超级电容法海水淡化电极材料内多物理场模拟及吸附特性分析(附件)【字数：19823】
摘 要摘 要超级电容法海水淡化是近几年发展起来的新形式的海水淡化方法，它利用高比表面积的多孔碳材料，加以电压，使水中溶解盐类在电极表面富集浓缩而实现水的淡化，达到脱盐的目的。该方法能耗低，脱盐效率高，污染小，易操作得到广泛的关注。本文通过对超级电容法（CDI）海水淡化电极上吸附机理以及溶液的传质进行理论分析，建立了超级电容法海水淡化电极内的三维瞬态模型，该模型基于复杂的物理化学现象，考虑溶液的传质影响，极板间电荷迁移以及极板上的多孔吸附过程，其中所涉及到的方程有质量、动量、多孔达西渗流、电荷守恒方程并耦合了吸附动力学方程。通过多物理场耦合数值模拟分析，给出了超级电容法海水淡化电极内流场、浓度场、电势分布及变化规律，进一步对CDI脱盐单元脱盐效率进行参数优化。本文的主要工作和成果如下（1）考察了不同工作电压、极板间距、入口流速以及入口浓度对CDI单元的脱盐性能影响规律。结果表明除盐效率随电压和入口浓度的增加而增大，随板间距和入口流速增大而减小。为了提升CDI脱盐单元的吸附效率，通过对不同电压、极板间距、入口流速以及入口浓度进行优化分析表明，当极板间加载1.2V电压，间距为0.5mm时，通入流速为，浓度在的NaCl溶液，CDI脱盐单元的吸附效率最高。当入口浓度高于以后，CDI脱盐单元的吸附效果不再有显著变化。（2）通过三种不同极板材料的模型对比分析，显示极板采用石墨烯碳材料要比采用活性炭和碳纤维复合材料具有更大的吸附量和更优的吸附效果。这主要是由于石墨烯碳材料具有极佳的导电能力，超大比表面积和优质的微孔结构。虽然目前石墨烯碳材料制备工艺复杂、价格高昂，但研究表明石墨烯碳材料作为超级电容法海水淡化电极材料具有明显的潜在优势。关键字 电容去离子；多孔电极；模拟
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 电容法海水淡化技术的国内外发展历史 2
1.3 电容脱盐技术的工作原理 3
1.4 本课题的研究内容 5
第二章 CDI装置中单元电极内多物理场耦合分析模型建立 6
2.1 物理模型与假设 6
2.2 数学模型和方程 7
2.2.1 流动方程 7
2.2.2 传质方程 8
2.2.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
电荷守恒方程 10
2.2.5 边界和初始条件 11
第三章 CDI装置中单元电极内离散处理及分析过程实现 12
3.1 COMSOL软件介绍 12
3.2 COMSOL软件中几何模型建立 12
3.3 多物理场模型的建立 15
3.4 网格划分 20
3.5 分段求解 22
第四章 多物理场模拟结果及分析 26
4.1 模型验证 26
4.2 速度分析 26
4.3 压力分析 27
4.4 溶液电势分析 29
4.5 浓度分析 30
4.6 本章总结 31
第五章 各参数对海水淡化过程的影响及优化 33
5.1 分析方法 33
5.2 电压对吸附除盐的影响规律分布 34
5.2.1 仿真方案 34
5.1.2 结果与分析 35
5.3 极板间距对吸附除盐的影响规律分布 37
5.3.1 仿真方案 37
5.3.2 结果与分析 38
5.4 进口流速对吸附除盐的影响规律分布 39
5.4.1 仿真方案 40
5.4.2 结果与分析 40
5.5 入口浓度对吸附除盐的影响规律分布 41
5.5.1 仿真方案 42
5.5.2 结果与分析 42
5.6 极板选材对吸附除盐的影响规律分布 43
5.2.1 仿真方案 43
5.1.2 结果与分析 44
5.7 本章总结 45
第六章 结论与展望 47
6.1 结论 47
6.2 展望 48
致谢 50
参考文献 51
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
21世纪，水资源的贫乏是我国现如今面临的一项重要的难题，社会在发展，人们对淡水的需求也越来越大，各式各样的海水淡化方法得到了大家越来越多的重视。据报道，海水占地球表面水总量的97.3%，剩余的淡水只占2.7%[1]，而其中大部分都是冰川融雪，可供人类城市生活，工农业发展的水源少之又少。我国又是人口大国，人均水资源占有量排世界倒数。考虑到海水储量异常丰富，如何有效的实现海水脱盐淡化，是大家急于攻克的方向[2][3]。
