盐对可再生能源的作用

麻省理工学院的一个机械工程师团队表示，在河流入海口的地方，有潜力利用大量的可再生能源。

研究人员评估了一种名为压力延迟渗透(PRO)的新兴发电方法，该方法将两种不同盐度的气流混合以产生能量。原则上，PRO系统将在半透膜的两侧吸收河水和海水。通过渗透作用，来自低盐流的水将穿过膜，到达预加压的含盐面，形成可以通过涡轮机输送的水流，以恢复动力。

麻省理工学院的团队现在已经开发了一个模型来评估大型PRO系统的性能和最佳尺寸。一般来说，研究人员发现，系统的膜越大，产生的能量就越多——但仅限于一定程度。有趣的是，一个系统95%的最大功率输出只需要使用最大膜面积的一半或更少。

麻省理工学院机械工程系的研究生莱昂纳多·班奇克(Leonardo Banchik)说，减少发电所需薄膜的尺寸反过来会降低建造PRO工厂的前期成本。

班奇克说:“人们一直在试图弄清楚这些系统在河流和海洋的交汇处是否可行。”“如果你能识别出收益迅速递减的膜区域，就可以节省资金。”

Banchik和他的同事们还能够根据两条河流的盐浓度估算出最大发电量:盐度比例越大，可以产生的电量就越多。例如，他们发现盐水(海水淡化的副产品)和处理过的废水的混合物可以产生两倍于海水和河水的混合物的电力。

根据他的计算，Banchik说PRO系统可以通过吸收海水并将其与处理过的废水相结合来产生可再生能源，从而为沿海废水处理厂提供动力。

班奇克说:“在波士顿港，在鹿岛废水处理厂，废水在这里汇入大海……PRO理论上可以提供处理所需的所有电力。”

他和麻省理工学院Abdul Latif Jameel水与食物教授John Lienhard，以及沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿产大学的Mostafa Sharqawy，将他们的研究结果发表在了膜科学杂志．

寻找自然界的平衡

该团队的模型基于一个简化的PRO系统，在该系统中，一个大的半透膜划分了一个长矩形水箱。水箱的一侧吸收加压咸水，另一侧吸收河水或废水。通过渗透作用，细胞膜可以让水通过，但不允许盐通过。因此，淡水通过薄膜被吸收，以平衡咸水的一边。

班奇克解释说:“大自然希望在这两种溪流之间找到平衡。”

当淡水进入较咸的一侧时，它变得受压，同时增加了膜的咸水一侧的流量。这种加压的混合物从储罐中流出，涡轮从这种流动中回收能量。

Banchik说，虽然其他人已经对PRO系统的功率潜力进行了建模，但这些模型主要适用于包含“优惠券大小”膜的实验室规模的系统。这样的模型假设盐度和流入的水流沿膜是恒定的。在这样稳定的条件下，这些模型预测了一个线性关系:膜越大，产生的能量就越多。

但班奇克说，在流经像发电厂这样大的系统时，河流的盐度和通量会自然发生变化。为了解释这种可变性，他和他的同事们建立了一个基于热交换器类比的模型。

班奇克说:“就像汽车中的散热器在空气和冷却剂之间交换热量一样，这个系统也可以通过膜交换质量或水。”“文献中有一种用于确定热交换器尺寸的方法，我们借鉴了这个想法。”

研究人员提出了一个模型，他们可以用它来分析膜尺寸、渗透性和流速的广泛值。通过这个模型，他们观察到大系统的功率和膜尺寸之间的非线性关系。相反，随着膜面积的增加，产生的功率增加到一个点，之后逐渐趋于平稳。虽然一个系统可以在一定的膜尺寸下产生最大的功率，但它也可以在膜尺寸减半的情况下产生95%的功率。

尽管如此，如果PRO系统为波士顿鹿岛处理厂提供电力，那么工厂的膜面积将是巨大的——至少250万平方米，班奇克指出，这是世界上最大的反渗透工厂的膜面积。

班奇克说:“尽管这看起来很多，但聪明的人正在研究如何将大量的薄膜装入小体积中。”“例如，一些结构是螺旋缠绕的，平板像纸巾一样卷在中心管周围。弄清楚这些模块的样子仍然是一个活跃的研究领域。”

班奇克补充说:“假设我们在一个真正需要淡化水的地方，比如加利福尼亚，那里正在经历一场可怕的干旱。”“他们正在海边建造一座海水淡化厂，它将吸收海水，为加州人提供饮用水。它还会产生更咸的盐水，你可以将其与废水混合来发电。还需要做更多的研究来确定它在经济上是否可行，但科学是可靠的。”

这项工作由法赫德国王石油矿产大学通过清洁水和清洁能源中心以及国家科学基金会资助。

麻省理工学院

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