近日，英國(guó)倫敦國(guó)王學(xué)院副教授 賀唯 和合作者， 開發(fā)一種新型的高靈活性電滲析技術(shù)，提升了太陽能淡化技術(shù)的應(yīng)用效率，緩解了太陽能間歇發(fā)電特性對(duì)于技術(shù)性能與經(jīng)濟(jì)性的影響。

圖 | 賀唯（來源： 賀唯 ）

作為一種新型的“儲(chǔ)能式”淡化技術(shù)，本次所研發(fā)的電滲析技術(shù)可以像儲(chǔ)能技術(shù)一樣，將間歇性太陽能進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化，并儲(chǔ)存于凈化之后的飲用水中。

通過此，可以實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)與飲用水生產(chǎn)能耗的解耦，滿足特定地區(qū)居民對(duì)于水資源的需求。

并能為缺少穩(wěn)定電網(wǎng)供給的偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，提供一種可持續(xù)的飲用水解決方案。

與此同時(shí)，相比依賴于電網(wǎng)電力或依賴于昂貴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的傳統(tǒng)淡水化技術(shù)，本次研究旨在通過“儲(chǔ)能式”淡化技術(shù)，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為飲用水，從而告別對(duì)于電池儲(chǔ)能的依賴。

鑒于儲(chǔ)水成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電池儲(chǔ)能成本，因此該技術(shù)在提高能源利用效率的同時(shí)，也能提升太陽能淡化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

日前，相關(guān)論文以《低成本太陽能海水淡化用的靈活批量電滲析》（ Flexible batch electrodialysis for low-cost solar-powered brackish water desalination ）為題發(fā)在 Nature Water [1]。

賀唯 是第一作者兼共同通訊，美國(guó)麻省理工學(xué)院阿莫斯 G. 溫特 V（ Amos G. Winter V ）教授擔(dān)任共同通訊。

圖 | 相關(guān)論文（來源： Nature Water ）

具體來說，這款電滲析技術(shù)有望用于以下場(chǎng)景：

其一，用于偏遠(yuǎn)地區(qū)飲用水供應(yīng)。

如前所述，由于該技術(shù)能將太陽能直接轉(zhuǎn)換成淡化水，因此特別適合于電網(wǎng)不穩(wěn)定、或暫未覆蓋電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

屆時(shí)，這些地區(qū)的居民可以直接從地下含鹽水源獲取到安全飲用水，從而改善飲用水的供給。

其二，用于農(nóng)業(yè)灌溉。

在水資源緊張的農(nóng)業(yè)區(qū)域，該技術(shù)可用于提供灌溉所需的淡水。

特別是在鹽堿土壤較多的地區(qū)，利用電滲析技術(shù)對(duì)水進(jìn)行淡化自后，可以有效減少土壤鹽分，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

其三，用于工業(yè)富鹽廢水回收。

許多工業(yè)過程比如食品加工等，會(huì)產(chǎn)生大量富鹽廢水。而在富鹽廢水的回收和處理中，電滲析技術(shù)可以顯著提高其效率。

其四，用于鹽湖提鋰。

電滲析技術(shù)可以從鹽湖中高效地提取鋰離子，并能將鋰提取過程與太陽能等新能源進(jìn)行集成，從而將太陽能（包括棄光）轉(zhuǎn)化成高價(jià)值的鋰材料，進(jìn)而以低排放、高質(zhì)量的方式提取鋰離子。

（來源： Nature Water ）

約 17 億人口居住在水資源緊張地帶

據(jù)介紹，本次研究立足于全球性水資源匱乏的嚴(yán)峻背景，尤其關(guān)注發(fā)展中國(guó)家農(nóng)村地區(qū)面臨的飲用水短缺挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，全球逾 20 億人口依賴地下水作為飲水來源，但是約 17 億人口居住在水資源緊張地帶。

由于自然因素和人為因素導(dǎo)致的鹽堿化，地下水質(zhì)量正在逐漸惡化，致使眾多水源變得咸澀或含鹽，不宜直接飲用。

盡管采取傳統(tǒng)的海水/咸水淡化技術(shù)，可以有效提取淡水。但其普遍依賴電網(wǎng)供電及基礎(chǔ)設(shè)施，限制了其在偏遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)用。

