预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法，包括：

【技术实现步骤摘要】
预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法及其装置


[0001]本专利技术涉及一种化工环保领域，具体地涉及一种预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法及其装置
。
本专利技术的方法能够针对专利技术专利
CN202010786921.0
进行应用，专利技术专利
CN202010786921.0
已于
2023
年2月7日授权公告，其所公开的内容通过引用的方式完整并入本文
。

技术介绍

[0002]道南渗析
(Donnan dialysis)
是道南膜原理的典型应用
。
它利用离子交换膜选择传递与其荷电相反的离子而阻止与其荷电相同的离子的性能
,
通过膜两侧溶液离子组成不同所形成的电化学势差推动目标离子和驱动离子的等当量跨膜置换
。
该过程无外加电场
,
可以实现目标反离子逆浓度梯度传递
,
而且无显著膜污染
,
常用于离子的富集
、
浓缩和饮用水净化
。
[0003]中国专利技术专利
CN202010786921.0
公开了一种基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统及处理方法，包括道南渗析组件和渗透蒸馏组件，在道南渗析组件中，上膜板的凹槽与阳离子交换膜之间形成料液腔，下膜板的凹槽与阳离子交换膜之间形成接收液腔，便于料液腔中的铵离子通过阳离子交换膜进入到接收液腔中，并与接收液反应生成氨气，同时接收液罐中氨气的生成能够降低接收液罐中的铵离子浓度的累积，进而促使道南渗析过程继续发生，从而使处理效果能够有效提高
。
在渗透蒸馏组件中，上膜板的凹槽与疏水膜之间形成接收液腔，下膜板的凹槽与疏水膜之间形成渗透液腔，便于接收液腔中的氨气通过疏水膜进入到渗透液腔中，使其与渗透液腔中的溶液反应形成能够被直接利用的铵盐
。
采用该专利技术提供的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理方法，通过道南渗析用于从氨氮污水中富集氨氮，以降低后续处理的物耗；渗透蒸馏用于回收氨氮，同时渗透蒸馏可以提高道南渗析对氨氮的富集率
。
采用常规的处理设备，步骤简单易操作，既实现了水中氨氮的去除，又实现了对氨氮的回收利用，并且处理成本低
。
[0004]上述专利中涉及到两种膜组件，即离子交换膜和渗透蒸馏膜
。
目前离子交换膜很大程度依赖进口，且价格较为昂贵
。
国外进口膜的价格约为
5000
元
/
平方米，国产膜的价格也约为
1000
元
/
平方米
。
但是，在现有技术的基于道南渗析的传质方法中，即使是在如上述专利技术专利
CN202010786921.0
所公开的基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的氨氮废水处理系统及处理方法中，均不能有效的确定溶液中进料离子浓度随时间的变化，也就是说，缺少能够很好描述道南渗析过程中溶液中进料离子浓度随时间变化的模型方程，无法准确评估目标离子和驱动离子扩散系数以及初始浓度
、
选择性系数
K、
离子交换膜的交换容量
Q、
膜厚度
L
及膜面积
S、
单次进液体积
V
等参数对目标离子回收效能的影响
。
而且，现有技术中，缺少能够很好地表示出道南渗析过程中目标离子去除率随时间变化的趋势的方法，同时也没有准确的确定在满足工艺运行时间内所需的单次进液体积
V
及膜面积
S
的最优方案组合的方案
。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法及装置，其能够很好地表示出道南渗析过程中目标离子去除率随时间变化的趋势，并且能够借助于表现出的趋势，很好的确定在满足工艺运行时间内所需的单次进液体积
V
及膜面积
S
的最优组合方案
。
[0006]本专利技术第一方面公开了一种预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法，所述方法应用于基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的水处理系统，所述水处理系统包括进料室
、
接收室和酸室，还包括介于进料室和接收室之间的离子交换膜和介于接收室和酸室之间的疏水膜，进料室中待渗析的目标离子能够通过离子交换膜进入接收室，以与接收室内的驱动液反应生成对应气体，接收室内生成的对应气体能够通过疏水膜进入到酸室内，以与酸室内的渗透液反应生成对应的盐；所述驱动液能够为纯盐驱动液或纯碱驱动液，其中优选地，纯盐驱动液能够为
