مدل‌سازي رياضي سامانه‌ي تركيبي الكترودياليز، باتري آلومنيوم ـ هوا و فتوسنتز ريزجلبك به‌منظور نمك‌زدايي از آب لب‌شور

مقطع تحصيلي

دكتري

رشته تحصيلي

مهندسي شيمي

دانشكده

فني و مهندسي

تاريخ دفاع

1404/12/22

صفحه شمار

197 ص.

استاد راهنما

محمدصادق حاتمي پور , امير رحيمي

استاد مشاور

محسن خسروي , مليحه براهويي

كليدواژه فارسي

نمك زدايي , الكترودياليز , فتوسنتز ريزجلبك , باتري آلومنيوم - هوا , مدل سازي رياضي

چكيده فارسي

با توجه به كاهش دسترسي به منابع آب شيرين و رشد روزافزون تقاضاي جهاني، توسعه‌ي فناوري‌هاي الكتروشيميايي توليد توان براي نمك‌زدايي آب از اهميت ويژه‌اي برخوردار شده است. در اين راستا سلول نمك‌زدايي فتوسنتزي شيميايي به‌عنوان رويكردي نوآورانه مطرح شده است كه با تركيب اكسايش آلومينيوم در آند و احياي اكسيژن توليدي از فتوسنتز ريزجلبك‌ها در بايوكاتد، امكان نمك‌زدايي هم‌زمان با توليد انرژي الكتريكي را فراهم مي‌سازد. در اين پژوهش، يك چارچوب جامع مدل‌سازي براي تحليل و بهينه‌سازي سامانه‌ي نمك‌زدايي فتوسنتزي شيميايي توسعه داده شد. در رويكرد نخست، يك مدل دوبعدي گذرا براي محفظه‌ي نمك‌زدايي و مخزن بازچرخشي آن در محيط نرم‌افزار متلب پياده‌سازي گرديد. معادلات نرنست ـ پلانك براي انتقال گونه‌هاي يوني استخراج و با روش‌هاي عددي ضمني حل و سپس با داده‌هاي تجربي از پژوهشي ديگر اعتبارسنجي گرديد. تطابق مناسب پروفايل زماني و مكاني غلظت يون‌هاي سديم و كلر و راندمان حذف شوري، دقت پيش‌بيني مدل را با خطاي نسبي 10% تأييد مي‌كند. آزمون تحليل حساسيت براي متغير‌هاي كليدي نظير ارتفاع سلول، دبي جريان خوراك و فاصله‌ي بين دو غشا انجام شد. افزايش دبي ورودي تا 1/0 ميلي‌ليتر بر دقيقه اثر غالب بر بهبود عملكرد دارد و راندمان حذف شوري را تا حدود 60% افزايش مي‌دهد؛ در دبي‌هاي بالاتر، اثرات انتقال جرم تضعيف و رفتار هيدروديناميكي غالب و بهبود عملكرد ناچيز مي‌گردد. افزايش ارتفاع سلول نيز نتيجه‌ي مشابهي در پي دارد. فاصله‌ي بين‌غشايي مهم‌ترين متغير كنترلي است؛ به‌طوري‌كه افزايش 5 برابري آن به‌شدت عملكرد را تضعيف كرده و كاهش حدود 90% راندمان حذف شوري را به‌دنبال دارد. ضرايب انتقال جرم مؤثر براي يون‌هاي سديم و كلر با روش بهينه‌سازي محاسبه گرديد و براساس آن همبستگي شروود ـ رينولدز به‌صورت Sh = 1.6952 Re0.3478 براي كلريد و Sh = 0.98 Re0.1513 براي سديم به دست آمد. در رويكرد دوم، يك مدل جامع دوبعدي گذرا از كل سامانه‌ي سه‌محفظه‌اي در محيط نرم‌افزار كامسول توسعه داده شد كه توزيع مكاني غلظت، پتانسيل الكتريكي، چگالي جريان و شارهاي نفوذي و مهاجرتي را به‌صورت جفت‌شده توصيف مي‌كند. دو سطح مدل‌سازي شامل درنظرگرفتن غشاها به‌صورت مرز نازك و به‌صورت دامنه‌ي مستقل پياده‌سازي شد. اعتبارسنجي با نتايج تجربي نشان داد خطاي نسبي متوسط براي غلظت خروجي 4.8 درصد و براي جريان الكتريكي 0.33 درصد بوده و مدل از دقت خوبي برخوردار است. نتايج نشان داد كه در هر دو سطح مدل‌سازي، پديده‌هاي انتقال جرم و بار به‌طور قوي با يكديگر جفت بوده و رفتار سامانه به‌شدت تحت تأثير قطبش غلظتي قرار دارد. در رويكرد مرزي، تشكيل لايه‌هاي مرزي در مجاورت غشاها و غلبه‌ي مؤلفه مهاجرتي در نواحي مركزي، به‌عنوان سازوكارهاي غالب انتقال يوني شناسايي شد، درحالي‌كه در رويكرد دامنه، لحاظ كردن جريان حدي امكان بازتوليد گذار از كنترل سينتيكي به نفوذي و بهبود انطباق با داده‌هاي تجربي را فراهم كرد. علاوه بر اين، بررسي شرايط جريان حدي نشان داد كه سامانه پس از حدود 7 تا 8 روز به حالت شبه‌پايدار نزديك شده و نرخ نمك‌زدايي ثابت مي‌ماند كه ناشي از محدوديت‌هاي انتقال جرم و تشديد قطبش غلظتي است. تحليل‌ها همچنين نشان داد كه گرفتگي يك غشا مي‌تواند به‌صورت غيرمستقيم از طريق بازتوزيع ميدان الكتريكي، عملكرد غشاي ديگر را تحت تأثير قرار دهد. از منظر عملياتي، افزايش ولتاژ به‌رغم تقويت جريان، به‌دليل تشديد قطبش غلظتي كارايي نمك‌زدايي را كاهش مي‌دهد، درحالي‌كه بهينه‌سازي دبي، فاصله‌ي بين‌غشايي و غلظت خوراك نقش كليدي در كنترل مقاومت اهمي و شدت انتقال جرم دارد. در مجموع، مدل توسعه‌يافته قادر است به‌صورت كمي رفتار سامانه را پيش‌بيني كرده و نشان مي‌دهد كه دستيابي به عملكرد بهينه، مستلزم كنترل هم‌زمان متغير‌هاي هيدروديناميكي، الكتريكي و غلظتي است.

