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                  【95周年专刊】综述:反向电渗析在新能源及环境保护应用中的研究进展

                  发表时间:2018-02-15 09:00 来源:??????????????

                  随着世界经济的发展,石油、天然气、煤炭等传统的化石能源正面临枯竭的困境,因化石能源燃烧所导致的全球变暖和空气污染问题也日益严重,研究并开发新型的可再生能源是解决上述能源与环境危机的一个重要手段。

                  1中国科学技术大学化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026;

                  关键词reverse electrodialysis)

                  反向电渗析作为一种利用盐差产能工艺,具有清洁、可持续、无污染、能量密度高等优点。以反向电渗析的结构组成、产能机理及影响因素为出发点,结合全球所面临的能源短缺和环境污染的重大问题,介绍了反向电渗析工艺在能源和环境保护领域的新应用和新进展;针对反向电渗析的单一操作、与其他技术的内集成和外集成操作进行了介绍与总结,并对其进行了初步分析和评述,以期为以后的研究工作提供参考。

                  本文首先简要介绍RED系统的基本结构及各组成部分,以及各结构单元与操作条件对其性能的影响,之后对RED的单一操作、与其他技术的内集成和外集成操作进行了介绍与总结,并对其进行初步分析和评述,最后对RED技术的发展趋势进行展望。

                  图1 近十年RED研究论文数量变化(来源Web of Science, 检索日期2017-7-18,

                  为捕获这种盐差能需要开发高效的能量转换技术,压力延迟渗透(pressure-retarded osmosis,PRO)和反向电渗析(reverse electrodialysis,RED)是最常见且具有工业化前景的两种盐差能转化技术。PRO过程将非对称的多孔膜放置于不同浓度的盐溶液之间,利用渗透压差使水从低浓度侧渗透至高浓度侧,随着高浓度侧溶液体积(流量)的增加来驱动涡轮发电机发电;而RED技术则在不同浓度的盐溶液之间放置离子选择性透过膜,利用不同离子间的浓度差,使之在离子交换膜之间定向迁移,从而将化学势能直接转换为电能。相比于PRO,RED更适用于江河入海口处的低盐度差发电,具有能量密度高、膜污染小、投资成本低等优势。

                  第1期:188-202

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                  DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20171142

                  图3 利用RED装置产电基本原理

                  图12 内集成RED-ED膜堆基本原理(a);RED中离子迁移(b);ED中离子迁移(c)

                  1.1 离子交换膜

                  图7 RED-RO耦合过程基本原理

                  总之,使用RED技术由海水/浓缩卤水和淡水的体系中捕捉盐差能是技术可行的,随着技术的发展,RED作为一种盐差能的提取转化工艺,其应用不只局限于盐差能向电能的转换,通过与其他过程操作单元的外集成/内集成,可以实现传统RED所不能达到的目标,如能量贮存、产氢、废水处理、海水淡化等,这也使得RED在新能源和环境保护等领域的应用逐渐拓展,因此,基于膜技术的RED过程的研究与开发已成为绿色化学化工的热点之一。目前,RED技术部分已进入中试阶段,但未来要想获得大规模的工业化应用还必须加强以下几个方向的研究:① RED膜堆装置投资很高,其中离子交换膜占了绝大部分,因此,用于膜制备的新材料、新方法和新工艺亟待发展,以期提高离子膜性能的同时降低制膜成本。② RED运行过程中能量转化效率受很多因素影响,除了RED系统基本要素如离子膜、盐溶液、流道隔网、电极系统需要优化,由微生物和有机质导致的膜污染、电极电解液的损耗等也需要深入发掘。值得注意的是,这些因素相互影响,在实验研究的同时,一般需要数学模型和过程模拟加以辅助。③ RED过程的输出电压较低,以河/海水为例,单个膜对的理论电势约为0.17 V,且RED过程对于该盐差能的回收利用率仍然较低,其捕获、储存策略值得进一步研究探索,与其他技术进行集成,探索盐差能在电极端的能量形式转化是研究的一种发展趋势。④ 自然界中蕴藏盐差能的体系来源非常广泛,如海水(卤水)/河水、工业生产排放的高盐废水(冶金废水、煤化工废水)/ 生活污水、工业废酸/废碱溶液等,合理利用这些盐差能,不仅会降低RED成本还会变废为宝达到产能和废物资源化的双赢。但是这些研究均需要以盐差能的直接转化利用为目标,以提高过程经济性和实用性为导向,围绕如何优化调控操作模式、如何挖掘盐差能自身优越性、如何利用新材料等方面展开深入研究。

                  RED技术的研究开始于20世纪50年代,1954年,Pattle在《Nature》杂志上发表了第一篇研究论文,随后各国针对RED技术的研究逐年展开,特别是自2010年以来涉及到RED技术的研究论文逐年递增(图1)。这与近十年来膜技术的快速发展是密不可分的。且RED可与反渗透(RO)、微生物燃料电池(MFC)、液流电池(flow battery)等技术集成联用,使其应用空间进一步加大且功能更趋完善,这也使得基于RED技术的应用与基础研究逐渐由传统产电向着新能源和环境保护等领域转变。

                  引 言

                  海洋能是一种蕴藏于海洋中的可再生能源,包括潮汐能、波浪能、海水盐差能等。其中盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源,通常来讲,盐差能是指存在于海水和淡水之间或两种盐浓度不同的溶液之间的化学电位差能。从理论上讲,每立方米淡水与海水之间可产生0.65 kW·h的电能,据统计世界上所有河流汇入海洋产生的盐差能可达2 TW,而我国潜在的可利用盐差能约为0.1 TW,且主要集中在各大江河的出海口处。

                  1.4 隔网

                  2.3 RED内集成技术

                  图11 微生物反向电渗析(MRC)基本原理

                  图10 同时生产水和可再生能源的集成膜系统

                  图9 MD-RED耦合发电系统收获低品位热能原理

                  2.1 单一RED技术应用

                  图6 RED-ED系统物料衡算

                  图5 两种PFED模型结构基本原

                  反向电渗析在新能源及环境保护应用中的研究进展

                  图4 利用RED装置同时产氢及废酸中和原理

                  文章来源:《化工学报》2018年第69卷

                  图8 RED-FB系统基本原理

                  1.2 溶液

                  表1 RED技术部分工作举例

                  1 RED结构组成及影响

                  1.3 电极系统

                  2.2 RED外集成技术

                  陈霞1,2,蒋晨啸1,汪耀明1,徐铜文1

                  2安徽建筑大学材料与化学工程学院,安徽 合肥 230026)

                  图2 RED装置基本原理

                  摘要

                  结 论

                  2 RED的应用研究

                  图13 浓缩流动电池连续产电的基本原理

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