NaCl
驱动液，以形成纯盐驱动体系，纯碱驱动液能够为
NaOH
，以形成纯碱驱动体系
。
[0007]在根据本专利技术第一方面所公开的预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法中，包括以下步骤：
[0008]步骤
S1
，构建道南渗析传质模型方程，所述道南渗析传质模型方程通过进料室的进料液中目标离子浓度随时间变化的方程式表示，所述方程式与进料室的单次进液体积和离子交换膜的膜面积形成相关；也就是说，在所构建的道南渗析传质模型方程中，目标离子浓度随时间的变化与单一批次待渗析的单次进液体积和离子交换膜的膜面积形成相关
。
所谓相关是指在方程式中，进料液中目标离子浓度随时间变化的趋势会因单次进液体积和膜面积的不同取值而有不同
。
另外，其中单次进液体积是指进料室的溶液体积，溶液体积是指进料室的最大体积容量，所谓膜面积是指离子交换膜的面积或疏水膜的面积
。
[0009]步骤
S2
，基于道南渗析传质模型方程，构建纯盐驱动液下或纯碱驱动液下的预测模型方程；即，基于在纯盐驱动体系和纯碱驱动体系下目标离子在最终酸室内的浓度特性的不同，构建各自的预测模型方程
。
具体地，对于
NaCl
驱动体系，趋于0，当
NH
4+
回收效率为0时，酸室没有
NH
4+
；对于
NaOH
驱动体系，
NH
4+
回收率不为0，酸室
(III
室
)
中
NH
4+
浓度不能忽略，其最大值等于进料室初始
NH
4+
浓度值
(
氨氮回收效率
100
％
)。
[0010]步骤
S3
，通过
Matlab
中的龙格库塔算法对预测模型方程求解，以获得在确定的单次进液体积下不同膜面积的目标离子去除率与时间的关系曲线图；即，输入预测模型方程中所需的求解参数的数值到
MATLAB
中，利用
Matlab本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法，其特征在于，所述方法应用于基于道南渗析与渗透蒸馏耦合的水处理系统，所述水处理系统包括进料室
、
接收室和酸室，还包括介于进料室和接收室之间的离子交换膜和介于接收室和酸室之间的疏水膜，进料室中待渗析的目标离子能够通过离子交换膜进入接收室，以与接收室内的驱动液反应生成对应气体，接收室内生成的对应气体能够通过疏水膜进入到酸室内，以与酸室内的渗透液反应生成对应的盐；所述驱动液能够为纯盐驱动液或纯碱驱动液；所述方法包括以下步骤：
S1
，构建道南渗析传质模型方程，所述道南渗析传质模型方程通过进料室的进料液中目标离子浓度随时间变化的方程式表示，所述方程式与单次进液体积和膜面积形成相关；
S2
，基于道南渗析传质模型方程，构建纯盐驱动液下或纯碱驱动液下的预测模型方程；
S3
，通过
Matlab
中的龙格库塔算法对预测模型方程求解，以获得在确定的单次进液体积下不同膜面积的目标离子去除率与时间的关系曲线图；
S4
，在相应确定的单次进液体积下，借助于步骤
S3
中关系曲线图中所体现的不同膜面积下目标离子去除率与时间的对应关系，确定满足工艺运行条件内所需的最小膜面积
。2.
根据权利要求1所述的预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法，其特征在于，所述目标离子为
NH
4+
，所述驱动液对应的驱动离子为
Na
+
；所述进料室的进料液中目标离子浓度随时间变化的方程式为：其中，影响目标离子浓度随时间变化的影响参数包括：代表进料室初始目标离子
NH
4+
浓度，
C
TI
代表进料室总离子浓度，即进料室初始目标离子
NH
4+
浓度和初始驱动离子
Na
+
浓度之和，
C
TII
代表接收室总离子浓度，即接收室初始目标离子
NH
4+
浓度和初始驱动离子
Na
+
浓度之和，代表酸室最终目标离子
NH
4+
浓度，代表总的目标离子
NH
4+
浓度，代表目标离子
NH
4+
扩散系数，代表驱动离子
Na
+
扩散系数，
Q
代表离子交换量，
S
代表膜面积，
V
I
代表进料室单次进液体积，
V
II
代表接收室单次进液体积，
L
代表膜厚度
。3.
根据权利要求2所述的预测道南渗析传质中离子浓度随时间变化的方法，其特征在于，在纯盐驱动液构成的纯盐驱动体系下，趋于0，当目标离子
NH
4+
回收效率为0时，酸室没有目标离子
NH
4+
，基于此，在纯盐驱动体系下的所述预测模型方程能够基于道南渗析传质...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩乐，敖茂钦，陈琮，代志楠，姚婧梅，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：