电容去离子脱盐过程的多物理参数统一与主导性评估方法

1.本发明属于水处理脱盐技术领域，特别涉及一种电容去离子脱盐过程的多物理参数统一与主导性评估方法。


背景技术：

2.淡水的日益枯竭是社会经济发展过程中的一大严峻挑战。海水或微咸水淡化是解决淡水短缺问题的有效方法。对于海水等高盐浓度咸水淡化，反渗透、电渗析、多级闪蒸等技术被广泛应用。然而对于微咸水淡化，上述技术能耗高且成本高。作为一种替代方法，电容去离子技术将少量的盐离子直接从给水中移除，可以在低电势下进行离子选择并具有较低的能量消耗，因此电容去离子是高效淡化低浓度咸水的重要途径。
3.电容去离子是一种利用带电电极从溶液中去除盐或带电物质的电化学反应过程，这一过程中离子输运受到十个以上物理参数的影响，如外加电压、溶液浓度、流速、离子种类等。目前的实验大多采用控制变量法进行研究，即使每个物理参数变化五次其他参数保持不变，也需要数百万次的实验，大大增加了实验负担，无法揭示多物理参数对电容去离子性能的影响。此外，各物理参数对电容去离子脱盐性能的影响程度尚不清晰。因此，缺乏有效的理论来指导电容去离子实验，促进其性能提升。
4.背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种电容去离子脱盐过程的多物理参数统一与主导性评估方法，通过利用相似原理获得电容去离子过程的无量纲数，可以得到统一的物理规律并减轻实验负担；利用参数敏感性分析可以明确影响电容去离子脱盐性能的多物理参数主导性排序，指导其性能提升。
6.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
7.一种电容去离子脱盐过程的多物理参数统一与主导性评估方法，所述方法利用相似原理进行方程分析以统一多物理参数，并利用参数敏感性分析以明确影响电容去离子脱盐性能的多物理参数主导性排序，包括如下步骤：
8.s1：确定电容去离子过程的多物理参数及控制方程；
9.s2：定义无量纲变量，将所述无量纲变量代入所述控制方程，获得电容去离子脱盐过程的无量纲控制方程；
10.s3：基于相似原理对所述无量纲控制方程进行分析，获得电容去离子脱盐过程的无量纲数，对所述无量纲数进行归类，以对所述多物理参数进行统一；
11.s4：定义无量纲单位面积盐吸附量以表征多物理参数统一后电容去离子的盐吸附性能，并与多物理参数统一前的有量纲单位面积盐吸附量进行对比，以证实所获得无量纲数的有效性；
12.s5：根据所述无量纲数的数值大小确定电容去离子脱盐性能的各主导因素，并确定电容去离子脱盐性能的评价指标；
13.s6：根据实际物理情况，为所述各主导因素选取参数变化范围作为其变化水平；
14.s7：基于所确定的各主导因素及其变化水平进行正交实验设计；
15.s8：计算所确定的电容去离子脱盐性能的评价指标的信噪比及各主导因素的贡献率对各主导因素进行主导性评估。
16.进一步地，步骤s1中，所述电容去离子过程的多物理参数包括物性参数、工况参数、几何参数和基本物理常数，具体如下：
17.物性参数包括：介电常数ε、密度ρ、扩散系数di(i＝1表示阳离子，i＝2表示阴离子)、动力粘度μ，离子电价zi；
18.工况参数包括：电极电势初始浓度c0、初始速度uc、温度t、吸附平衡时间tc；
19.几何参数包括：电极计算区域长度l、电极平均孔径d；
20.基本物理常数包括：法拉第常数f、通用气体常数r。
21.进一步地，步骤s1中，所述电容去离子过程的控制方程包括：
22.能斯特-普朗特方程：
23.泊松方程：
24.连续性方程：
25.纳维-斯托克斯方程：
26.其中，为偏微分算子，c为浓度，t为时间，ε为介电常数，为电势，f为法拉第常数，z为价电荷数，下标i为第i种离子，u为速度，d为扩散系数，r为通用气体常数，t为温度，p为压力，μ为粘度系数，ρ为密度。
27.进一步地，步骤s2中，所述无量纲变量表示为：
[0028][0029]
其中，x和x
*
分别表示有量纲和无量纲的水平坐标，y和y
*
分别表示有量纲和无量纲的竖直坐标，t和t
*
分别表示有量纲和无量纲时间，ci和分别表示有量纲和无量纲的离子浓度，和分别表示水平和竖直方向的有量纲电势，和分别表示水平和竖直方向的无量纲电势，u