目前而言，已知的海水淡化方法，有电渗析法、蒸馏法、反渗透、膜法。其中，工业上较多使用多级闪蒸和反渗透。但是由于这些传统的海水淡化技术易出现结垢、化学腐蚀等现象，而且在能源利用效率方面低，故大家开始寻找清洁、低能耗的新办法。现有科研人员提出新的海水淡化方法——超级电容法海水淡化。电容法海水淡化（Capacitive deionization），简称CDI，还有称它为电促离子吸附技术和静电脱盐技术。该过程中，两极板先通用恒定电压，水中的阴、阳离子由于静电作用，被正、负电极吸附并形成双电层而从流道溶液中除去。当离子富集到一定程度时，电极再进行短路或接反向电压，阴、阳离子从正、负电极表面的双电层返回到流道中[4]。由于这种脱盐技术中只需要加载恒定电压，且将电极短路或者反极就可实现电极的循环再生，操作简易；不需要像电渗析那样，使用酸碱液对电极部分进行清洗，就不会产生二次污染。因此，此脱盐技术具有装置结构简单、能耗低、运行费用低等优点[5]。现今该技术已经开始覆盖于淡化海水和苦碱水，回收重金属离子及处理工业废水等方面。目前对电容法海水淡化的研究主要是以实验的方法研究它的物理化学上的吸附特性，很少采用数值模拟的方法来对电容法海水淡化内部的物理场进行研究。
本文旨在研究电容法海水淡化单元，在考虑溶液传质的影响和多孔极板上的吸附的作用下，通过分析极板间电势、流道内浓度随时间分布情况，考察不同工作电压、极板间距、入口流速、极板长宽比以及极板选材对CDI单元的脱盐性能影响规律，并绘制出口浓度随时间的变化曲线图，提出对CDI单元吸附性能的优化分析。
1.2电容法海水淡化技术的国内外发展历史
六十年代中期，超级电容海水淡化技术的实际应用研究是随着全球水资源危机的爆发，首先是Caudle研究员[6]，进行一定浓度海水淡化方面研究。他用多孔活性炭材料制成电极并拼接组装成电容器，这就是电容脱盐的前生。正负极板通有恒定电压，电子在静电场中发生迁移，使得进入的海水中的离子被除去部分，但脱盐效果不好。等到了1969年的时候，Johnson等人进行CDI技术初步对脱盐机理做了理论分析，得出该过程可逆。这当中Caudle、Johnson的研究工作为CDI技术的早期研究奠定了基础。但由于当时可用的多孔材料种类较少、稳定性差等因素，CDI技术被忽视，其发展十分缓慢[7][8]。
进入20世纪七八十年代的时候，Oda等[9]研究员实验发现，提升活性炭（AC）电极的吸附效果，可通过改变AC的微孔孔径和比表面积大小等方法。之后K?tz等人又[8]发现,选择高比表面的AC作为电极材料时,其微分电容函数会出现极值点，不会随比表面积增大而增大。Lin Yang等人[10][11]制备不同孔隙参数下的活性炭涂层，并通以不同浓度NaCl溶液，得到活性炭的临界孔径，当选用小于临界孔径时碳材料时, 离子几乎不能发生吸附反应形成双电层。随后，L L实验基地[12][13]设计了由碳气凝胶制成的电极材材料组装成板式CDI组件，在1.2V电压下该组件对溶液和NaCl溶液的离子去除率分别为95.2%和84.1%，此后对电容法海水淡化研究不断深入，涌现出大量脱盐组件，如板式组件（参见图11）和卷式组件（参见图12）等。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 电容法海水淡化技术的国内外发展历史 2
1.3 电容脱盐技术的工作原理 3
1.4 本课题的研究内容 5
第二章 CDI装置中单元电极内多物理场耦合分析模型建立 6
2.1 物理模型与假设 6
2.2 数学模型和方程 7
2.2.1 流动方程 7
2.2.2 传质方程 8
2.2.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
电荷守恒方程 10
2.2.5 边界和初始条件 11
第三章 CDI装置中单元电极内离散处理及分析过程实现 12
3.1 COMSOL软件介绍 12
3.2 COMSOL软件中几何模型建立 12
3.3 多物理场模型的建立 15
3.4 网格划分 20
3.5 分段求解 22
第四章 多物理场模拟结果及分析 26
4.1 模型验证 26
4.2 速度分析 26
4.3 压力分析 27
4.4 溶液电势分析 29
4.5 浓度分析 30
4.6 本章总结 31
第五章 各参数对海水淡化过程的影响及优化 33
5.1 分析方法 33
5.2 电压对吸附除盐的影响规律分布 34
5.2.1 仿真方案 34
5.1.2 结果与分析 35
5.3 极板间距对吸附除盐的影响规律分布 37
5.3.1 仿真方案 37
