电渗析过程中多组分离子迁移的模拟研究

环境科学与生态技术1（2020）100007可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-ecotechnology/原创研究电渗析过程中多组分离子迁移的模拟研究Soraya Honarparvara，Danny Reiblea，b，*a化学工程系，德克萨斯理工大学，Lubbock，TX，79409-3121，USAb德克萨斯理工大学土木、环境和建筑工程系，美国德克萨斯州拉伯克，79409-1023A R T I C L E I N F O保留字：电渗析离子输运建模多组分溶液选择性离子去除水垢沉淀A B S T R A C T基于能斯特-普朗克（NP）方程和电中性假设，建立了欧姆区电渗析（ED）槽的二维多组分离子输运模型通道中的湍流假定为不可压缩、等温、层流。在离子交换膜-溶液界面上考虑了Donnan平衡和水的连续性 为了解释膜内的弯曲效应，使用膜水体积分数计算有效离子扩散系数。开发的多组分模型用于阐明料液性质，细胞性质，系统流体力学，操作条件，和膜的性能对选择性二价离子的去除在细胞中的影响。结果表明，随着电解槽长度、外加电位和进水离子强度的减小，二价离子的选择性去除率间隔物填充的电池中增强的混合也促进选择性二价离子去除。膜上较高浓度的固定电荷导致在短电池长度和低施加电位下对二价离子的更大选择性。在固定电荷浓度相同的情况下，具有高含水量的开发的框架，使最佳选择的细胞设计，IEM，间隔设计和操作条件，选择性地去除离子从多组分溶液。1. 介绍微咸水和采出水越来越多地被认为是工业、农业和饮用水的潜在来源由于来自这些盐水的矿物质沉积而导致的结垢是许多工业和化学过程中的主要问题，包括石油和天然气[1]、发电厂[2]和膜脱盐过程[3]。海水、微咸水以及油气采出水通常是以Na+和Cl-离子为主[4然而，通常，低浓度-其它离子的离子例如，Ba2 O、Sr2 O、Mg2 O、Ca2 O、SO2-、HCO-/CO2-和AEM）以交替排列的方式放置在两个电极之间。 给水在离子交换膜（IEM）之间的通道中流动。 由于垂直于电流的电场的存在，离子物种向相反符号的电极迁移。离子通过IEM的选择性渗透导致一个通道中的离子浓度降低，稀释，而相邻隔室中的浓度增加，浓缩。在两种离子浓度相同的情况下，离子的电荷数和迁移率在ED的选择性去除中起关键作用更大电荷导致在膜-溶液界面处更大的分配4 3 3这是规模的主要关注点[7水垢沉淀离子的选择性去除在允许成本有效的处理过程中可能是关键的，所述处理过程使得微咸水和海水能够工业使用，以及废物流（例如，生产的水。含盐废物流的有益再利用还有助于避免与处置相关的环境影响[10]。电渗析（ED）是一种电膜脱盐技术，可用于选择性去除盐水中的水垢沉淀离子 ED堆包含一系列阳离子和阴离子交换膜（CEM而更高的迁移率导致边界层和膜内部更大的传输物质的分子量和大小可能会影响其通过膜的选择性运输[11，12]。离子交换和分配也取决于因此，影响边界层浓度的给水化学和操作条件影响ED中的此外，开发了几种制备和改性方法来制造选择性渗透IEM，不仅表现出低的* 通讯作者。化学工程系，得克萨斯理工大学，拉伯克，得克萨斯州，79409-3121，美国。电子邮件地址：danny. ttu.edu（D. Reible）。https://doi.org/10.1016/j.ese.2019.100007接收日期：2019年10月4日;接收日期：2019年11月12日;接受日期：2019年12月20日2666-4984/© 2019作者。出版社：Elsevier Ltd这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）的开放获取文章S. Honarparvar，D. 赖布勒环境科学与生态技术1（2020）1000072444它们对共离子具有渗透性，但对不同的抗衡离子具有选择性[12]。