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DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20171142
文章來源：《化工學報》2018年第69卷
第1期：188-202
反向電滲析在新能源及環境保護應用中的研究進展
陳霞1,2，蔣晨嘯1，汪耀明1，徐銅文1
（1中國科學技術大學化學與材料科學學院，安徽 合肥 230026；
2安徽建築大學材料與化學工程學院，安徽 合肥 230026）
摘要
反向電滲析作為一種利用鹽差產能工藝，具有清潔、可持續、無污染、能量密度高等優點。以反向電滲析的結構組成、產能機理及影響因素為出發點，結合全球所面臨的能源短缺和環境污染的重大問題，介紹了反向電滲析工藝在能源和環境保護領域的新應用和新進展；針對反向電滲析的單一操作、與其他技術的內集成和外集成操作進行了介紹與總結，並對其進行了初步分析和評述，以期為以後的研究工作提供參考。
引 言
隨著世界經濟的發展，石油、天然氣、煤炭等傳統的化石能源正面臨枯竭的困境，因化石能源燃燒所導致的全球變暖和空氣污染問題也日益嚴重，研究並開發新型的可再生能源是解決上述能源與環境危機的一個重要手段。
海洋能是一種蘊藏於海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海水鹽差能等。其中鹽差能是海洋能中能量密度最大的一種可再生能源，通常來講，鹽差能是指存在於海水和淡水之間或兩種鹽濃度不同的溶液之間的化學電位差能。從理論上講，每立方米淡水與海水之間可產生0.65 kW·h的電能，據統計世界上所有河流匯入海洋產生的鹽差能可達2 TW，而大陸潛在的可利用鹽差能約為0.1 TW，且主要集中在各大江河的出海口處。
為捕獲這種鹽差能需要開發高效的能量轉換技術，壓力延遲滲透（pressure-retarded osmosis，PRO）和反向電滲析（reverse electrodialysis，RED）是最常見且具有工業化前景的兩種鹽差能轉化技術。PRO過程將非對稱的多孔膜放置於不同濃度的鹽溶液之間，利用滲透壓差使水從低濃度側滲透至高濃度側，隨著高濃度側溶液體積（流量）的增加來驅動渦輪發電機發電；而RED技術則在不同濃度的鹽溶液之間放置離子選擇性透過膜，利用不同離子間的濃度差，使之在離子交換膜之間定向遷移，從而將化學勢能直接轉換為電能。相比於PRO，RED更適用於江河入海口處的低鹽度差發電，具有能量密度高、膜污染小、投資成本低等優勢。
RED技術的研究開始於20世紀50年代，1954年，Pattle在《Nature》雜誌上發表了第一篇研究論文，隨後各國針對RED技術的研究逐年展開，特別是自2010年以來涉及到RED技術的研究論文逐年遞增（圖1）。這與近十年來膜技術的快速發展是密不可分的。且RED可與反滲透（RO）、微生物燃料電池（MFC）、液流電池（flow battery）等技術集成聯用，使其應用空間進一步加大且功能更趨完善，這也使得基於RED技術的應用與基礎研究逐漸由傳統產電向著新能源和環境保護等領域轉變。
圖1 近十年RED研究論文數量變化(來源Web of Science, 檢索日期2017-7-18,
關鍵詞reverse electrodialysis)
本文首先簡要介紹RED系統的基本結構及各組成部分，以及各結構單元與操作條件對其性能的影響，之後對RED的單一操作、與其他技術的內集成和外集成操作進行了介紹與總結，並對其進行初步分析和評述，最後對RED技術的發展趨勢進行展望。
結 論
總之，使用RED技術由海水/濃縮鹵水和淡水的體系中捕捉鹽差能是技術可行的，隨著技術的發展，RED作為一種鹽差能的提取轉化工藝，其應用不只局限於鹽差能向電能的轉換，通過與其他過程操作單元的外集成/內集成，可以做到傳統RED所不能達到的目標，如能量貯存、產氫、廢水處理、海水淡化等，這也使得RED在新能源和環境保護等領域的應用逐漸拓展，因此，基於膜技術的RED過程的研究與開發已成為綠色化學化工的熱點之一。目前，RED技術部分已進入中試階段，但未來要想獲得大規模的工業化應用還必須加強以下幾個方向的研究：① RED膜堆裝置投資很高，其中離子交換膜占了絕大部分，因此，用於膜制備的新材料、新方法和新工藝亟待發展，以期提高離子膜性能的同時降低制膜成本。② RED運行過程中能量轉化效率受很多因素影響，除了RED系統基本要素如離子膜、鹽溶液、流道隔網、電極系統需要優化，由微生物和有機質導致的膜污染、電極電解液的損耗等也需要深入發掘。值得注意的是，這些因素相互影響，在實驗研究的同時，一般需要數學模型和過程模擬加以輔助。③ RED過程的輸出電壓較低，以河/海水為例，單個膜對的理論電勢約為0.17 V，且RED過程對於該鹽差能的回收利用率仍然較低，其捕獲、儲存策略值得進一步研究探索，與其他技術進行集成，探索鹽差能在電極端的能量形式轉化是研究的一種發展趨勢。④ 自然界中蘊藏鹽差能的體系來源非常廣泛，如海水（鹵水）/河水、工業生產排放的高鹽廢水（冶金廢水、煤化工廢水）/ 生活污水、工業廢酸/廢鹼溶液等，合理利用這些鹽差能，不僅會降低RED成本還會變廢為寶達到產能和廢物資源化的雙贏。但是這些研究均需要以鹽差能的直接轉化利用為目標，以提高過程經濟性和實用性為導向，圍繞如何優化調控操作模式、如何挖掘鹽差能自身優越性、如何利用新材料等方面展開深入研究。
1 RED結構組成及影響
圖2 RED裝置基本原理
1.1 離子交換膜
1.2 溶液
1.3 電極系統
1.4 隔網
2 RED的應用研究
2.1 單一RED技術應用
圖3 利用RED裝置產電基本原理
圖4 利用RED裝置同時產氫及廢酸中和原理
表1 RED技術部分工作舉例
2.2 RED外集成技術
圖5 兩種PFED模型結構基本原
圖6 RED-ED系統物料衡算
圖7 RED-RO耦合過程基本原理
圖8 RED-FB系統基本原理
圖9 MD-RED耦合發電系統收獲低品位熱能原理
圖10 同時生產水和可再生能源的集成膜系統
2.3 RED內集成技術
圖11 微生物反向電滲析（MRC）基本原理
圖12 內集成RED-ED膜堆基本原理（a）；RED中離子遷移（b）；ED中離子遷移（c）
圖13 濃縮流動電池連續產電的基本原理