*
表示无量纲速度，p和p
*
分别表示有量纲和无量纲压力。
[0030]
进一步地，步骤s2中，所述电容去离子脱盐过程的无量纲控制方程包括：
[0031]
描述阳离子的无量纲化能斯特-普朗特方程：
[0032][0033]
描述阴离子的无量纲化能斯特-普朗特方程：
[0034][0035]
无量纲化泊松方程：
[0036]
无量纲化连续性方程：
[0037]
无量纲化纳维-斯托克斯方程：
[0038][0039]
其中，为偏微分算子，上标*表示无量纲量，下标1表示第一种离子即阳离子，下标2表示第二种离子即阴离子，c为浓度，t为时间，ε为介电常数，为电势，f为法拉第常数，z为价电荷数，下标i为第i种离子，u为速度，d为扩散系数，r为通用气体常数，t为温度，p为压力，μ为粘度系数，ρ为密度，d为电极平均孔径，uc为初始速度，l为电极计算区域长度。
[0040]
进一步地，步骤s3中，所述基于相似原理对无量纲控制方程进行分析所得的无量纲数有八个，所述无量纲数总结为四类，包括：
[0041]
离子吸附特性：π2＝l/d
[0042]
离子输运特性：π3＝ucl/d1，π4＝d1/d2，
[0043]
离子迁移驱动力：π6＝ρucd/μ，
[0044]
离子吸附平衡时间：π8＝tcuc/d
[0045]
其中，表征离子去除能力，π2＝l/d表征电极计算区域长度与平均孔径之比，π3＝ucl/d1表征离子对流与扩散之比，π4＝d1/d2表征阳离子扩散系数与阴离子扩散系数之比，表征离子电迁移与扩散之比，π6＝ρucd/μ表征惯性力与粘性力之比，表征电场力与粘性力之比，π8＝tcuc/d表征离子瞬态吸附时间。
[0046]
进一步地，步骤s4中，所述无量纲单位面积盐吸附量表示为：
[0047][0048]
其中，uc为初始速度，c0为初始浓度，q为有量纲单位面积盐吸附量，d0为面外厚度，tc为吸附平衡时间。
[0049]
进一步地，步骤s5中，所述电容去离子脱盐性能的主导因素包括：初始浓度c0、电极电势初始速度uc和阳离子扩散系数d1，每个主导因素分别选取四个变化值，设计四因素四水平的正交实验。
[0050]
进一步地，步骤s5中，所述电容去离子脱盐性能的评价指标包括：单位面积盐吸附量、平均盐去除速率和去除率。
[0051]
进一步地，步骤s8中，所述电容去离子脱盐性能的评价指标的信噪比的表达式为：
[0052]
snr
lb
＝-101g(sum(1/y2)/n)
[0053]
其中，y表示评价指标的值，n表示重复实验的次数；
[0054]
平均信噪比表达式为：
[0055][0056]
其中，i表示所研究主导因素，j表示影响因子的不同水平，k表示1到n，n表示正交实验中影响因子和水平出现的次数；
[0057]
各评价指标不同水平下平均信噪比的极差表达式为：
[0058]ri
＝max(snr
avg
(i，j))-min(snr
avg
(i，j))
[0059]
其中，i表示所研究主导因素，j表示影响因子的不同水平；
[0060]
所述各主导因素的贡献率的表达式为：
[0061][0062]
其中，i表示所研究主导因素，m表示主导因素的个数，ri表示各评价指标不同水平下平均信噪比的极差。
[0063]
进一步地，所述的影响电容去离子脱盐性能的主导因素排序为：
[0064]
对于单位面积盐吸附量和平均盐去除速率：对于单位面积盐吸附量和平均盐去除速率：对于去除率：对于去除率：
[0065]
所述的电容去离子脱盐过程的多物理参数统一与主导性评估方法，其中，无量纲数相同的电容去离子过程具有相似性，分析单一的电容去离子过程可以得到统一的离子输运规律，从而指导电容去离子实验，在减轻实验负担的同时提升其脱盐性能。
[0066]
与现有技术相比，本发明带来的有益效果为：
[0067]
本发明基于相似原理进行方程分析得到了电容去离子过程的无量纲数，所获得的无量纲数有效统一了电容去离子过程的多物理参数，通过分析单一的物理过程即可得到其他相似物理过程的离子输运机制，能够为电容去离子脱盐性能的优化提供依据，从而指导电容去离子过程的实验安排和数据整理，大大减轻实验负担。基于参数敏感性分析明确了影响电容去离子单位面积盐吸附量、平均盐去除速率以及去除率的主导因素排序，全方位分析了各影响因素对电容去离子脱盐性能的影响程度，为后续实验研究提供理论指导。