Luo等对离子选择性膜的制备技术和离子选择性透过的原理进行了详细的综述。[12].这种选择性渗透膜可用于ED中，以进一步改善从多组分溶液中选择性去除特定离子。大量的实验和理论研究已经研究了ED从各种溶液中选择性地去除离子Indusekhar等人[13]使用ED与NO-3-specificAEM选择性去除NO-3。NO-3-特异性AEM通过氯甲基-N用仲胺和叔胺取代的聚砜 在中性pH条件下，ED对NO-3和Cl-的去除没有选择性，但随着pH的升高或降低，ED对NO-3的选择性去除增强。 Elmidaoui等人[14]研究了电渗析对地下水中NO-3的选择性去除，取得了满意的水质。卡巴伊等人 [11]在循环分批模式下用含有10个电池的ED堆进行实验，以研究选择性去除从Na ~+、K ~+、Ca ~（2+）、Mg ~（2+）、Cl ~-、NO ~（3-）和SO ~（2-）的二元和三元水溶液中，在5V时，他们观察到从含有一价抗衡离子的溶液比含有二价抗衡离子的溶液好。然而，在10 V下，反离子对离子去除的影响可忽略不计Sadrzadeh等人[15]研究了在ED电池中从水中选择性去除Na+、Cu2+、Zn2+、Pb2+和Cr3+的操作研究了浓度（100、500和1000 mg/l）、温度（25、40和60℃）、流速（0.07、0.7和1.2 mL/s）和电压（10、20和30 V）对分离效率的影响在单一电解质溶液中，提高浓度、温度和电压均会增加所有离子的分离百分比，而提高含水率则会产生不利影响。浓度效应在500（mg/l）以上消失。在最佳操作条件下，对多元料液的电渗析中，一价离子的分离率大于多价离子。Xu等人[16]使用单价选择性渗透AEM研究了ED中的选择性砷和单价离子去除 AEM在较宽的电流密度范围内对一价阴离子具有较高的选择性. 然而，通过单价选择性渗透CEM的多价阳离子的运输在更高的细胞电位下增加。Nie等人[17，18]评估了各种操作参数的影响，包括TEM-温度（15浓液流与稀液流之比为0.6~1，电流密度为5.9~1.38A/m2时，电解液中Li2+的选择性迁移率高于Mg2+。 结果表明，在较低的温度和较高的电流密度和流速下，Li+离子的选择性去除得到提高。当VC/VD =0.8在最佳操作条件下，锂的回收率可达95.3%根据实验观察，离子性质、细胞流体动力学和膜性质影响ED中离子Kim等人[19]用模拟方法研究了水溶液中K +-Ca2 +-Cl-三元体系电渗析中阳离子的竞争迁移基于能斯特-普朗克（NP）方程假设电中性被开发和解析求解，以研究边界层对穿过CEM的选择性离子传输的影响。忽略通过膜的共离子运输，并且通过试错法确定阳离子在CEM内的运输。 通过将单元长度划分为控制体积并求解每个控制体积的一维模型，将一维模型进一步扩展到二维。模拟结果表明，在欧姆状态下，Ca2+透过膜，而在非欧姆状态下，K2+透过膜变得明显但所开发的模型没有考虑共离子通过膜的传输，膜和溶液组成对阳离子选择性去除的影响。输运模型使用NP方程，电中性假设，和局部Donnan平衡在膜-溶液界面。根据经验确定了膜内和溶液中离子扩散系数之间的相关性，并发现其取决于AEM中二价离子的电流。 扩散边界层（DBL）被假定为沿细胞具有恒定厚度的停滞。在浓缩物通道中考虑了均匀的离子浓度此外，假设膜是理想的，并且不考虑共离子通过膜的转运他们的结果表明，ED中二价离子的选择性去除在较低的工作电流密度下增加。然而，ED在如此小的电流密度下的经济运行需要开发更便宜的IEM。Fíla和Bouzek [21]和Moshtarikhah等人。 [22]采用NP方程假设电化学电池内的电中性来模拟多组分离子转运。采用Schloggl的Schlogow方程描述Na Fion膜内的溶液速度，而在IEM外的忽视DBL的厚度被假定为常数和Donnan平衡被认为是在IEM-溶液界面。在这两项研究中开发的模型未能考虑到通道内的水动力效应。在目前的工作中，使用NP方程、Navier-Stokes（NS）方程、连续性和无间隔物和间隔物填充单元中的摩尔质量平衡开发[23，24]。 