基于納米孔滲透回收鹽度梯度能量發(fā)電可行性研究丨Engineering
基于納米孔滲透回收鹽度梯度能量發(fā)電可行性研究丨Engineering
engineering2015
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引言
隨著具有離子選擇性納米通道的新型材料的研發(fā)，一種獲取鹽度梯度（藍色）能量的新技術被提出，即納米孔發(fā)電機（NPG）。在本研究中，美國耶魯大學的Menachem Elimelech等研究人員對膜片尺度和組件尺度的NPG運行的實際性能進行了全面分析。研究結果表明，雖然NPG膜片可以在理想條件下產生超高的功率密度，但由于濃度極化效應，實際運行中NPG膜片上產生的功率密度很難達到10 W·m ?2 。對于組件尺度的NPG運行，研究人員估算了功率密度和可提取比能（即使用單位總體積工作溶液可產生的能量），并基于濃度極化與高濃度溶液和低濃度溶液的混合程度之間的相互作用，闡明運行條件對這兩個指標的影響。此外，研究人員還開發(fā)了一個用來評估NPG系統(tǒng)可行性的模型框架。研究結果表明，對于使用海水與河水的NPG系統(tǒng)，總可提取比能非常低（約0.1 kW·h·m ?3 ），且受到系統(tǒng)運行能耗的影響（特別是海水和河水溶液的汲取與預處理能耗）?？偟膩碚f，NPG系統(tǒng)產生的凈可提取比能（< 0.025 kW·h·m ?3 ）和凈功率密度（< 0.1 W·m ?2 ）非常低。因此，美國耶魯大學的Menachem Elimelech等研究人員的研究重點指出了NPG在現(xiàn)實運行中存在極大的局限性，進而對NPG作為一種藍色能量收集技術的可行性提出了質疑。
為了滿足全球能源需求的快速增長，減輕化石燃料燃燒對環(huán)境的影響，使用替代能源生產可持續(xù)能源變得至關重要。 作為一種有潛力的能源，鹽度梯度能量（通常又稱為藍色能量）在過去的幾十年里已經得到了廣泛的研究。這種藍色能量本質上是兩種具有不同鹽度的溶液（如海水和河水）混合后釋放出的自由能。據(jù)粗略估算， 海水和河水混合的全球功率在理論上可達2 TW，約為目前全球能耗的10% 。
目前已經開發(fā)出了幾種用來收集藍色能量的工程系統(tǒng)。迄今為止，被研究得最多的系統(tǒng)是 緩壓滲透（PRO） ，它首先使用半透膜將藍色能量轉化為機械能，然后使用水輪機將其轉化為電能。另一個已被充分研究的系統(tǒng)是 反向電滲析（RED） ，電能直接從離子交換膜的鹽度梯度中產生。然而，到目前為止， PRO和RED的實際應用都受到了限制，主要是由于現(xiàn)實應用中的系統(tǒng)規(guī)模遠遠超出了實驗室研究中的膜片大小，從而導致了低功率密度。 第一個大規(guī)模PRO發(fā)電廠通過混合海水和河水實現(xiàn)，其功率密度約為3 W·m ?2 ；而一個使用濃鹽水和苦咸水的中試RED發(fā)電廠的功率密度僅為1.6 W·m ?2 。重要的是，除了低功率密度外， PRO和RED的可行性也受到了質疑，因為二者可產生的能量通常較低，并且在實際運行中還存在著顯著的運行能耗。
最近，具有離子選擇性納米通道的新型材料被提出用來獲取藍色能量。這些材料，通常被稱為 納米孔發(fā)電機（NPG），被證實在單個納米孔條件下有著超高功率密度，有望突破PRO和RED運行中低功率密度的限制 。 然而，到目前為止，所有關于NPG的研究都局限于在理想條件下使用單納米孔或小型膜片進行的小尺度實驗。在實際應用中， NPG膜片的性能在很大程度上受到實際運行條件，如溶液的流體動力學和電阻的影響 。
此外，與PRO和RED一樣，NPG膜片的成功演示并不能保證大規(guī)模NPG系統(tǒng)實際實施的可行性，因為運行所需的能耗（如工作溶液的預處理和NPG模塊的摩擦損耗）可能超過系統(tǒng)產生的能量。為了評估大規(guī)模NPG系統(tǒng)的實際可行性，必須研究具有現(xiàn)實運行和約束條件下組件尺度NPG的性能 （圖1） 。此外，還有必要分析大規(guī)模系統(tǒng)在實際運行條件下的可提取能量效率。因此， 美國耶魯大學的Menachem Elimelech等研究人員系統(tǒng)評估了NPG從鹽度梯度中獲取藍色能量的實際可行性，并對膜片尺度以及組件尺度的NPG運行效果都進行了徹底的研究 。
圖1. 考慮實際存在的運行能耗的組件尺度NPG系統(tǒng)的性能。（a）在具有不同組件尺寸（或膜面積）的NPG系統(tǒng)中，凈可提取比能計算的圖解。黑色的曲線表示總的可提取比能SEE gross 。凈可提取比能SEE net （紅色區(qū)域）是通過從SEE gross 中減去溶液的預處理能耗（綠色區(qū)域）和組件中的壓降損失（藍色區(qū)域）獲得的。灰色區(qū)域指的是負值 SEE net 。（b）在實際的NPG系統(tǒng)中，可提取比能（左縱軸）和功率密度PD（右縱軸）隨著組件尺寸（膜面積 A ）的變化。實線表示SEE net 和PD net ，而虛線表示 SEE gross 和 PD gross 。 A PD 和 A SEE 分別表示最大化 PD net 和 SEE net 的最優(yōu) A 值，綠色區(qū)域表示實際NPG系統(tǒng)中 A 的最優(yōu)范圍。計算過程中采用了以下條件：共流運行條件，負電荷膜，膜離子電導和選擇性分別為108 S·m ?2 和1，膜面積為10 m 2 ，海水和河水濃度分別為600 mmol·L ?1 和15 mmol·L ?1 ，負載電阻為0.002 Ω·m 2 ，海水和河水流量分別為0.54 L·min ?1 和 0.66 L·min ?1 ，海水和河水預處理能耗分別為 0.1 kW·h·m ?3 和0.05 kW·h·m ?3 ，膜通道寬度和高度分別為1 m和1 mm，熱力學溫度為298 K。
值得注意的是， 本研究重點闡述了膜性能和運行條件對NPG系統(tǒng)的影響，而其他系統(tǒng)設計相關參數(shù)（如間隔通道厚度、電極位置和電極類型）的影響并未被提及 。具體來說，研究人員的分析忽略了間隔通道和電極中的體積溶液的電阻，而這些電阻會進一步降低NPG的性能（即可提取能量和功率密度）。此外，研究人員假設NPG膜具有完美的離子選擇性，并忽略了跨膜水通量，從而進一步高估了NPG的性能。值得注意的是， 即便研究人員的分析結果明顯高估了NPG的性能，這項技術仍然不能被認為是一種可行的技術 。
除了本研究的分析之外， NPG技術的實際應用還面臨一些其他的挑戰(zhàn)，如NPG膜的大規(guī)模生產制備和不可避免的污染問題 。雖然研究人員沒有在研究中對這些問題進行討論，但它們很可能會進一步削弱NPG技術的可行性。
關鍵詞： 納米孔發(fā)電機；鹽度梯度（藍色）能量；功率密度；比可提取能
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原文鏈接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2021.02.016
以上內容來自： 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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