虽然反向电透析（红色）是可再生能源的有前途的来源，但它可能是一个具有挑战性的分析过程。红色单元的性能受到将盐度梯度能量转化为电流的物理现象的影响。为了解决这个问题，一支研究人员使用一种新颖的方法来对ComsolMultiphysics®软件中的此类系统进行建模。他们的多物理模型和随后的仿真研究为设计和优化红色单元提供了进一步的见解。
盐度梯度作为可再生资源
现在，太阳能和生物燃料等可再生能源比以往任何时候都更加有助于满足世界能源需求。根据国际能源机构2012年，全球近13.2％的能源消耗来自可再生能源。此外，2013年，全球发电的能源中约有22％来自可再生资源 - 截至2020年，这一比例可能会增加4％。这种增长的需求也促使人们需要确定更多可再生能源的来源。作为优化获得它的方法。
生物燃料（左）和太阳能（右）是可再生能源的两个来源。左：爱达荷州国家实验室的图像。获得许可CC由2.0， 通过Flickr Creative Commons。右：Minoru Karamatsu的图像。获得许可CC由2.0， 通过Flickr Creative Commons。
一种显示潜力的能源是盐度梯度。盐度梯度能力， 也被称为渗透力，是指通过渗透提取的能量。这是导致水自发流经可渗透性膜的能量，使两侧的溶液浓度均衡。由于自然发生的过程，盐水和淡水是具有不同盐浓度的盐溶液，这意味着可以通过随时可用的可再生能源产生盐度梯度能力。盐度梯度功率具有释放零CO的额外好处2排放。它也不会产生有毒或污染的废物，而只会产生咸水。
但是我们如何利用这种力量？我们将在此处讨论的一种方法是反向电透析。
反向电透析利用盐度梯度的力量
在渗透中，水在有选择的渗透膜上移动。提取相同能量的另一种方法是使用不渗透水的离子交换膜，但允许离子移动。反向电透析（红色）是使用离子交换膜的盐度梯度能量提取系统。
要了解红色，请将其视为创建盐电池。淡水和盐水溶液通过一堆细胞，它们在离子交换膜之间交替（阳离子选择性和阴离子选择性）。两种溶液之间的浓度差会导致每个膜的电压，这是由于均衡浓度的驱动力。正如可以将电池串联链接以组合电压一样，单个膜电压的总和也可以从红色系统中获得总电压。
红色过程。G. Battaglia，L。Gurreri，F。Santoro，A。Cipollina，A。Tamburini，G。Micale和M. Ciofalo的图像乐动滚球app下载Comsol会议2016慕尼黑演讲。
红色过程包括多种物理学，从流体动力学到电化学转运现象。分析此过程可能很困难，因为它需要具有功能和功能的工具来结合这些不同的元素。为了应对这一挑战，意大利巴勒莫大学的一群研究人员使用一种新颖的方法来建模红色过程，转向了Comsol多物理学。
设计多物理模型来分析反向电透析单元
为了分析，研究人员在堆栈中创建了一个单位单元对（单元对）的2D模型，该模型由：
- 两个半大动物交换膜（AEM），因为单位电池在阴离子交换膜的中间分开
- 浓缩流动室
- 阳离子交换膜（CEM）
- 稀释流室
下面的示意图显示了单元对的配置，其中包括各个测量值。请注意，使用1.2 mm的单元对截面长度来限制计算负载。
计算域。G. Battaglia，L。Gurreri，F。Santoro，A。Cipollina，A。Tamburini，G。Micale和M. Ciofalo的图像，并从他们的Comsol 2016慕尼黑介绍中获取。乐动滚球app下载
研究人员将入口速度设置为0.3至5 cm/s，而出口压力为1个atm。对于入口浓度，他们将两个通道定义为含有氯化钠溶液（NACL）。将浓缩液通道设置为4 M NaCl，而稀释通道在0.005至0.5 m NaCl之间。这些浓度为功率输出提供了理想的条件，利用浓缩的盐水（例如咸湖）或封闭环中的封闭环，通过从50ºC和100ºC之间的低级热量（例如，使用太阳能）中的低级热量蒸发来再生浓缩溶液。
将膜建模为均质和各向同性电解质，没有流体流动。请注意，由于很少有直接测量值可用，因此研究人员使用实验数据来获得膜的离子扩散性和迁移率。他们还使用实验数据来定义膜中固定电荷的浓度。为了说明离子和浓缩室之间接口处的电压损耗，研究人员添加了一个用户定义的Donnan方程，该方程描述了双层膜电位的贡献。
分析中使用了四种不同的细胞配置来评估典型的通道设计。通常，出于结构原因，这些可能包括垫片。配置是：
- 空通道
- 非导导式圆形垫片
- 非导电方形垫片
- 介绍了膜
研究中使用的不同类型的细胞几何形状。请注意，前三个包括一个平坦的膜。G. Battaglia，L。Gurreri，F。Santoro，A。Cipollina，A。Tamburini，G。Micale和M. Ciofalo的图像乐动滚球app下载Comsol会议2016慕尼黑论文。
评估comsolMultiphysics®中的仿真结果
所有模拟均在稳态条件下在20ºC的温度下进行。解决方案步骤如下：
- 解决系统的流体动力学
- 解决系统内发生的电化学运输
- 使用先前的解决方案作为输入，一起解决这两种物理
流体动力学
首先，请查看不同几何配置的速度图图，其中使用1 cm/s的入口速度。与空通道相比，障碍物的存在导致流通过细胞改变方向，以局部加速流速并增加向膜表面的质量转移。借助剖面的膜，离子交换膜的接触面积更多。但是，对于障碍物的通道也将有更多的阻力，因此预计会有更大的压降。