假设通道和膜内存在电中性，并在IEMS-溶液界面处考虑Donnan平衡[25，26]。该模型考虑了共离子通过膜的传输，并计算了沿细胞的DBL的发展，对这些层的厚度没有当前框架是二元溶液开发模型的扩展[27]。采用多组分模型研究了进水离子强度、进水组成、外加电位、池长、间隔物、膜固定电荷浓度和膜水体积分数对二价离子选择性去除的影响在Na~+-Mg ~（2+）-Ba~（2+）-SO~（2+）-Cl~-五元水溶液中的电渗析的研究的五元体系含有大多数盐水的主要离子（Na+和Cl-）和几种结垢组分（Mg2+、Ba2+和SO2-）。注意，所开发的模型可用于任何多组分溶液和五元体系在此研究中，作为包含二价和一价阴离子和阳离子的系统的实例 本研究阐明了ED中选择性对每个参数的敏感性，并为设计、材料和操作条件的优化提供了指导。它也是有用的，以缩小可能用于实验探索ED的选择性和设计这样的实验的选择。2. 建模框架请参照图在图1a和图1b中，无间隔物和间隔物填充的电池都含有浓缩物通道、CEM、稀释物通道、AEM以及分别放置在最左边界和最右边界中以表示施加在单个电池上的电势的假设阴极和阳极。表1包含模型输入参数的范围对于CR 61-CMP和AR 103-QDP（Ionics Inc.，USA）分别用作CEM和AEM的建模参数然而，通过在表1中报告的范围内改变膜固定电荷浓度和水体积分数，研究了选择性对膜性能的敏感性。进料水的浓度和离子强度（Is）示于表2中。盐水的离子强度，定义为Eq。（1）表示水中离子的总浓度。Galama等人[20]对三元盐溶液进行了ED实验þ为1/4Xz2c2（一）我我研究了NaCl、Na2SO4和人工北海海水的溶解性，离子的选择性去除他们进一步开发了一种多组分离子S. Honarparvar，D. 赖布勒环境科学与生态技术1（2020）10000734我我4我我我我我我图1. a）无间隔物电池的示意图，b）间隔物填充电池的示意图，c）间隔物网的示意图。表1ED细胞特性。参数值单位通道宽度（WCh）1 [mm]通道长度（L）2膜宽（WM）0.6 [mm]隔片直径0.5[mm]通道中隔片数量流量入口速度（V0）0.06 [m/s]电池电位0.3Na+通道内扩散系数1.3× 10- 9 [m2/s] Mg2+通道内扩散系数7.1× 10- 10[m2/s] Ba2+通道内扩散系数8.5× 10- 10 [m2/s] Cl-通道内扩散系数2× 10-9[m2/s] SO2-通道内扩散系数1.1× 10- 9 [m2/s]选择离子强度和组成以探索水垢沉淀离子的优先去除对给水的总盐度和化学性质的敏感性由于欧姆范围内的微小水解离和pH变化，在本研究中认为盐沉淀可忽略不将间隔物填充通道的孔隙率设定为85%，这与1.33 mm的网格尺寸和0.5 mm的薄膜直径相关，如图所示。 1杯在我们的2-D模型中，忽略了平行于水流的间隔层的影响 该模型占共离子运输，而忽略渗透水运输通过IEM。通道中的湍流在正x方向上向上移动，并假设为等温且不可压缩。在电池中考虑垂直于电流的y方向上的电场由于扩散、电迁移和对流而发生离子传输，并且使用NP方程[23]计算电导率，如下所示：CR 61-CMP固定电荷浓度（cF，CR61-CMP）[28，29]AR 103-QDP固定电荷浓度3210 [mol/m3（吸收水）]3580[mol/m3（吸收Nj^-Djrcj-MjziFcjrjcjV j（2）（cF，AR103-QDP）[28，29]CR 61-CMP水体积分数（CR 61-CMP）[28，29]水）]0.5 Lw/Lsp其中，j表示细胞中的隔室，其可以是通道（c）或膜（m）;Nij、Dij、cij和Mij分别是摩尔浓度μX，AR 103-QDP水体积分数（AR 103-QDP）[28，29]0.4 Lw/Lsp3扩散系数，浓度和迁移率的物种i在隔室j;zi是物质i的电荷数（n = 1，n = 2，n = 2，-1，-2CEM固定电荷浓度（cF，CEM）1600分别表示Na~+、Mg~（2+）、Ba ~（2+）、Cl~-和SO~（2-）;F为法拉第常数（9.6 ×104 C/mol）;4表示隔室j中的电位;Vj是第j个隔间中的流速。