基于纳米孔渗透回收盐度梯度能量发电可行性研究丨Engineering
基于纳米孔渗透回收盐度梯度能量发电可行性研究丨Engineering
engineering2015
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引言
随着具有离子选择性纳米通道的新型材料的研发，一种获取盐度梯度（蓝色）能量的新技术被提出，即纳米孔发电机（NPG）。在本研究中，美国耶鲁大学的Menachem Elimelech等研究人员对膜片尺度和组件尺度的NPG运行的实际性能进行了全面分析。研究结果表明，虽然NPG膜片可以在理想条件下产生超高的功率密度，但由于浓度极化效应，实际运行中NPG膜片上产生的功率密度很难达到10 W·m −2 。对于组件尺度的NPG运行，研究人员估算了功率密度和可提取比能（即使用单位总体积工作溶液可产生的能量），并基于浓度极化与高浓度溶液和低浓度溶液的混合程度之间的相互作用，阐明运行条件对这两个指标的影响。此外，研究人员还开发了一个用来评估NPG系统可行性的模型框架。研究结果表明，对于使用海水与河水的NPG系统，总可提取比能非常低（约0.1 kW·h·m −3 ），且受到系统运行能耗的影响（特别是海水和河水溶液的汲取与预处理能耗）。总的来说，NPG系统产生的净可提取比能（< 0.025 kW·h·m −3 ）和净功率密度（< 0.1 W·m −2 ）非常低。因此，美国耶鲁大学的Menachem Elimelech等研究人员的研究重点指出了NPG在现实运行中存在极大的局限性，进而对NPG作为一种蓝色能量收集技术的可行性提出了质疑。
为了满足全球能源需求的快速增长，减轻化石燃料燃烧对环境的影响，使用替代能源生产可持续能源变得至关重要。 作为一种有潜力的能源，盐度梯度能量（通常又称为蓝色能量）在过去的几十年里已经得到了广泛的研究。这种蓝色能量本质上是两种具有不同盐度的溶液（如海水和河水）混合后释放出的自由能。据粗略估算， 海水和河水混合的全球功率在理论上可达2 TW，约为目前全球能耗的10% 。
目前已经开发出了几种用来收集蓝色能量的工程系统。迄今为止，被研究得最多的系统是 缓压渗透（PRO） ，它首先使用半透膜将蓝色能量转化为机械能，然后使用水轮机将其转化为电能。另一个已被充分研究的系统是 反向电渗析（RED） ，电能直接从离子交换膜的盐度梯度中产生。然而，到目前为止， PRO和RED的实际应用都受到了限制，主要是由于现实应用中的系统规模远远超出了实验室研究中的膜片大小，从而导致了低功率密度。 第一个大规模PRO发电厂通过混合海水和河水实现，其功率密度约为3 W·m −2 ；而一个使用浓盐水和苦咸水的中试RED发电厂的功率密度仅为1.6 W·m −2 。重要的是，除了低功率密度外， PRO和RED的可行性也受到了质疑，因为二者可产生的能量通常较低，并且在实际运行中还存在着显著的运行能耗。
最近，具有离子选择性纳米通道的新型材料被提出用来获取蓝色能量。这些材料，通常被称为 纳米孔发电机（NPG），被证实在单个纳米孔条件下有着超高功率密度，有望突破PRO和RED运行中低功率密度的限制 。 然而，到目前为止，所有关于NPG的研究都局限于在理想条件下使用单纳米孔或小型膜片进行的小尺度实验。在实际应用中， NPG膜片的性能在很大程度上受到实际运行条件，如溶液的流体动力学和电阻的影响 。
此外，与PRO和RED一样，NPG膜片的成功演示并不能保证大规模NPG系统实际实施的可行性，因为运行所需的能耗（如工作溶液的预处理和NPG模块的摩擦损耗）可能超过系统产生的能量。为了评估大规模NPG系统的实际可行性，必须研究具有现实运行和约束条件下组件尺度NPG的性能 （图1） 。此外，还有必要分析大规模系统在实际运行条件下的可提取能量效率。因此， 美国耶鲁大学的Menachem Elimelech等研究人员系统评估了NPG从盐度梯度中获取蓝色能量的实际可行性，并对膜片尺度以及组件尺度的NPG运行效果都进行了彻底的研究 。
图1. 考虑实际存在的运行能耗的组件尺度NPG系统的性能。（a）在具有不同组件尺寸（或膜面积）的NPG系统中，净可提取比能计算的图解。黑色的曲线表示总的可提取比能SEE gross 。净可提取比能SEE net （红色区域）是通过从SEE gross 中减去溶液的预处理能耗（绿色区域）和组件中的压降损失（蓝色区域）获得的。灰色区域指的是负值 SEE net 。（b）在实际的NPG系统中，可提取比能（左纵轴）和功率密度PD（右纵轴）随着组件尺寸（膜面积 A ）的变化。实线表示SEE net 和PD net ，而虚线表示 SEE gross 和 PD gross 。 A PD 和 A SEE 分别表示最大化 PD net 和 SEE net 的最优 A 值，绿色区域表示实际NPG系统中 A 的最优范围。计算过程中采用了以下条件：共流运行条件，负电荷膜，膜离子电导和选择性分别为108 S·m −2 和1，膜面积为10 m 2 ，海水和河水浓度分别为600 mmol·L −1 和15 mmol·L −1 ，负载电阻为0.002 Ω·m 2 ，海水和河水流量分别为0.54 L·min −1 和 0.66 L·min −1 ，海水和河水预处理能耗分别为 0.1 kW·h·m −3 和0.05 kW·h·m −3 ，膜通道宽度和高度分别为1 m和1 mm，热力学温度为298 K。
值得注意的是， 本研究重点阐述了膜性能和运行条件对NPG系统的影响，而其他系统设计相关参数（如间隔通道厚度、电极位置和电极类型）的影响并未被提及 。具体来说，研究人员的分析忽略了间隔通道和电极中的体积溶液的电阻，而这些电阻会进一步降低NPG的性能（即可提取能量和功率密度）。此外，研究人员假设NPG膜具有完美的离子选择性，并忽略了跨膜水通量，从而进一步高估了NPG的性能。值得注意的是， 即便研究人员的分析结果明显高估了NPG的性能，这项技术仍然不能被认为是一种可行的技术 。
除了本研究的分析之外， NPG技术的实际应用还面临一些其他的挑战，如NPG膜的大规模生产制备和不可避免的污染问题 。虽然研究人员没有在研究中对这些问题进行讨论，但它们很可能会进一步削弱NPG技术的可行性。
关键词： 纳米孔发电机；盐度梯度（蓝色）能量；功率密度；比可提取能
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2021.02.016
以上内容来自： Zhangxin Wang, Li Wang, Menachem Elimelech. Viability of Harvesting Salinity Gradient (Blue) Energy by Nanopore-Based Osmotic Power Generation [J]. Engineering, 2022, 9(2): 51-60.
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