特別是在許多發(fā)展中國(guó)家，比如印度的偏遠(yuǎn)地區(qū)，要么沒有覆蓋電網(wǎng)，要么電網(wǎng)遭遇斷電。加之電力大多源于燃煤電廠，導(dǎo)致碳排放量較高。

然而，這些地區(qū)通常日照充足，因此分布式太陽能淡水化技術(shù)，可以作為一種可持續(xù)的普適性解決方案，來應(yīng)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的水資源短缺問題。

據(jù)介紹，本次研究起源于 賀唯 的合作者——美國(guó)麻省理工學(xué)院阿莫斯 G. 溫特 V（ Amos G. Winter V ）的一個(gè)項(xiàng)目。

此前，后者曾與印度 Tata 公司合作開展了一系列針對(duì)飲用水和農(nóng)業(yè)灌溉水資源匱乏的研究項(xiàng)目。

后來，麻省理工學(xué)院托尼奧·布奧納西（ Tonio Buonassisi ）教授也加入了上述項(xiàng)目。

通過此，采用以太陽能進(jìn)行地下咸水淡化和農(nóng)業(yè)滴灌的技術(shù)路線得以建立，從而希望起到擴(kuò)大水資源利用、并減少水消耗的作用。

同時(shí)，也明確了將光伏-電滲析技術(shù)用于太陽能咸水淡化的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。就在這時(shí)， 賀唯 加入了上述項(xiàng)目。

為了進(jìn)一步降低光伏-電滲析技術(shù)的成本，他們利用第一性原理建立了光伏-電滲析技術(shù)的設(shè)計(jì)理論，并基于該理論優(yōu)化設(shè)計(jì)了光伏-電滲析技術(shù)系統(tǒng)。

（來源： Nature Water ）

2017 年，第一個(gè)原型系統(tǒng)在印度一個(gè)名為 Chelluru 的村落完成構(gòu)建和測(cè)試。

通過此，他們不僅驗(yàn)證了光伏-電滲析技術(shù)模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論，也深入了解了印度農(nóng)村地區(qū)咸水淡化系統(tǒng)的規(guī)格要求和成本考量。

他們發(fā)現(xiàn)，盡管光伏-電滲析技術(shù)技術(shù)的成本低于太陽能反滲透（PV-RO，Photovoltaic-Reverse Osmosis）系統(tǒng)。但與電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的反滲透（on-grid RO，on-grid Reverse Osmosis）系統(tǒng)相比，成本優(yōu)勢(shì)還不夠突出。

而 on-grid RO 系統(tǒng)已在印度農(nóng)村地區(qū)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這表明光伏-電滲析技術(shù)還沒有達(dá)到市場(chǎng)可接受的成本，或者說還無法在當(dāng)?shù)匦纬上趟到y(tǒng)的商業(yè)模式。

雖然第一個(gè)原型系統(tǒng)的成本尚未達(dá)到商業(yè)化的程度，不過這次親赴印度的實(shí)地測(cè)試，不僅證實(shí)了他們的設(shè)計(jì)理論，也提供了寶貴的實(shí)地信息。

基于這些信息，課題組針對(duì)電滲析技術(shù)加以進(jìn)一步創(chuàng)新，提出了更加靈活的電滲析技術(shù)，使之能夠根據(jù)太陽能供應(yīng)的變化，靈活地調(diào)整水的產(chǎn)量。

隨后，他們?cè)谟《任⑾趟叵滤畤?guó)家海水淡化研究設(shè)施（Brackish Groundwater National Desalination Research Facility）上，建造了新的原型系統(tǒng)。

并利用相關(guān)試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)本次技術(shù)進(jìn)行更精確的監(jiān)控和評(píng)估。

測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)能效得到顯著提高，77% 的可用太陽能得到了直接利用。這比傳統(tǒng)系統(tǒng)高出 91%，同時(shí)電池依賴度相比降低 92%。