第j格室中物质i的迁移率Mj与其扩散有关通过能斯特-爱因斯坦方程的系数[23]，这里，z和c是物质i的电荷数和浓度，jDji iMi¼i（三）分别研究的离子强度基于海水和油气采出水的平均盐度范围[4等表2给水离子入口浓度组分入口浓度，mol/m3入口浓度，mol/m3进料量为< $1779 mol/m3进料量为<$593mol/m3RT在这里，R1和T分别是通用气体常数（8.314 J/mol.K）和为了解释膜内的弯曲效应，膜中物质i的有效扩散系数Dim是根据通道内溶液的扩散系数Dic和膜的水体积分数计算的，如方程1所述（4）[29]。钠1000.0 333.3镁200250.0 83.3Dmw2¼ð ÞD（四）Ba2007.1 2.4电话：+86-1500-5000SO2-7.1 2.4c2-β-环糊精假设在通道和IEM中保持电中性我AEM固定电荷浓度（cF，AEM）1809–3580水）][mol/m3（吸收水）]CEM水体积分数（CSW，CEM）0.4-0.6Lw/LspAEM水体积分数（AEM）0.3-0.5Lw/LspS. Honarparvar，D. 赖布勒环境科学与生态技术1（2020）1000074Xzc¼0（5）iXzczc（6）iFFB：BB4Bb被描述为Eqs。（5）和（6）。 注意，膜内的电中性包括膜固定电荷的浓度。Ci我Mi我这里，cc，cm是通道和内部的物质i使用有限元素法。采用层流界面，对速度和压力进行线性离散，计算通道内的速度分布质量输运计算采用三次电流分布、能斯特-普朗克界面和二次浓度、势离散。 在间隔物填充电池中，间隔物被假设为不导电，没有质量传输和质量流通过它们。MUMPS求解器用于求解方程组矩形网格被定义为在邻近IEM-溶液界面的边界中具有较小单元尺寸的无间隔单元。中间隔填充的单元，混合非结构网格设置三角形的元素，我 边 界外的元素和边界内的四边形元素膜;zF是IEM的固定电荷基团的电荷数对于在欧姆状态下操作的ED电池，由于在IEMS-溶液界面处形成的双电层的较小厚度，电中性被认为在电池中的各处保持假设局部Donnan平衡，计算膜-溶液界面处浓度和电位的急剧变化[30]。 一旦电流达到极限值（极限电流密度），泊松方程应取代由于DBL中空间电荷区域厚度增加而导致的电中性假设[ 31 ]。然而，商业ED设备通常在极限电流值的80%下运行[32]。因此，我们研究的重点是建立欧姆状态（低于极限电流密度）下的离子输运模型，其中局部唐南平衡和电中性是适当的假设[31]。在IEMS中，假设湍流速度Vm为零，从而消除NP方程中的对流项。在通道中，求解NS方程以获得速度分布Vc。 使用入口湍流速度和通道水力直径计算的雷诺数表明，无间隔物和间隔物填充的通道均为层流。 用于求解NS方程的边界条件包括膜和间隔膜表面上的无滑动条件;浓缩物通道最左边和最右边界的对称性;正常入口速度;以及通道出口处的零压力。关于EQUIPOW建模的详细信息如下膜-溶液和间隔膜-溶液边界。在这些边界处选择较小的单元尺寸以捕获急剧的浓度、电势和速度变化。为了获得无间隔物和间隔物填充细胞的网格独立结果，采取了许多网格细化步骤，并将网格尺寸设置为计算结果中未观察到显著变化的数值。图图2a和图2b显示了每个补片精制步骤中稀释液通道出口中CEM-溶液界面处溶液的离子强度。对于无间隔物和间隔物填充的电池，元件的总数分别设置为160，000和5. 结果和讨论由于停留时间和电驱动力的增加，通过增加池长度和电势实现更高的总离子去除然而，选择性离子去除可能不一定随着电池长度和电势而增加，因为它也可能受到其他参数的影响，膜性质、进料水的组成和离子性质。离子去除百分比、相对离子去除百分比和相对离子质量去除，定义为等式（11）ci;交叉平均 -ci;饲料其他地方[27]。