存在于河水與海水之間的鹽差能是一種極具潛力的可再生能源(圖1)。理論上，河-海交匯處的鹽差能密度約為0.8 kWh·m-3，全球各河口區(qū)鹽差能總儲(chǔ)量高達(dá)30 TW，可能利用的有2.6TW，我國(guó)的鹽差能估計(jì)為1.1×108kw。用于提取這種能量的方法主要有壓力延遲滲透技術(shù)(pressure-retarded osmosis，PRO)和反向電滲析技術(shù)(reverse electrodialysis，RED)。PRO技術(shù)使用半滲透膜，利用滲透壓差使水從低濃度側(cè)滲透至高濃度側(cè)，通過(guò)溶液體積的增加來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電;RED技術(shù)使用離子交換膜，利用不同離子在離子交換膜內(nèi)的定向選擇性遷移，從而直接將化學(xué)勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能，具有投資成本更低、能量密度更高等優(yōu)勢(shì)。因此，RED技術(shù)引起了廣泛的研究興趣。RED過(guò)程存在兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。一是缺乏能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率密度和高轉(zhuǎn)換效率的膜材料：通過(guò)分析前期的研究結(jié)果，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基于納米孔的離子交換膜可以大幅度提高鹽差能發(fā)電的功率密度，但其能量轉(zhuǎn)換效率依然非常有限(功率密度>1 W m-2，效率大多為?30%)，其本質(zhì)原因是膜滲透性和選擇性間存在的相互制約關(guān)系;二是鹽差能提取的概念僅限于海水和河水(具有明顯滲透壓差、鹽度差)的體系，從工業(yè)廢水等其他水源中提取能源的研究很少，亟需開(kāi)發(fā)出不受復(fù)雜鹽組成、溶液pH、溫度等影響的能量提取過(guò)程，實(shí)現(xiàn)多種形式的鹽差能提取。
圖1 鹽差能的提取概念圖(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
基于上述兩大挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種磺化的超微孔聚合物膜SPX，用于提取儲(chǔ)存在不同濃度溶液中的滲透能(圖2A,2B)。SPX膜具有大小為5- 9 Å的親水微孔，表現(xiàn)出受表面電荷控制的離子傳輸和優(yōu)異的陽(yáng)離子選擇性。在模擬海水和河水混合的情形下(50倍NaCl濃度梯度)，實(shí)現(xiàn)了0.62 Wm-2的功率密度，能量轉(zhuǎn)換效率保持在38.5%以上(圖2C)。利用熱梯度和濃度梯度的協(xié)同作用，該鹽差能提取裝置的性能進(jìn)一步提高到1.23 W m-2和48.7% (理論提取上限為50%) (圖2D)。這是目前為止在50倍NaCl梯度下報(bào)道的最高效率。
圖2 基于磺化的超微孔聚合物膜的滲透發(fā)電裝置示意
該研究也揭示了亞納米通道內(nèi)的尺寸篩分效應(yīng)，該效應(yīng)使基于SPX膜的鹽差能提取裝置可以從等摩爾濃度溶液的混合過(guò)程中提取吉布斯自由能，拓展了鹽差能發(fā)電的概念。在0.5 M HCl/0.5 M LiCl條件下，功率輸出達(dá)0.55 W m-2(圖2E)。此外，基于SPX膜的鹽差能提取裝置不受復(fù)雜鹽組成、溶液pH、溫度等影響，并且在連續(xù)運(yùn)行模式下具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該研究成果將鹽差發(fā)電的概念拓展到擴(kuò)散發(fā)電，未來(lái)或許可用于從工業(yè)廢水中提取能量。該論文的第一作者為博士生朱晴，楊正金教授和徐銅文教授為共同通訊作者。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(Nos. 21922510、21878281、U20A20127)和中科院大連潔凈能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作基金(DNL201910)的支持。
