反电渗析盐差发电功率密度的实验研究.doc

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 摘 要： 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 RED 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-type1) 的膜堆输出的最大功率密度为 1.69 W/m2, 优于用自制膜 (AEM2) 的膜堆 (1.38 W/m 2) , 但商业膜的价格远高于自制膜自制有低电阻的 RED 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; 作者简介：阮慧敏 (1976-) , 女, 副教授, 研究方向为膜分离技术的应用;电子邮件:ruanhm@作者简介：沈江南, 教授;电子邮件:shenjn@收稿日期：2017-02-27基金：国家高技术研究发展计划 (863 计划) (2015AA030502) Experimental Study on Generated Power Density by Reverse Electrodialysis with Different SalinityRUAN Huimin MA Xiaojiao SHEN Jiangnan Ocean College, Zhejiang University of Technology; Abstract： Electricity generation by reverse electrodialysis (RED) with different salinity is a non-polluting, sustainable technology. On the base of testing method investigation for power density, discharge performance of RED membrane stack was measured by chronopotentiometry in Autolab. The effect of the feed direction, feed circulation, feed velocity and the type of anion exchange membrane on the RED power density was also studied. The results indicated that, solutions with different salinity feed from the below of RED stack, the import and export solutions without circulation and enhanced feed velocity were all benefit for outputting power density. RED stack installed with commercial available anion exchange membranes (AEM-type1) showed the maximum gross power density of 1.69 W/m2, higher than the tailor made membranes (AEM2) which was 1.38 W/m2.However, the price of commercial membrane was much higher than homemade membrane, the homemade RED ion exchange membrane with low resistance has better application foreground.Keyword： reverse electrodialysis; salinity gradient power; power density; Autolab; Received： 2017-02-27随着环境污染、全球气候变暖、不可再生资源的消耗等问题的出现, 人们开始致力于对新能源的开发, 其中盐差能得到越来越多的关注。

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[1], 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 2TW[2]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究现在用于 RED 的膜大多是商业电渗析膜, 只有少数关于定制 RED 膜的研究[3-4]对 RED 膜堆性能的研究包括:盐度差[5]、进料流速、隔网种类及厚度[6]、电极材料[7]等的影响, 而对于一些基本问题如: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究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-type1) 与自制膜 (AEM2) 的 RED 性能这些研究加强了对RED 发电规律的认识, 指出了未来 RED 膜的研究方向, 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-type1 (厚度=125μm;R=1.3Ω/cm, 商用) , CEM-type1 (厚度=135μm;R=2.7Ω/cm) , 自制膜 AEM2 (厚度=70μm;IEC=1.18mmol/g;R=1.4Ω/cm) 。

蠕动泵:YZ1515X;电化学工作站:PGSTAT302N1.2 RED 膜堆RED 膜堆装置见图 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 11 cm×27 cm, 有效面积为189 cm, 隔网厚度为 0.7 mm电极淋洗液为 0.05 mol/L K4Fe (CN) 6、0.05 mol/L K3Fe (CN) 6和 0.25mol/L Na Cl 的混合溶液进料为人造海水 (0.5mol/L Na Cl) 和河水 (0.017 mol/L Na Cl) 将 2 种不同浓度的 Na Cl用蠕动泵吸入膜堆, 流速分别为 37.8、75.8、113.7、151.7、189.7 m L/min淋洗液以 300 m L/min 的速率循环图 1 RED 膜堆 Fig.1 Schematic drawing of the RED stack 下载原图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.2 Circuit diagram of maximum power measurement 下载原图用电化学工作站 (Autolab) 测功率密度, 基本原理同上首先, Autolab 上的参比电极 (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:设置膜堆放电电流为:-0.02, -0.04, -0.06…-0.2 A 共 10 个, 每个电流保持 30 s, 间隔 5 s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 189.7 m L/min 时, 用 Autolab 设置的放电电流 I 和测得的 U 随时间 (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[8]。

因为随放电电流的增大, 浓盐水中的离子会向淡盐水中迁移, 膜两侧盐度差越来越小, 所以膜堆输出电压越来越低由 P-I 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 3 RED 膜堆中设置的放电电流和相应的输出电压 Fig.3 Discharge current of the RED stack and corresponding stack voltage output 下载原图图 4 膜堆电压和功率密度随电流变化 Fig.4 The curves of RED stack voltage and power density with current 下载原图2.2 进料方向的影响进料流速为 151.7 m L/min 时, 膜堆在不同进料方向下的 P-I 曲线如图 5 所示在图 1 的膜堆中, 浓盐水从 2、4 号孔进出, 淡盐水从 1、3 号孔进出, 淋洗液从 8 号孔进, 6、7 号孔相连, 从 5 号孔出由图 5 可知, 浓、淡盐水皆从膜堆下面并流进料 (1、2 号孔) 所得功率密度最大, 其次为错流进料 (浓盐水从 2号孔进料, 淡盐水从 3 号孔进料) , 最小的是皆从膜堆上面进料 (3、4 号孔) 。

而功率密度出现负值是因为设置的膜堆放电电流过大, 使膜堆从放电状态转为充电状态图 5 膜堆在不同进料方向下功率密度随电流的变化 Fig.5 Change of RED stack power density with current at different feed direction 下载原图在相同条件下, 与从膜堆上面进料比较, 从下面进料时新进的料液在膜堆中停留时间更长, 导致单位时间内交换的阴阳离子更多, 所以产生的功率更大[9]此外, 错流使浓淡盐水进出口压力不同, 这将使浓淡盐水侧的隔板均被挤压, 从而产生流道的变形引起额外的水力学损失[10], 所以错流进料比从下方并流进料时产生的功率密度小2.3 料液循环的影响流速为 151.7 m L/min, 膜堆料液循环 (即出料继续流入进料中) 时, 在不同运行时间功率密度随电流的变化如图 6 所示结果表明, 料液循环时, 当膜堆运行稳定后随着运行时间的增加 (从 0 min 到 6 min 再到 12 min) , 膜堆中产生的功率密度逐渐减小这是因为随着膜堆的运行, 浓盐水侧浓度逐渐变小, 淡盐水侧浓度逐渐变大, 两侧的浓度差在减小[11]。

图 6 料液循环时膜堆在不同运行时间功率密度随电流的变化 Fig.6 Change of RED stack power density with current at different running time when import and export solution was circulated 下载原图2.4 进料流速和 AEM 种类的影响商业膜 AEM-type1 和自制膜 AEM2 分别与 CEM-type1 膜组成的膜堆, 功率密度随进料流速的变化如图 7 所示由图 7 可知, 随着进料流速的增大, 膜堆中产生的功率密度逐渐增大这是因为进料流速越大导致膜两侧盐度差越大, 这有利于膜堆电压和功率。