将NP方程和速度分布代入摩尔平衡方程，得到N个方程，并与电平衡方程一起求解离子去除率%饲料×100（11）离子去除率%中性假设来计算NH3 1未知数（N的相对离子去除百分比我（十二）物种和电场）。离子去除率%ð Þ每个隔室处的电流密度Ij使用Far.C-C相对离子质量去除¼j;交叉平均j;进给（十三）牛顿Ij¼FXziNj（七）其中，ci，交叉平均异丙肾上腺素以及ci，馈送ci;交叉平均 -ci;饲料分别是水平交叉-3. 组分边界条件摩尔平衡的边界条件包括离子电荷和电流密度的连续性以及IEMS-溶液界面处的Donnan平衡[25，26]，如方程式11所述（8）稀释物通道中物质I的截面平均浓度和给水浓度;Cj，cross-avg和Cj，feed分别是稀释物通道中物质J的水平截面平均浓度和给水浓度物质j相对于i的相对去除百分比和相对离子质量去除的增加证明了对去除物质j的增强的选择性。n Nc¼n：Nm（八）由于二价离子的较高电荷，：i in Ic¼n：Im（9）与单价离子相比，IEMS-溶液界面驱动二价离子的更大分配系数。然而，由于二价离子的扩散系数及浓度较低，因此二价离子的扩散及电迁移电荷通常较小。因此，任何参数，在-C10-C10-RTlnci我（十）当南电位在界面处下降时，FZIcmDBL中的二价离子导致单价离子浓度增加其中，Nc、Ic、Nc分别为物质i的摩尔吸光度，从而降低了对二价离子的选择性。我密度和通道中的电位;Nim，我m，且m分别是注意，固定电荷的浓度和水的体积分数CEM和AEM的值分别设置为CR 61 - 1的报告值物质i的摩尔浓度，电流密度，以及在膜中的电势;n是垂直于面积的单位矢量。4. 数值方法和网格结构使用COMSOL Multiphysics 5.4软件和电化学模块求解具有指定边界条件的方程组CMP和AR 103-QDP，如表1所示，但专门改变这些参数的模拟除外5.1. 细胞长度效应图3表明二价离子相对于一价离子的去除百分比降低，即，(Ba2-，Na+），（Mg2-，Na+）和（SO2-，我CS. Honarparvar，D. 赖布勒环境科学与生态技术1（2020）10000754图2. 不同筛孔尺寸下，在稀溶液通道出口处的CEM-溶液界面处的溶液离子强度。a）无间隔物电池和b）间隔物填充电池。图三. 在无间隔物池的稀释液通道中，在V/4 1.3 V，进料时，相对离子去除百分比与池长度的关系为1/41779 mol/m3，cF，CEM/4。图第四章在 无间隔物的进料池的稀液通道中，在CEM-溶液界面处的Na+与Mg 2+的浓度比相对于池长度为1/41779333210 mol/m3，cF，AEM< $3 580 mol/m3，C3Hw，CEM<$0. 5 Lw/Lsp，和C3Hw，AEM<$0. 4mol/m3，c≤ 3210 mol/m3，c≤ 3580 mol/m3，c≤0.5 L /L，L/L.（Ba2 +/Na+、Mg2 +/Na+、SO2-/Cl-。F，CEMF，AEMw，CEMWSPWSP 4和AEM1/4 0.4 L w/L sp.（）（V）Cl-），在1.3V和1779 mol/m3的进料离子强度下，通过增加无间隔物电池稀溶液通道中的电池长度，可以有效地抑制Cl-的降解。由于二价离子在界面处的较高分配和较低的电导率，DBL中的一价至二价离子浓度沿电池连续增长。 图图4表明，在0.3和1.3V下，随着电池长度的增加，Na+与Mg+的浓度比增加。因此，二价离子的选择性去除随着长度的增加而减少，这是由于它们在DBL中的浓度的连续耗尽。这一结果表明，最佳设计可能是多级短电池长度。5.2. 施加的潜在影响图图5显示了在稀释液中，随着电池电位的升高，（Ba 2+，Na+）、（Mg2+，Na+）和（SO 2-，Cl-）的相对离子去除百分比降低通道的间隔物的细胞为10厘米的长度和饲料离子强度为1779摩尔/立方米。增加施加的电位增强了细胞中的唐南电位下降和电迁移加速如前所述，更大的唐南电位降为界面处的二价离子提供更高的分配。