5.3.2 结果与分析 38
5.4 进口流速对吸附除盐的影响规律分布 39
5.4.1 仿真方案 40
5.4.2 结果与分析 40
5.5 入口浓度对吸附除盐的影响规律分布 41
5.5.1 仿真方案 42
5.5.2 结果与分析 42
5.6 极板选材对吸附除盐的影响规律分布 43
5.2.1 仿真方案 43
5.1.2 结果与分析 44
5.7 本章总结 45
第六章 结论与展望 47
6.1 结论 47
6.2 展望 48
致谢 50
参考文献 51
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
21世纪，水资源的贫乏是我国现如今面临的一项重要的难题，社会在发展，人们对淡水的需求也越来越大，各式各样的海水淡化方法得到了大家越来越多的重视。据报道，海水占地球表面水总量的97.3%，剩余的淡水只占2.7%[1]，而其中大部分都是冰川融雪，可供人类城市生活，工农业发展的水源少之又少。我国又是人口大国，人均水资源占有量排世界倒数。考虑到海水储量异常丰富，如何有效的实现海水脱盐淡化，是大家急于攻克的方向[2][3]。
目前而言，已知的海水淡化方法，有电渗析法、蒸馏法、反渗透、膜法。其中，工业上较多使用多级闪蒸和反渗透。但是由于这些传统的海水淡化技术易出现结垢、化学腐蚀等现象，而且在能源利用效率方面低，故大家开始寻找清洁、低能耗的新办法。现有科研人员提出新的海水淡化方法——超级电容法海水淡化。电容法海水淡化（Capacitive deionization），简称CDI，还有称它为电促离子吸附技术和静电脱盐技术。该过程中，两极板先通用恒定电压，水中的阴、阳离子由于静电作用，被正、负电极吸附并形成双电层而从流道溶液中除去。当离子富集到一定程度时，电极再进行短路或接反向电压，阴、阳离子从正、负电极表面的双电层返回到流道中[4]。由于这种脱盐技术中只需要加载恒定电压，且将电极短路或者反极就可实现电极的循环再生，操作简易；不需要像电渗析那样，使用酸碱液对电极部分进行清洗，就不会产生二次污染。因此，此脱盐技术具有装置结构简单、能耗低、运行费用低等优点[5]。现今该技术已经开始覆盖于淡化海水和苦碱水，回收重金属离子及处理工业废水等方面。目前对电容法海水淡化的研究主要是以实验的方法研究它的物理化学上的吸附特性，很少采用数值模拟的方法来对电容法海水淡化内部的物理场进行研究。
本文旨在研究电容法海水淡化单元，在考虑溶液传质的影响和多孔极板上的吸附的作用下，通过分析极板间电势、流道内浓度随时间分布情况，考察不同工作电压、极板间距、入口流速、极板长宽比以及极板选材对CDI单元的脱盐性能影响规律，并绘制出口浓度随时间的变化曲线图，提出对CDI单元吸附性能的优化分析。
1.2电容法海水淡化技术的国内外发展历史
六十年代中期，超级电容海水淡化技术的实际应用研究是随着全球水资源危机的爆发，首先是Caudle研究员[6]，进行一定浓度海水淡化方面研究。他用多孔活性炭材料制成电极并拼接组装成电容器，这就是电容脱盐的前生。正负极板通有恒定电压，电子在静电场中发生迁移，使得进入的海水中的离子被除去部分，但脱盐效果不好。等到了1969年的时候，Johnson等人进行CDI技术初步对脱盐机理做了理论分析，得出该过程可逆。这当中Caudle、Johnson的研究工作为CDI技术的早期研究奠定了基础。但由于当时可用的多孔材料种类较少、稳定性差等因素，CDI技术被忽视，其发展十分缓慢[7][8]。
进入20世纪七八十年代的时候，Oda等[9]研究员实验发现，提升活性炭（AC）电极的吸附效果，可通过改变AC的微孔孔径和比表面积大小等方法。之后K?tz等人又[8]发现,选择高比表面的AC作为电极材料时,其微分电容函数会出现极值点，不会随比表面积增大而增大。Lin Yang等人[10][11]制备不同孔隙参数下的活性炭涂层，并通以不同浓度NaCl溶液，得到活性炭的临界孔径，当选用小于临界孔径时碳材料时, 离子几乎不能发生吸附反应形成双电层。随后，L L实验基地[12][13]设计了由碳气凝胶制成的电极材材料组装成板式CDI组件，在1.2V电压下该组件对溶液和NaCl溶液的离子去除率分别为95.2%和84.1%，此后对电容法海水淡化研究不断深入，涌现出大量脱盐组件，如板式组件（参见图11）和卷式组件（参见图12）等。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jtgc/cbyhy/18.html
