压力阻尼渗透 PRO压力阻尼渗透 PRO.pdf

压力阻尼渗透的发展 flamingeagle 摘要：淡水和海水混合所释放的可持续能源可以通过压力阻尼渗透来获得。在压力阻尼渗透 系统中，水分子通过半透膜从低浓度溶液渗透到加压的高浓度溶液；加压渗透液推动涡轮机 发电。在过去十年里，人们对可持续能源的兴趣提高很多，而且近年来膜技术取得了很大的 发展，这使得压力阻尼渗透逐渐进入大家的视线。2009 年末，第一个压力阻尼渗透模型装 置在挪威安装。尽管许多研究者认为成功安装扩大规模的压力阻尼渗透装置还缺乏理论和实 验基础，但挪威的案例激起了不少媒体的报道。然而，模型的安装和媒体的报道是否会促进 压力阻尼渗透系统的商业化还是未知。本文介绍了从20 世纪中期到第一个模型建立压力阻 尼渗透的发展过程。 1. 介绍 对化石燃料长久的依赖正在加速气候的变化，而且是长期的危险影响，因此需要开发新 的可持续能源来减少对化石能源的依赖。当前，发展较好的可持续能源包括太阳能、风能、 生物质能源、地热能和水能。另一种有潜力的可持续能源是水的盐化，或者说是淡水和咸水 混合释放的能量。用来获取淡水和海水混合所释放的能量其中的一种工艺就是压力阻尼渗透。 在压力阻尼渗透系统中，水分子通过半透膜从低浓度溶液渗透到加压的高浓度溶液；加压渗 透液推动涡轮机发电。 根据布局的不同，压力阻尼渗透分为开环系统和闭环系统。开环系统是太阳能驱动的工 艺，通过相对较淡的水和咸水混合产能。在此系统中，很多自然水体可以被使用，其中河口 地区河水与海水的混合被研究得最多。图表.1a 展示了太阳蒸发海水所耗的能量如何通过淡 图表1. （a）使用压力阻尼渗透的开环水盐化循环来重获太阳能。这个系统之所以被称为开环的是因为淡水“流失”到海水中去 了。（b）使用闭环压力阻尼渗透系统来重获热能。该系统常被称为渗透热机。 水和海水的混合来恢复。这个能量的总量可以这样定计算，即假设世界上所有的河流入海口 处都形成225 米高的瀑布，或者说是能产生22.4 个大气压的海水柱高度。据估计，世界范 围内，河流入海口处淡水与海水混合所能产生的总能量大约是每年2000TWh，而所有可持续 能源的能量总值估计为 10000TWh。在其他地方，例如终端湖，淡水或者海水与高盐水的开 环混合产能是可行的。在大盐湖，科学家们就研究过淡水与大盐湖高盐水混合产能的可行性。 在死海，亚喀巴湾海水与死海的高盐水混合产能也被研究过。 而闭环系统被设计用来把低级热能转化为机械功（图表.1b）。尽管此布置没有体现出可 持续能源，但在可以获得低级热能的时候，这些系统有望成为可持续能源的来源。这个概念 首先于1975 年被Loeb 所阐述，最近又由于McGinnis 等人发表的文章而再次兴起。压力阻 尼渗透可被看做与反渗透相反的工艺。反渗透是利用外加压力来抵消并超越原料液的渗透压 从而获得纯水，而压力阻尼渗透是利用渗透压来盐化淡水从而诱发水压。因为和反渗透的相 似性，最初开发压力阻尼渗透系统的努力都依靠反渗透膜及其组件来实现。因此不用专门为 此开发仪器，却获得了大量早期实验数据，但是也因此导致了能量产出远低于预期的结果。 然而，最初为反渗透设计的压力交换器的使用使得压力阻尼渗透的设计有了实质性的进展。 更进一步的，HTI 公司的正渗透商业膜使得压力阻尼渗透工艺测试更加现实。 此文呈现了压力阻尼渗透不同寻常的发展历史，包括20 世纪50 年代的初露头角，接下 来20 年的沉寂，然后是缓慢的20 年发展以及过去10 年获得的大量关注。此文循着从该工 艺早期情况到近期的发展这条时间线记述，并对Sidney Loeb 和他过去四十多年对压力阻尼 渗透做出的重要贡献进行记叙。压力阻尼渗透的优势和局限性同时被回顾和讨论，以期未来 该工艺获得更好的发展。 2. 时间轴 2.1 早期研究（20 世纪50 年代） 获取淡水与盐水混合产生的能量的概念最初于1954年被Pattle在《自然》杂志上提出。 Pattle 描述说，当体积为V 的纯溶剂与渗透压为π、体积比V 大很多的溶液混合，释放的 自由能量等于πV。Pattle 总结说，利用渗透推动力和选择透过性膜去获得淡水与盐水混合 产生的能量是可行的。然而，他的文章没有引起进一步研究，其后20 年没有此方面的文章 出现。 2.2 20 世纪70 年代 伴随着 1973 年石油危机，石油价格上涨（图表.2 中折线图所示），同时，人们对压力 阻尼渗透再次产生兴趣。1973 年之后，几项关于压力阻尼渗透技术和