然而，由于单价离子的扩散系数和浓度更大，电迁移率的增加更为显著。因此，DBL中的单价与二价离子浓度比在更高的施加电位下增加，如图1B所示。4为Na ~（2+）~ Mg ~（2+）。这导致了在较高的施加电位下对二价离子的选择性。5.3. 给水离子强度影响图 6表示相对离子百分比S. Honarparvar，D. 赖布勒环境科学与生态技术1（2020）10000764430F，CEM0333图五. 在L1/4 10 cm，进料为1/41779 mol/m3，cF，CEM1/4 3210 mol/m3， cF，AEM1/4 3580 mol/m3，C30w，CEM1/40.5 Lw/Lsp和C30 w，AEM的¼0.4 L w/L sp.（）Ba2O/Na2O，（2019 - 05 - 2200 ：00： 00（SO2-/Cl-。在2cm长、外加电位为0.3V的条件下，当进料离子强度为1779和593mol/m3时，在无隔板电解槽的稀释液通道中，（Ba2+，Na2+）、（Mg2+，Na2+）和（SO2-，Cl-对于具有较低离子强度的给水，道南电位降较高，导致二价离子在IEM-溶液界面处的更大分配。因此，在低电池长度和施加的电势下，对于具有较低离子强度的给水，选择性二价离子去除更大。然而，由于DBL中二价离子的消耗更大，随着施加电位和电池长度的增加，选择性的损失对于离子强度较低的给水更为显著。见图6。在L/ 2 cm，V/4 0.3 V，c/4 3210 mol/m，5.4. 入口浓度效应图7示出了对于离子强度为593 mol/m3、Mg 2+与Na+浓度比为0.1至2、电池长度为2 cm、外加电位为0.3 V的给水，在无间隔物电池的稀释液通道中（Mg 2+，Na+）的相对离子质量去除。对于Mg 2+与Na+浓度比更大的给水，Mg 2+去除更高。增加二价离子的入口浓度补偿了它们的较低的扩散系数，从而增加了它们在通道中的扩散系数。二价离子的增加以及IEMS-溶液界面处的强分配导致对二价离子的更高选择性。离子。对于相同的入口浓度的两种离子，镁离子的去除是四倍以上的Na+。EX实验观察-通过增加二价离子在给水中的浓度，也证明了对二价离子的更高选择性[33]。5.5. 间隔物效应图 8 ，比较了无间隔物和间隔物填充 的电池对离子强度为 593mol/m3、电池长度为2 cm和10 cm、外加电位为0.3 V和1.3 V的给水的二价至单价相对离子去除百分比。间隔物填充电池中增强的交叉通道混合降低了IEMS-溶液界面处的二价离子耗尽。间隔物填充的通道的DBL中的二价离子的高浓度相对于无间隔物的单元的DBL中的二价离子的高浓度导致更大的选择性去除。5.6. 膜图9显示了在CEM固定电荷浓度（cF，CEM）为1600、2400和3210mol/m3，AEM固定电荷浓度（cFAEM）为1810、2690和3580 mol/m3，电池长度为2和10 cm，外加电位为0.3和1.3 V，给水离子强度为593mol/m3的情况下，无间隔物电池的稀释液通道中二价至一价离子的相对离子去除百分比。增加膜上固定电荷的浓度会增强IEM-溶液界面处的唐南电位降，从而在2 cm的电池长度和0.3 V的外加电位下增加选择性二价离子去除等图7. 在V< $0.3 V，L<$2时，在无间隔物电池的稀释液通道中，Mg2 O3/Na 2 O3的相对离子质量去除与入口浓度比cF，AEM1/4 3580 mol/m3，C3Hw，CEM1/40.5 Lw/Lsp，和C3Hw，AEM1/4 0.4Lw/Lsp。（）进料为1/41778mol/m3，（）进料为1/ 4593 mol/m3。cm，进料为1/4 593 mol/m，cF，CEM1/4 3210 mol/m，cF，AEM1/4 3580mol/m，AEM≤0.4 Lw/Lsp.S. Honarparvar，D. 赖布勒环境科学与生态技术1（2020）1000077（（33图8. 