附图说明
[0068]
图1是本发明提供的一种电容去离子脱盐过程的多物理参数统一与主导性评估方法的流程图；
[0069]
图2是本发明实施例提供的电容去离子过程中不同工况下的有量纲单位面积盐吸附量及其相对偏差的示意图；
[0070]
图3是本发明实施例提供的电容去离子过程中不同工况下的无量纲单位面积盐吸
附量及其相对误差的示意图。
具体实施方式
[0071]
下面将参照附图1至图3详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0072]
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0073]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
[0074]
一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种电容去离子脱盐过程的多物理参数统一与主导性评估方法，所述方法利用相似原理进行方程分析以统一多物理参数，并利用参数敏感性分析以明确影响电容去离子脱盐性能的多物理参数主导性排序，包括如下步骤：
[0075]
s1：确定电容去离子过程的多物理参数，所述多物理参数具体如下所示：
[0076]
物性参数：介电常数ε、密度ρ、扩散系数di(i＝1表示阳离子，i＝2表示阴离子)、动力粘度μ，离子电价zi；工况参数：电极电势初始浓度c0、初始速度uc、温度t、吸附平衡时间tc；几何参数：电极计算区域长度l、电极平均孔径d；基本物理常数：法拉第常数f、通用气体常数r。
[0077]
确定的电容去离子过程的控制方程如下：
[0078]
能斯特-普朗特方程：
[0079]
泊松方程：
[0080]
连续性方程：
[0081]
纳维-斯托克斯方程：
[0082]
其中，为偏微分算子，c为浓度，t为时间，ε为介电常数，为电势，f为法拉第常数，z为价电荷数，下标i为第i种离子，u为速度，d为扩散系数，r为通用气体常数，t为温度，p为压力，μ为粘度系数，ρ为密度。
[0083]
s2：定义无量纲变量：
其中，x和x
*
分别表示有量纲和无量纲的水平坐标，y和y
*
分别表示有量纲和无量纲的竖直坐标，t和t
*
分别表示有量纲和无量纲时间，ci和分别表示有量纲和无量纲的离子浓度，和分别表示水平和竖直方向的有量纲电势，和分别表示水平和竖直方向的无量纲电势，u
*
表示无量纲速度，p和p
*
分别表示有量纲和无量纲压力。
[0084]
将定义的无量纲变量带入控制方程，获得电容去离子脱盐过程的无量纲控制方程，如下所示：
[0085]
描述阳离子的无量纲化能斯特-普朗特方程：
[0086][0087]
描述阴离子的无量纲化能斯特-普朗特方程：
[0088][0089]
无量纲化泊松方程：
[0090]
无量纲化连续性方程：
[0091]
无量纲化纳维-斯托克斯方程：
[0092][0093]
其中，为偏微分算子，上标*表示无量纲量，下标1表示第一种离子即阳离子，下标2表示第二种离子即阴离子，c为浓度，t为时间，ε为介电常数，为电势，f为法拉第常数，z为价电荷数，下标i为第i种离子，u为速度，d为扩散系数，r为通用气体常数，t为温度，p为压力，μ为粘度系数，ρ为密度，d为电极平均孔径，uc为初始速度，l为电极计算区域长度。
[0094]
s3：基于相似原理对所述无量纲控制方程进行分析，获得八个控制电容去离子过程的无量纲数，具体可以总结为四类：
[0095]
离子吸附特性：π2＝l/d
[0096]
离子输运特性：π3＝ucl/d1，π4＝d1/d2，
[0097]
离子迁移驱动力：π6＝ρucd/μ，
[0098]
离子吸附平衡时间：π8＝tcuc/d
[0099]
其中，各无量纲数的物理意义为：表征离子去除能力，π2＝l/d表征电极计算区域长度与平均孔径之比，π3＝ucl/d1表示离子对流与扩散之比，π4＝d1/d2表征阳离子扩散系数与阴离子扩散系数之比，表征离子电迁移与扩散
之比，π6＝ρucd/μ表征惯性力与粘性力之比，表征电场力与粘性力之比，π8＝tcuc/d表征离子瞬态吸附时间。
