鹽的力量：河水海水交匯可提供可再生能源

據(jù)美國麻省理工學(xué)院一支機(jī)械工程師小組表示，河流與海洋交匯處就存在開發(fā)大量可再生能源的潛力。研究人員評估了這個(gè)名為壓力滲透(PRO)的能量產(chǎn)生新方法，也就是兩條具有不同鹽濃度的水流相混合以產(chǎn)生能量。原則上來說，一個(gè)PRO系統(tǒng)將在一個(gè)半滲透性的膜兩邊吸收河水和海水。通過滲透，鹽度較低的一邊水流將穿透膜到達(dá)事先增壓、鹽度更高的一邊，這創(chuàng)造了液體的流動(dòng)，后者穿過渦輪機(jī)可以產(chǎn)生能量。

美國麻省理工學(xué)院的研究小組已經(jīng)建立了一個(gè)模型評估較大PRO系統(tǒng)的性能和最優(yōu)維度。整體來說，研究人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的膜越大，產(chǎn)生的能量越多——但也有一定的極限。有趣的是，只要通過最大隔膜面積的一半甚至更少就能獲得一個(gè)系統(tǒng)最大能量產(chǎn)出的95%。

美國麻省理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院研究生李?yuàn)W納多·本奇克(Leonardo Banchik)表示，減少產(chǎn)生能量所需的膜的大小將降低建造PRO工廠的大部分預(yù)付成本。“人們試圖查明這些系統(tǒng)在河流和海洋交匯處是否是可行的，” 本奇克說道。“如果你能夠確定合適的隔膜面積，也即超過這個(gè)特定面積回報(bào)將急劇減少，你就可以節(jié)省不必要的開支。”

本奇克和他的同事還根據(jù)兩條水流的鹽濃度估計(jì)了產(chǎn)生能量的最大值：鹽濃度比率越大，產(chǎn)生的能量越高。例如，他們發(fā)現(xiàn)鹵水——海水淡化的副產(chǎn)品——和處理過的廢水的混合物產(chǎn)生的能量是海水和河水混合物產(chǎn)生的兩倍。

基于他的計(jì)算，本奇克表示一個(gè)PRO系統(tǒng)潛在的可以為沿海綜合污水處理廠提供能量，這主要是通過吸收海水并將它與被治理的廢水相結(jié)合以產(chǎn)生可再生能量來實(shí)現(xiàn)。

“例如在波士頓港鹿島污水處理廠，這里廢水與海洋交匯…理論上來說PRO系統(tǒng)可以為整個(gè)廢水治理提供所需的能量。” 本奇克說道。他與麻省理工學(xué)院阿卜杜勒·拉蒂夫·賈米爾水和食物實(shí)驗(yàn)室的約翰·林哈德(John Lienhard)教授，以及沙特阿拉伯法赫德國王石油礦業(yè)大學(xué)的穆斯塔法·沙恰伊(Mostafa Sharqawy)合作進(jìn)行的這項(xiàng)研究被發(fā)表在期刊《膜科學(xué)》上。

尋找自然的均衡

研究小組將它的模型基于一個(gè)簡單的PRO系統(tǒng)上，系統(tǒng)里的一個(gè)巨大半滲透性膜將一個(gè)長方形水箱一分為二。水箱一邊會(huì)吸收受壓的咸海水，而另一邊則吸收河水或者廢水。通過滲透作用，水能夠通過膜，但鹽不能。結(jié)果淡水穿透膜以平衡鹽度較高的一邊。“自然總希望實(shí)現(xiàn)兩條水流之間的平衡。” 本奇克解釋道。

隨著淡水進(jìn)入鹽度較高的一邊，它不斷受壓同時(shí)增加了膜鹽度較高一邊的水流速率。隨著這種受壓混合物離開水箱，渦輪機(jī)從這些水流里獲得了能量。本奇克表示雖然其他人可能已經(jīng)對PRO系統(tǒng)的能量潛力進(jìn)行了建模，但這些模型只針對實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的系統(tǒng)有效，這種系統(tǒng)只能包含優(yōu)惠券大小的膜。這樣的模型假定膜一邊的鹽度和進(jìn)來的水流是恒定的，考慮到這樣穩(wěn)定的狀態(tài)，這些模型預(yù)測了一種線性關(guān)系：膜越大，產(chǎn)生的能量越多。

但當(dāng)水流進(jìn)入一個(gè)大至發(fā)電廠的系統(tǒng)里時(shí)，水流的鹽度和流量將發(fā)生自然的變化。為了解釋這種變異性，本奇克和同事基于熱交換器的比喻建立了一個(gè)模型。“就像你汽車?yán)锏纳崞鲿?huì)在空氣和冷卻劑之間交換熱量一樣，這個(gè)系統(tǒng)也會(huì)通過膜交換質(zhì)量或者水，” 本奇克說道。“文獻(xiàn)里提到了一種對熱交換器進(jìn)行定型的方法，我們借用了那個(gè)方法。”

研究人員提出的模型使得他們能夠分析膜的大小、滲透率和流動(dòng)速率等參數(shù)的一系列數(shù)值。借助這個(gè)模型，他們觀察到大型系統(tǒng)里能量和膜大小之間的非線性關(guān)系。相反，隨著膜區(qū)域大小的增加，產(chǎn)生的能量會(huì)到達(dá)一個(gè)極限點(diǎn)，之后產(chǎn)生的能量就趨于平穩(wěn)。雖然對于一個(gè)特定大小的膜而言，一個(gè)系統(tǒng)是能夠產(chǎn)生能量最大值，但這個(gè)系統(tǒng)只需要利用這個(gè)膜的一半大小就可以產(chǎn)生最大能量的95%。

即便如此，如果PRO系統(tǒng)被用于為波士頓鹿島污水處理廠供應(yīng)能量，這個(gè)處理廠的膜將異常巨大——至少250萬平方米，本奇克表示這將成為世界上最大的操作反滲透裝置的隔膜面積。

“即使這看起來很多，但聰明的人將知道如何將這些膜壓縮成小容量。例如，有些可以是螺旋散繞的，也就是平板像衛(wèi)生紙一樣繞著中央管道卷起來。這些模塊的布置究竟應(yīng)該是怎么樣的，目前仍有很多地方值得研究。”

“假設(shè)我們身處一個(gè)可以使用淡化水的地區(qū)，例如加州，在那里常常經(jīng)歷可怕的干旱。目前加州正在臨近海邊地區(qū)建造一個(gè)海水淡化裝置，這個(gè)裝置將吸收海水并轉(zhuǎn)化為淡水供加州人民飲用。它將會(huì)產(chǎn)生更咸的鹵水，你可以將它與廢水相結(jié)合產(chǎn)生能量。目前仍需要進(jìn)行很多研究調(diào)查這一方案的經(jīng)濟(jì)可行性，但它背后的科學(xué)原理是可靠的。”國家科學(xué)基金會(huì)和法赫德國王石油礦業(yè)大學(xué)經(jīng)清潔水和清潔能源中心對這項(xiàng)研究提供了資金支持。