稀释液通道中相对离子去除百分比随进料的变化为1/4593 mol/m3，c F ，CEM1/43210 mol/m3 ， c F ， AEM1/43580 mol/m3 ， cF ， CEM1/40.5 L w/L sp ， cF ，AEM1/40.4 L w/L sp。（）无间隔物电池，电压为0.3 V，长度为2cm;（）间隔物填充电池，电压为0.3 V，长度为2cm;（）无间隔物电池，电压为1.3 V，长度为10cm;（）间隔物填充电池，电压为1.3 V，长度为10 cm。结果与Balster等人进行的实验测量一致 [33]这表明增加固定电荷浓度可以改善二价离子通过膜的传输。因此，具有较高电荷密度（较大IEC和较低水含量）和高电导率的IEM优选用于选择性二价离子去除。然而，由于DBL中二价离子的消耗更大，当使用具有高浓度固定电荷的膜时，通过增加电池长度和施加的电势而导致的对二价离子的选择性损失5.7. 膜膜水体积分数定义为吸收水的体积（Lw）与溶胀聚合物的体积（Lsp）之比，其影响ED的选择性 图图10示出了无间隔物电池的稀释液通道中二价至一价离子的相对离子去除百分比，其中AEM水体积分数（AEM w，AEM）为0.3、0.4和0.5L w/L sp，CEM水体积分数（AEM w，CEM）为0.4、0.5和0.6L w/L sp，电池长度为2cm，施加电势为0.3V，进料离子强度为593 mol/m3。 在具有较大水体积分数的膜中，离子的有效扩散系数以及因此离子的有效扩散系数较高。由于单价离子的扩散系数更大，因此膜的含水量效应对单价离子更为显著，导致单价离子的电导率比二价离子的电导率增加更大。因此，通过增加膜的水体积分数，二价离子的选择性去除降低。实验确定的[33]通过具有更大电荷密度（更低水含量）的IEM的膜的更高的二价离子渗透率与这些建模结果一致。5.8. 优化ED电池性能为了达到最大的选择性，细胞尺寸，膜的化学结构，和操作条件应相对于进料水和目标离子的性质进行优化然而，可以提高ED选择性的参数可能对整体性能产生不利影响，如离子强度的总降低所定义的见图9。在无间隔池稀液通道中，相对离子去除率随膜固定电荷浓度的变化分别为<$593mol/m3，Na 2CO 3，CEM<$0.5Lw/Lsp和Na 2CO 3，AEM<$0.4Lw/Lsp。（）cF，CEM1600 mol/m3和cF，AEM1809 mol/m3，L1/4 2 cm和V1/4 0.3 V，（）cF，CEM 2400mol/m3和cF，AEM2689 mol/m3，L 1/4 2 cm和V1/4 0.3 V，（）cF，CEM 26891/43210 mol/m3和cF ， AEM1/4 3580 mol/m3， L1/4 2 cm和V1/4 0.3 V，（）cF，CEM1/ 4 1600 mol/m3和cF，AEM1/4 1809 mol/m3，L 1/4 10 cm和V1/41.3 V，（）cF，CEM1/ 4 2400 mol/m3和cF，AEM1/4 2689 mol/m3，L1/4 10 cm和V 1/4 1.3 V，（）cF，CEM 1/4 3210 mol/m3和cF，AEM 1/4 3580 mol/m3，L1/4 10 cm和V 1/4 1.3 V1.3伏减小电池长度和施加低电位促进对二价离子的选择性，但导致总体离子去除效率降低。 图图11示出了在0.3V、给水离子强度下，在间隔物填充的电池的稀释液通道中沿着电池的离子去除百分比。图10个。 在L/2 cm，V/0.3 V，进料为1/4593 mol/m3，c F，CEM/3210 mol/m3和c F，AEM/3580mol/m3（）w，CEM/0.4Lw/L sp和cw，AEM/0.3Lw/L sp，）水，CEM1/40.5Lw/L sp和水 ，AEM1/4 0.4 L w/L sp，）水 ，CEM1/4 0.6 L w/L sp和水，AEM1/4 0.5 L w/L sp。S. Honarparvar，D. 