不同几何配置的速度图图。G. Battaglia，L。Gurreri，F。Santoro，A。Cipollina，A。Tamburini，G。Micale和M. Ciofalo的图像，并从他们的Comsol Conferencol 2016 Munich Paper中乐动滚球app下载获取。
电化学运输现象
下一个图描绘了带有空通道的单元对的浓度曲线。在这里，膜分别以0.5 m和4 m的溶液为1 cm/s。在溶液中，钠离子的浓度（Na+）和氯离子（CI-）等于满足整体电压。但是，在膜中，它们的不同数量等于固定电荷的浓度。
带有空通道的单元对的浓度轮廓。G. Battaglia，L。Gurreri，F。Santoro，A。Cipollina，A。Tamburini，G。Micale和M. Ciofalo的图像，并从他们的Comsol Conferencol 2016 Munich Paper中乐动滚球app下载获取。
以下图显示了各种外部载荷处的膜电位轮廓。在开路时，电池显示最大电压（从右到左的电势差最大）。从上面的结果来看，我们看到流体结构域内部的浓度极化现象，由于浓度差异导致扩散发生，这导致了细胞上的电压。由于没有电流循环，因此不会发生电压损耗。
另一方面，当电路关闭时会发生损失。在这种情况下，电流通过堆栈绘制，并通过离子通过溶液和膜携带。膜附近溶液边界层的扩散通量可确保电场的平衡，但也引入了降低膜电位的扩散损失。在短路的情况下，这些损失是最大的（“捷径”），当电池上的电压为零时。
用于不同电路条件的空通道的单元对的潜在轮廓。G. Battaglia，L。Gurreri，F。Santoro，A。Cipollina，A。Tamburini，G。Micale和M. Ciofalo的图像，并从他们的Comsol Conferencol 2016 Munich Paper中乐动滚球app下载获取。
从上面的图中，我们还可以看到膜内欧姆电阻的明显下降，不太值得注意的是0.5 m稀释溶液。膜中的电压降量最大，因为它们的电导率低于盐溶液。相比之下，在高导电4 m浓缩液中，电压降可忽略不计。
另一个有趣的观察结果是，电导率对更复杂的几何形状（例如构造膜的情况）的当前密度曲线的影响。当前的密度喜欢采用最小电阻的路径，这基本上是通过膜剖面之间而不是通过膜之间的较高导电浓缩溶液，从而导致细胞部分的缺乏利用。当稀释溶液中的浓度和电导率增加时，这变得更加明显。
带有剖面膜的细胞对的电流密度分布。比较左侧（低导电溶液）的膜中的密度流简化与右侧膜电流密度（高导电溶液）。G. Battaglia，L。Gurreri，F。Santoro，A。Cipollina，A。Tamburini，G。Micale和M. Ciofalo的图像，并从他们的Comsol Conferencol 2016 Munich Paper中乐动滚球app下载获取。
敏感性分析
接下来，让我们看一下灵敏度分析的结果，以了解膜/通道构型如何影响净功率密度。下面的图描述了细胞对的总体电阻，以实现不同的稀释浓度和膜/通道构型。
各种稀释剂和膜/通道构型的细胞对电阻。G. Battaglia，L。Gurreri，F。Santoro，A。Cipollina，A。Tamburini，G。Micale和M. Ciofalo的图像，并从他们的Comsol Conferencol 2016 Munich Paper中乐动滚球app下载获取。
结果表明，随着稀浓度的增加，细胞对抗性会降低。这可以归因于这些解决方案的较高电导率。最低电阻是在较高浓度下的空通道配置给出的，而在所有情况下，非导电间隔仪给出了最高的电阻。只有当稀浓浓缩物小于或等于0.01 m时，膜有效；空通道在更有导电的解决方案中表现更好。
在下面的图中，我们看到了不同构型和稀释浓度的净功率密度。这考虑了电池传递的功率密度和泵送流量的功率成本，因此阻碍流动的成本增加了过程。剖面的膜达到最高的净功率密度，约为4.4 W/m2对于0.01M的稀溶液，用垫片（尤其是平方）的构型具有更大的流动性和压降，从而导致净功率密度较低。对于稀释浓度小于或等于0.01 m，剖面膜相对于空通道提高了过程性能。
各种稀释剂和膜/通道配置的最大净功率密度。G. Battaglia，L。Gurreri，F。Santoro，A。Cipollina，A。Tamburini，G。Micale和M. Ciofalo的图像，并从他们的Comsol Conferencol 2016 Munich Paper中乐动滚球app下载获取。
通过显示功率密度作为配置的函数，以上结果可帮助设计人员确定其通道的最佳组件，几何形状和条件。没有模拟的使用，此类结论并不一定是如此明显。
仿真有助于提高红色单元的设计和性能
为了使红色工艺成为获得可再生能源的一种更有效的手段，重要的是，我们必须具有精确性进行复杂分析的工具。正如这里提出的那样，Comsol Multiphysics是一种通过提供全面的功能来解决多物理问题来应对这一挑战的工具。
了解有关使用模拟研究可再生能源的更多信息
- 阅读2016年Comsol会乐动滚球app下载议的完整论文：“”通过多物理建模研究反向电透析单元“
- 请参阅模拟的其他用途来推进可再生能源过程：
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