كليدواژه لاتين

Desalination , Electrodialysis , Microalgal Photosynthesis , Aluminum–Air Battery , Mathematical Modeling.

عنوان لاتين

Mathematical Modeling of a Hybrid System of Electrodialysis, Aluminum–Air Battery, an‎d Microalgal Photosynthesis for Brackish Water Desalination

گروه آموزشي

مهندسي شيمي

چكيده لاتين

With the growing scarcity of freshwater resources an‎d the continuous rise in global deman‎d, the development of sustainable electrochemical technologies for water desalination has gained significant importance. In this context, the photosynthetic chemical desalination cell (CPDC) has emerged as an innovative approach that enables simultaneous desalination an‎d electricity generation by coupling aluminum oxidation at the anode with oxygen reduction at a biocathode, where oxygen is produced via microalgae photosynthesis. In this study, a comprehensive modeling framework was developed to analyze an‎d optimize the CPDC system. In the first approach, a two-dimensional transient model of the desalination chamber an‎d its recirculation tank was implemented in MATLAB. The Nernst–Planck equations governing ionic transport were formulated an‎d solved using implicit numerical schemes, an‎d subsequently validated against experimental data. The model demonstrated satisfactory agreement with experimental observations, with a relative error of approximately 10% in predicting sodium an‎d chloride concentration profiles an‎d salt removal efficiency. A sensitivity analysis was conducted on key design an‎d operating parameters, including cell height, inlet flow rate, an‎d intermembrane distance. Increasing the inlet flow rate up to 0.1 mL/min had a dominant positive effect, improving salt removal efficiency by approximately 60%. At higher flow rates, mass transfer limitations diminished an‎d hydrodynamic effects became dominant, resulting in only marginal performance improvement. A similar trend was observed for cell height. In contrast, the intermembrane distance was identified as the most critical control parameter, where a fivefold increase led to a drastic performance decline, reducing salt removal efficiency by nearly 90%. Effective mass transfer coefficients for sodium an‎d chloride ions were obtained via optimization, yielding Sherwood–Reynolds correlations of Sh = 1.6952 Re0.3478 for chloride an‎d Sh = 0.98 Re0.1513 for sodium. In the second approach, a comprehensive two-dimensional transient model of the entire three-chamber system was developed in COMSOL Multiphysics, capturing the coupled spatial distributions of ion concentration, electric potential, current density, an‎d diffusive an‎d migrative fluxes. Two modeling strategies were implemented: treating membranes as thin interfaces an‎d as finite domains. Model validation against experimental data showed strong agreement, with mean relative errors of 4.8% for outlet concentration an‎d 0.33% for electric current. The results revealed a strong coupling between mass an‎d charge transport phenomena, with system behavior significantly influenced by concentration polarization. In the interface-based model, the formation of concentration boundary layers near membranes an‎d the dominance of migration in the bulk region were identified as the primary transport mechanisms. In the domain-based model, incorporating limiting current conditions enabled accurate representation of the transition from kinetic to diffusion-controlled regimes an‎d improved agreement with experimental data.

تعداد فصل ها

فهرست مطالب pdf

167011

نويسنده

كوراوندتخت سبزي، سارا

لينک به اين مدرک

https://lib.ui.ac.ir/dl/search/default.aspx?Term=26087&Field=0&DTC=3