赖布勒环境科学与生态技术1（2020）10000784444图11. 在V<$0.3 V，进料Is<$593 mol/m3，cF，CEM< $3210 mol3一价离子通过膜渗透，并降低了该方法对二价离子的选择性。开发的多组分模型可用于优化有效参数，并达到最大的选择性，在任何特定的盐水进料水的细胞然而，开发足够选择性的条件仍然很困难，该条件可以消除低浓度下存在的水垢沉淀离子的问题，而不结合多个阶段的设计，每个阶段在最佳条件下操作以最大化选择性。确认作者感谢MaddoX基金会和Donovan MaddoX杰出工程师主席基金会的财政支持。引用[1] J. Moghadasi，A. Sharif，H. Müuller-Steinberg，M. Jamialahmadi，由于注入不相容的水，预测油藏和生产设备中的结垢问题，Dev. Chem. Eng. Miner.过程14（3-4）（2006）545- 566。[2] R.J. Ferguson，B.R. Ferguson，锶和钡垢的化学，水技术协会，Reno，NV，美国，2010年。[3] S. Honarparvar，X. Zhang，T. Chen C.，马缨丹属Na，D. Reible，微咸水脱盐的建模技术-走向可持续供水，Curr。Opin.m3，cF，AEM3580 mol/m，100%w，CEM¼0.4 Lw/L sp和w，AEM¼0.3 Lw/L SP. （）化学工程26（2019）104- 111。[4] S.T. T.K.布伦南Lowenstein，J. Horita，海水化学和吴晓波，（）Mg2H2O，（）Ba2，（）C++（）SO2-。593 mol/m3，cF，CEM为3210 mol/m3，cF，AEM为3580 mol/m3，cF，CEM0.4 Lw/Lsp，以及 0.3 Lw/Lsp的AEM。二价离子的离子去除百分比更大，表明对它们的选择性更高。然而，所有离子的低去除百分比表明电池中的总体离子去除和分离效率低。然而，取决于化学成分，即使二价离子的小的绝对去除率也可以为消除结垢提供实质性的益处。为了使所需的膜表面积最小化并使电池中的总离子去除最大化，优选更高的施加电位。膜和间隔物的优化受到细胞尺寸和给水性质的显著影响。 具有高浓度固定电荷的膜在小细胞长度下提供更大的二价离子去除;而具有较低浓度固定电荷的膜在维持较长细胞的二价离子选择性方面更优越。对于具有高二价离子浓度的高盐度给水，DBL中的二价离子的消耗较小，因此间隔基对选择性的影响较小。 对于这样的进料水，可以采用更开放的间隔网，从而减少用于泵送流体通过池的能量需求。6. 结论本文建立了一个多组分离子在无间隔层和间隔层填充的欧姆放电池中输运的二维数学模型该模型用于研究进水性质、细胞流体力学和膜性质对Na+-Mg2 +-Ba2 +-SO2--水溶液中二价离子选择性去除的影响。Cl-五元溶液。无间隔物和间隔物填充电池的稀释液通道中的选择性二价离子去除通过增加给水离子强度、电池电位和电池长度而降低增加给水中二价离子的浓度提高了它们在池中的选择性去除在间隔物填充的通道中增强的混合导致更高的二价离子去除。此外，在保持水含量恒定的同时增加膜的固定电荷浓度，增强了在低电池长度和施加电势下的选择性二价离子去除。增加IEM的水体积分数提高了膜内的有效离子扩散系数这导致更大的生物钙化，地质学32（6）（2004）473- 476。[5] E.T.伊贡努陈，采出水处理技术，国际低碳技术杂志，9（3）（2012）157- 177。[6] H.U. Sverdrup，M.W.约翰逊，R.H.Fleming，The Oceans：Their Physics，Chemistry，and General Biology，Prentice-Hall，New York，1942。[7] S. Honarparvar，S.H. Saravi，D. 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