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科学家破解太阳能咸水淡化难题,为富盐卤水储能式淡化提供范例

类别:科技 发布时间:2024-04-22 16:47:00 来源:DeepTech深科技

近日,英国伦敦国王学院副教授贺唯和合作者,开发一种新型的高灵活性电渗析技术,提升了太阳能淡化技术的应用效率,缓解了太阳能间歇发电特性对于技术性能与经济性的影响。

科学家破解太阳能咸水淡化难题,为富盐卤水储能式淡化提供范例

图 | 贺唯(来源:贺唯)

作为一种新型的“储能式”淡化技术,本次所研发的电渗析技术可以像储能技术一样,将间歇性太阳能进行高效转化,并储存于净化之后的饮用水中。

通过此,可以实现能源供应与饮用水生产能耗的解耦,满足特定地区居民对于水资源的需求。

并能为缺少稳定电网供给的偏远农村地区,提供一种可持续的饮用水解决方案。

与此同时,相比依赖于电网电力或依赖于昂贵电池储能系统的传统淡水化技术,本次研究旨在通过“储能式”淡化技术,将太阳能直接转化为饮用水,从而告别对于电池储能的依赖。

鉴于储水成本远远低于电池储能成本,因此该技术在提高能源利用效率的同时,也能提升太阳能淡化技术的经济性。

日前,相关论文以《低成本太阳能海水淡化用的灵活批量电渗析》(Flexible batch electrodialysis for low-cost solar-powered brackish water desalination)为题发在 Nature Water[1]。

贺唯是第一作者兼共同通讯,美国麻省理工学院阿莫斯 G. 温特 V(Amos G. Winter V)教授担任共同通讯。

科学家破解太阳能咸水淡化难题,为富盐卤水储能式淡化提供范例

图 | 相关论文(来源:Nature Water)

具体来说,这款电渗析技术有望用于以下场景:

其一,用于偏远地区饮用水供应。

如前所述,由于该技术能将太阳能直接转换成淡化水,因此特别适合于电网不稳定、或暂未覆盖电网的偏远地区。

届时,这些地区的居民可以直接从地下含盐水源获取到安全饮用水,从而改善饮用水的供给。

其二,用于农业灌溉。

在水资源紧张的农业区域,该技术可用于提供灌溉所需的淡水。

特别是在盐碱土壤较多的地区,利用电渗析技术对水进行淡化自后,可以有效减少土壤盐分,从而提高农作物的产量和质量。

其三,用于工业富盐废水回收。

许多工业过程比如食品加工等,会产生大量富盐废水。而在富盐废水的回收和处理中,电渗析技术可以显著提高其效率。

其四,用于盐湖提锂。

电渗析技术可以从盐湖中高效地提取锂离子,并能将锂提取过程与太阳能等新能源进行集成,从而将太阳能(包括弃光)转化成高价值的锂材料,进而以低排放、高质量的方式提取锂离子。

科学家破解太阳能咸水淡化难题,为富盐卤水储能式淡化提供范例

(来源:Nature Water)

