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、体积比 V 大很多的溶液混合，释放的 自由能量等于V。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经济的可行性研究相 继发表（图表.2 中条状图所示） 。1997 年第一次京都会议之后，对可持续能源生产的需求扩 大，压力阻尼渗透的研究再次增多。而且，压力阻尼渗透研究最近的增多也和 2008 年原油 价格上涨相一致。这些都带来了本世纪前十年 20 多篇相关论文的发表。 图表.2 人们对压力阻尼渗透的兴趣随着原油价格的增长而增长。对压力阻尼渗透的兴趣由同行审议的出版物（使用 ISI Web of Knowledge 数据库收集）数量来表征。每年的原油价格按照 2010 年通胀调整并从参考文献22收集。 1974 年，Norman 提出第一个渗透盐化能量转换器的示意图。在这个示意图（图表.3） 中，淡水（水的化学势较高）通过半透膜渗透到加压的海水容器（水的化学势较低）中。从 水柱上方溢出的水推动水车并使发电机发电。 水车装置实现加压是由于水柱的形成。 这个简 单明了的示意图有效地说明了水的化学势向水力势能的转化。一年后，Loeb 和 Norman 提出 压力阻尼渗透这一术语来表示用于淡水盐化的渗透驱动膜工艺。 图表.3 Norman 提出的渗透盐化能量转化器。淡水通过半透膜渗透到加压的海水容器；从水柱上方溢出的水推动水车并使发电机发电。 第一批压力阻尼渗透实验数据由 Loeb 等人于 1976 年发表。 在他们的研究中， 对置于一 个“迷你渗透器” （Permasep B-10）中的中空纤维海水反渗透膜进行了测试。加压的浓盐水 在中空纤维膜的壳层流动，淡水在纤维孔径中流动。紧随这项研究之后的是 Loeb 和 Mehta 的进一步实验研究。这些研究成功证明了压力阻尼渗透的概念，但也揭示了能量产出（1.56 到 3.27W/m2，使用高盐度汲取液）远低于根据渗透压差计算得到的理论能量产率。内部浓差极化被提出， 并被认为对水的渗透率有很大的反作用， 因此对压力阻尼渗透产能的经济性也 有很大影响； 然而， 关于渗透推动膜工艺中的内部浓差极化的综合性报告直到最近才被发表。 而且，在这期间，Loeb 和 Mehta 提出了预测压力阻尼渗透系统中通量和压力的数学模型。 他们的理论认为，存在两种不同的水渗透常数，一种由水的静压力驱动，另一种由渗透压驱 动。这个理论后来被 Seppala 等人进一步研究。 压力阻尼渗透的另一个途径， 闭环渗透热机 （图表.1b） 由 Loeb 于 1975 年取得专利权。 渗透热机是一种使用工程膜将热能转化为机械功的方法。在渗透热机中，工作液（如：水） 通过半透膜渗透到加压的高浓度汲取液（如：NaCl 溶液）中；汲取液体积增加，水流推动 涡轮机发电。这之后，通过热能将汲取液和工作液体分离。如此，渗透热机利用渗透压将热 能转化为机械功。 2.3 20 世纪 80 年代 80 年代，压力阻尼渗透的研究团体增多，来自四个不同研究团体的论文被相继发表。1981 年，关于压力阻尼渗透有效能生产的理论实验研究被发表。实验结果表明，单位面积能量（例如：能量密度）可以到到 1.6W/m2。作者认为，这样的能量密度可以说明一个渗透能发电厂是拥有成本竞争力的。也是在 1981 年，Lee 等人利用正渗透和反渗透实验结果提 出了一个数学模型来预测压力阻尼渗透的性能。 在这个模型中， 水通量和能量密度的计算考 虑了内部浓差极化的影响。Lee 等人用来描述水迁移的一般公式是： =A(-P) (1) 其中，是水通量，A 是膜的水渗透系数，是渗透压差，P 是水力压力差。压力阻尼 渗透中，能量密度等于水通量和水力压力差的乘积： W = P=A(-P)P (2) 和W作为P 的函数表示在图表.4 中，改写于 Lee 等人的研究。对等式（2）关于P 求 导可知，当P=/2 时，W取得最大值（Wmax） 。将此值代入等式（2）中P，得到： max= ()24(3) 图表.4 压力阻尼渗透中水通量（）和能量密度（W）作为外压（P）的函数。正渗透点和反渗透区的通量数量与方向也被表示出来。图表改编于参考文献23。 压力阻尼渗透区 （P） 。 Lee 等人也研究了浓差极化现象，浓差极化会严重降低膜两侧的有效渗透压差（由于界 面处溶质分子的积累或者耗减） 。由于水分子通过膜，原料液一侧的膜表面溶质被浓缩，而 汲取液一侧膜表面溶质被稀释。 因为压力阻尼渗透中使用的膜是不对称的 （多孔支撑层上面 一个薄的密实层） ，浓差极化发生在致密层一侧的外表面和支撑层一侧的内部。内部浓差极化和外部浓差极化都降低了膜两侧的有效渗透压差； 然而， 内部浓差极化被认为影响更大 （最 近由 Achilli 等人证实） 。不考虑外部浓差极化，Lee 等人改进了他们的数学模型使其包含了 内部浓差极化对水通量的影响： 其中，是汲取液的渗透压，是原料液的盐浓度，是汲取液盐浓度，B 是膜的盐渗透 系数。多孔支撑层中盐的扩散阻力（K）被如下定义： 其中， t,和分别是支撑层的厚度， 弯曲度和孔隙度， D 是溶质在汲取液中的扩散系数。通常被称作膜的结构参数（S） 。K 可以用来判定内部浓差极化对水通量的影响。等式（4）代 入等式（2）中，能量密度变成： 等式（4）用数学方法确定了之后，等式（6）可以用代数方法确定P 的函数 W。 同一刊物中，Lee 等人只证实了模型在正渗透和反渗透中的有效性，并没有在压力阻尼 渗透条件下进行证实，因为建立实验室规模的压力阻尼渗透膜组件很困难。他们总结说，内 部浓差极化显著降低了压力阻尼渗透条件下的水通量，并且在进行了简单的经济分析之后， 若想使压力阻尼渗透产能经济可行，就必须开发性能更好的膜。Lee 等人的工作鼓舞了一些 人的研究-虽然在20多年后-McCutcheon和Elimelech进行的关于渗透驱动膜工艺中浓差极化 现象的研究。同样在 20 多年后，Achilli 等人的研究中，他们的模型被证实在压力阻尼渗透 条件下是有效的。 回到 20 世纪 80 年代，Mehta 继续为压力阻尼渗透的应用测试当时最先进的反渗透膜。 结果表明，严重的内部浓差极化现象导致了低的水通量和能量密度。和 Lee 等人的研究相一 致，Mehta 得出结论，为反渗透开发的膜不适用于压力阻尼渗透，要想实现盐度梯度系统经 济产能的目标， 绝对有必要提高和优化压力阻尼渗透膜的性能。 压力阻尼渗透专用膜的缺乏 也在另一项研究中得到证实。 2.4 20 世纪 90 年代 1990 年，Loeb 等人对几个理论的压力阻尼渗透工厂布置进行了关于机械效率的比较研 究。通过计算确定维持压力阻尼渗透盐水循环的压力最有效的设施，一个连续流地上设施， 一个连续流地下设施，一个间歇流地上设施。结果发现，间歇流地上压力阻尼渗透设施有更 高的效率，但却另外需要两个压力容器。加压