當(dāng)將這些現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果、與該團(tuán)隊(duì)針對(duì)印度村莊規(guī)模淡化項(xiàng)目的理解加以分析，他們發(fā)現(xiàn)水的成本降低 22%，這讓本次技術(shù)能與目前廣泛使用的 on-grid RO 系統(tǒng)相媲美。

（來源： Nature Water ）

而在印度實(shí)地考察期間，在對(duì)第一套原型系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)生了一件讓 賀唯 感到非?！胺闯ＷR(shí)”的事情。

在測(cè)試時(shí)，整套系統(tǒng)由太陽能光伏板供電。但是，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的燈連接著電網(wǎng)，只有在斷電時(shí)才會(huì)自動(dòng)連接太陽能系統(tǒng)，并會(huì)在切換時(shí)發(fā)出“嗶嗶”聲。

這讓他們更能頻繁地感受到電網(wǎng)斷電的情況。特別到了夜晚，常常只有他們“一家”亮著。

“曾被詬病的新能源的間歇性，反而在這里成了可靠的電源，而在許多國(guó)家本應(yīng)穩(wěn)定供電的電網(wǎng)，卻變成了名副其實(shí)的間歇性能源?！彼f。

這個(gè)經(jīng)歷增強(qiáng)了他和合作者對(duì)于新能源的認(rèn)識(shí)，即盡管太陽是一種分布式能源，但卻能在偏遠(yuǎn)地區(qū)顯著提升能源供給的穩(wěn)定性。

而在下一步，他們計(jì)劃拓展靈活電滲析技術(shù)在咸水淡化之外的應(yīng)用。

考慮到電滲析技術(shù)技術(shù)本身的多用途性和高效率，其在不同領(lǐng)域的潛在應(yīng)用無疑能帶來顯著的正面影響，比如在農(nóng)業(yè)灌溉、鹽湖提鋰、以及利用液態(tài)堿捕獲二氧化碳等方面獲得應(yīng)用等。

新能源產(chǎn)業(yè)鏈主要集中在中國(guó)，期待和國(guó)內(nèi)單位開展合作

另據(jù)悉，作為一名土生土長(zhǎng)的西安人，盡管并未生活在一個(gè)靠海城市。但是， 賀唯 正是在西安讀書期間開始了解海水/咸水淡化技術(shù)。

其本科和碩士均畢業(yè)于西安交通大學(xué)，后在英國(guó)倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院獲得博士學(xué)位。

他說：“雖然高考填報(bào)志愿時(shí)我感到有些迷茫，可能從小受到關(guān)于環(huán)保報(bào)道的影響，心中已萌生一個(gè)關(guān)于未來的愿景：新能源將成為未來的關(guān)鍵技術(shù)?！?/span>

在這一信念的引領(lǐng)之下，他選擇了西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)。

讀研期間，他參加了一個(gè)由企業(yè)資助的水處理研究課題，首次接觸到了海水及咸水淡化技術(shù)，并開始從能源視角探索如何更高效地從鹽水中獲取淡水。

來到英國(guó)讀博之后，他進(jìn)一步研究了海水淡化技術(shù)與多種新能源的集成機(jī)理與應(yīng)用。

并在美國(guó)麻省理工學(xué)院從事博士后期間，將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向太陽能電滲析技術(shù)。

“正是我在這一領(lǐng)域的研究，使我榮獲英國(guó)皇家工程院的 Research Fellowship 資助，開始了我作為獨(dú)立 PI 的研究生涯。”其表示。

而能源技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵的硬科技，在智能化與數(shù)字化的時(shí)代背景下，涵蓋了大量硬件與軟件的研究與開發(fā)。

特別是在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中，硬件開發(fā)不可避免地需要依賴于產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈的支持。

目前，新能源產(chǎn)業(yè)鏈主要集中在中國(guó)，對(duì)于探索和建立包括新型電滲析技術(shù)在內(nèi)的新能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化機(jī)會(huì)，他充滿著濃厚興趣?！巴瑫r(shí)也期待與國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)的合作?！彼硎尽?/span>

參考資料：

1.He, W., Le Henaff, AC., Amrose, S.et al. Flexible batch electrodialysis for low-cost solar-powered brackish water desalination.  Nat Water  (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00213-w

排版：羅以

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