中科院理化所，最新Nature Water 光伏電滲析使咸水處理更簡單

中科院理化所，最新Nature Water 光伏電滲析使咸水處理更簡單

高分子科學前沿 / 時間：2024-10-16 10:33:59

高分子科學前沿10月14日訊：淡水短缺影響著世界近一半的人口，特別是在基礎設施和資源有限的發(fā)展中地區(qū)，難以獲得飲用水。對于氣候干旱或半干旱的內陸地區(qū)的許多社區(qū)來說，地下水是**可用的水源。不幸的是，這種地下水通常是咸水，鹽度太高，不適合人類飲用。

目前常見的方法是使用經(jīng)濟實惠且高效的系統(tǒng)對微咸地下水進行淡化。實施此類系統(tǒng)的關鍵挑戰(zhàn)之一是確定**的水生產(chǎn)規(guī)模，特別是在資源有限的地區(qū)。對于小型社區(qū)來說，每日新鮮飲用水的需求量相對較小，約為每天10立方米。任何旨在滿足這些需求的海水淡化系統(tǒng)都必須根據(jù)其資本支出(CapEx)和運營支出(OpEx)進行評估，這兩者在很大程度上取決于海水淡化過程的能源需求。

鑒于此，中國科學院理化技術研究所孔祥玉研究員、聞利平研究員在《Nature Water》上以題為“Photovoltaic electrodialysis makes brackish water treatment simpler”的評論文章。概述了策略設計電滲析 (ED)；光伏電滲析（PV-ED）。

電滲析(ED)被認為是一種可行的水處理技術，它利用電力去除苦咸水中的離子。與標準大規(guī)模海水淡化技術反滲透(RO)相比，ED由于其能源需求較低，更適合較小的社區(qū)規(guī)模應用。然而，使用ED的一個重大挑戰(zhàn)是有效管理能量輸入。由光伏供電的傳統(tǒng)ED系統(tǒng)面臨著與儲能和輔助負載需求相關的問題，這增加了總體成本并降低了系統(tǒng)效率。光伏電滲析（PV-ED）系統(tǒng)可將陽光轉化為電能，是在太陽輻射豐富的地區(qū)為海水淡化系統(tǒng)供電的一個有吸引力的選擇。光伏發(fā)電比風能或地熱能等替代能源更靈活、更容易獲得。然而，將光伏發(fā)電與ED系統(tǒng)集成一直具有挑戰(zhàn)性，因為需要平衡太陽能的間歇性與海水淡化的連續(xù)能源需求。

最新一期《Nature Water》報道了麻省理工學院Jonathan Tae-Yoon Bessette博士及其同事通過引入流量命令電流控制(FCCC)策略來應對這一挑戰(zhàn)，該策略根據(jù)可用的太陽能動態(tài)調整ED系統(tǒng)的功耗。該策略消除了對大量能源存儲的需求，從而減少了資本支出和運營支出。該系統(tǒng)不是在太陽輻射較低的時期依賴儲存的能量，而是優(yōu)化實時能源使用，以盡可能有效地淡化海水。

電滲析在無電池操作中的潛力

圖1說明了ED的核心原理，顯示了陰離子和陽離子交換膜的排列以及離子如何分離。與需要穩(wěn)定壓力條件和大量能量存儲的反滲透(RO)不同，ED允許可變操作，使其適用于可再生能源?？偟膩碚f，該技術的簡單性允許輕松擴展和定制，這對于偏遠或發(fā)展中地區(qū)的無電池海水淡化至關重要。

圖1.間歇式電滲析系統(tǒng)的概念圖

總結：本文展示了一種新的海水淡化方法，通過使用響應控制方案消除了對大規(guī)模能量存儲的需求。通過根據(jù)實時太陽能輸入調整流量和電流，該系統(tǒng)無需大型電池即可有效運行，從而使資源有限的地區(qū)更容易使用且負擔得起。這項研究代表了可再生能源海水淡化技術向前邁出的重要一步，為電力供應間歇性地區(qū)的分散式水處理提供了實用的解決方案。其影響超出了海水淡化的范圍，表明FCCC方法未來可以應用于各種其他電化學過程。（本刊有刪節(jié)）詳情見高分子科學前沿公眾號