离子传递稳态模型.通过数值模拟考察了电流密度、膜厚、膜内离子活性位点浓度对膜分离系统中离子浓度和电阻分布的影响.[结果]在原料侧扩散层和膜相内,膜厚和离子活性位点浓度对离子浓度分布影响较大,降低膜厚、提高离子活性位点浓度是提高离子传质的主要方式.在高电流密度、低膜厚和高离子活性位点浓度下,原料侧扩散层电阻在整体电阻中占主导作用,通过增加流体流速或减小腔室厚度以提高离子传质速率.在低电流密度、较高膜厚下,Donnan 层电阻占主导作用,通过增加膜的离子活性位点来提高离子传质速率.[结论]在高电流密度、低膜厚和高离子活性位点浓度下,减弱扩散层电阻(增加流体流速、减少腔室厚度)是实现ESIP 性能优化的主要途径.