[0100]
s4：定义无量纲单位面积盐吸附量以表征多物理参数统一后电容去离子的盐吸附性能，并与多物理参数统一前的有量纲单位面积盐吸附量q进行对比，以证实所获得无量纲数的有效性；
[0101]
表1选取了九个有量纲参数组合不同而无量纲数一致的工况，对其有量纲和无量纲单位面积盐吸附量进行比较，证实无量纲数的有效性。表1为工况1各参数具体数值以及工况2～工况9各参数基于工况1的变化倍数。
[0102]
表1无量纲数有效性验证参数条件
[0103][0104]
吸附平衡后，不同工况下的有量纲单位面积盐吸附量如图2所示，九个工况的有量纲单位面积盐吸附量是不一致的，其中工况4和工况1的相对偏差最大，可达100％。如图3所示，九个工况的无量纲单位面积盐吸附量保持一致，相对误差仅在-0.3％～0.04％。对比图2和图3可得，无量纲数相同的电容去离子过程具有相似性，其无量纲单位面积盐吸附量相等。所获得的无量纲数可有效地统一电容去离子中的相似物理过程从而实现多物理参数的统一，例如，对于任意不同物理参数组合的工况1和工况2，当其无量纲数保持一致时，则有：
[0105]
[0106]
当无量纲数相同时，分析单一的电容去离子过程可以得到统一的离子输运规律，从而指导电容去离子实验，在减轻实验负担的同时提升其脱盐性能。
[0107]
s5：根据无量纲数的数值大小确定电容去离子脱盐性能的各主导因素，表2为各无量纲数的具体数值，其中，由于ucl/d1、ρucd/μ和的绝对值较小，可以忽略，根据实际物理情况，从剩余无量纲数所涉及的物理参数中选择初始浓度c0、电极电势初始速度uc以及阳离子扩散系数d1作为参数敏感性分析的四个主导因素；确定单位面积盐吸附量、平均盐去除速率以及去除率作为评价电容去离子脱盐性能的三个指标。
[0108]
表2工况1-9中八个无量纲数的具体数值
[0109][0110]
s6：根据实际物理情况，每个主导因素分别选取四个变化值作为各主导因素的变化水平，如下表所示：
[0111]
表3电容去离子各主导因素变化水平
[0112][0113]
s7：基于所述确定的主导因素及表3中主导因素的变化水平，设计四因素四水平的正交实验，如下表所示：
[0114]
表4正交实验表
[0115][0116]
s8：计算所确定的各评价指标的信噪比及各主导因素的贡献率，并根据贡献率对各主导因素进行主导性评估。
[0117]
该步骤中，电容去离子脱盐性能的评价指标的信噪比的表达式为：
[0118]
snr
lb
＝-10lg(sum(1/y2)/n)
[0119]
其中，y表示评价指标的值，n表示重复实验的次数；
[0120]
平均信噪比表达式为：
[0121][0122]
其中，i表示所研究主导因素，j表示影响因子的不同水平，k表示1到n，n表示正交实验中影响因子和水平出现的次数；
[0123]
各评价指标不同水平下平均信噪比的极差表达式为：
[0124]ri
＝max(snr
avg
(i，j))-min(snr
avg
(i，j))
[0125]
其中，i表示所研究主导因素，j表示影响因子的不同水平；
[0126]
所述各主导因素的贡献率的表达式为：
[0127][0128]
其中，i表示所研究主导因素，m表示主导因素的个数，ri表示各评价指标不同水平下平均信噪比的极差。
[0129]
各主导因素对三个评价指标的贡献率具体如表5所示：
[0130]
表5各主导因素对电容去离子脱盐性能贡献率
[0131][0132]
通过表5可以得到：对于单位面积盐吸附量和平均盐去除速率，各主导因素的贡献率排序为：率排序为：对于去除率，各主导因素的贡献率排序为：
[0133]
本发明基于相似原理进行方程分析得到的无量纲数有效统一了电容去离子过程中的多物理参数，实现了电容去离子过程中离子输运机制的统一认知。参数敏感性分析明确了电容去离子脱盐性能的主导因素排序。因此，所述的电容去离子脱盐过程的多物理参数统一与主导性评估方法可以有效指导电容去离子过程的实验安排和数据整理，大大减轻实验负担，提高脱盐性能。
[0134]
以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本技术为必须采用上述具体的细节来实现。