科学家破解太阳能咸水淡化难题,为富盐卤水储能式淡化提供范例

约 17 亿人口居住在水资源紧张地带

据介绍,本次研究立足于全球性水资源匮乏的严峻背景,尤其关注发展中国家农村地区面临的饮用水短缺挑战。

当前,全球逾 20 亿人口依赖地下水作为饮水来源,但是约 17 亿人口居住在水资源紧张地带。

由于自然因素和人为因素导致的盐碱化,地下水质量正在逐渐恶化,致使众多水源变得咸涩或含盐,不宜直接饮用。

尽管采取传统的海水/咸水淡化技术,可以有效提取淡水。但其普遍依赖电网供电及基础设施,限制了其在偏远地区的应用。

特别是在许多发展中国家,比如印度的偏远地区,要么没有覆盖电网,要么电网遭遇断电。加之电力大多源于燃煤电厂,导致碳排放量较高。

然而,这些地区通常日照充足,因此分布式太阳能淡水化技术,可以作为一种可持续的普适性解决方案,来应对偏远地区的水资源短缺问题。

据介绍,本次研究起源于贺唯的合作者——美国麻省理工学院阿莫斯 G. 温特 V(Amos G. Winter V)的一个项目。

此前,后者曾与印度 Tata 公司合作开展了一系列针对饮用水和农业灌溉水资源匮乏的研究项目。

后来,麻省理工学院托尼奥·布奥纳西(Tonio Buonassisi)教授也加入了上述项目。

通过此,采用以太阳能进行地下咸水淡化和农业滴灌的技术路线得以建立,从而希望起到扩大水资源利用、并减少水消耗的作用。

同时,也明确了将光伏-电渗析技术用于太阳能咸水淡化的经济优势。就在这时,贺唯加入了上述项目。

为了进一步降低光伏-电渗析技术的成本,他们利用第一性原理建立了光伏-电渗析技术的设计理论,并基于该理论优化设计了光伏-电渗析技术系统。

科学家破解太阳能咸水淡化难题,为富盐卤水储能式淡化提供范例

(来源:Nature Water)

2017 年,第一个原型系统在印度一个名为 Chelluru 的村落完成构建和测试。

通过此,他们不仅验证了光伏-电渗析技术模型和系统设计的理论,也深入了解了印度农村地区咸水淡化系统的规格要求和成本考量。

他们发现,尽管光伏-电渗析技术技术的成本低于太阳能反渗透(PV-RO,Photovoltaic-Reverse Osmosis)系统。但与电网驱动的反渗透(on-grid RO,on-grid Reverse Osmosis)系统相比,成本优势还不够突出。

而 on-grid RO 系统已在印度农村地区实现商业化,这表明光伏-电渗析技术还没有达到市场可接受的成本,或者说还无法在当地形成咸水淡化系统的商业模式。

虽然第一个原型系统的成本尚未达到商业化的程度,不过这次亲赴印度的实地测试,不仅证实了他们的设计理论,也提供了宝贵的实地信息。

基于这些信息,课题组针对电渗析技术加以进一步创新,提出了更加灵活的电渗析技术,使之能够根据太阳能供应的变化,灵活地调整水的产量。

随后,他们在印度微咸水地下水国家海水淡化研究设施(Brackish Groundwater National Desalination Research Facility)上,建造了新的原型系统。

并利用相关试验平台,针对本次技术进行更精确的监控和评估。

测试结果表明:系统能效得到显著提高,77% 的可用太阳能得到了直接利用。这比传统系统高出 91%,同时电池依赖度相比降低 92%。

当将这些现场测试结果、与该团队针对印度村庄规模淡化项目的理解加以分析,他们发现水的成本降低 22%,这让本次技术能与目前广泛使用的 on-grid RO 系统相媲美。

科学家破解太阳能咸水淡化难题,为富盐卤水储能式淡化提供范例

(来源:Nature Water)

而在印度实地考察期间,在对第一套原型系统进行测试时,发生了一件让贺唯感到非常“反常识”的事情。

在测试时,整套系统由太阳能光伏板供电。但是,实验地点的灯连接着电网,只有在断电时才会自动连接太阳能系统,并会在切换时发出“哔哔”声。

这让他们更能频繁地感受到电网断电的情况。特别到了夜晚,常常只有他们“一家”亮着。

“曾被诟病的新能源的间歇性,反而在这里成了可靠的电源,而在许多国家本应稳定供电的电网,却变成了名副其实的间歇性能源。”他说。

这个经历增强了他和合作者对于新能源的认识,即尽管太阳是一种分布式能源,但却能在偏远地区显著提升能源供给的稳定性。

而在下一步,他们计划拓展灵活电渗析技术在咸水淡化之外的应用。

考虑到电渗析技术技术本身的多用途性和高效率,其在不同领域的潜在应用无疑能带来显著的正面影响,比如在农业灌溉、盐湖提锂、以及利用液态碱捕获二氧化碳等方面获得应用等。

科学家破解太阳能咸水淡化难题,为富盐卤水储能式淡化提供范例

新能源产业链主要集中在中国,期待和国内单位开展合作

另据悉,作为一名土生土长的西安人,尽管并未生活在一个靠海城市。但是,贺唯正是在西安读书期间开始了解海水/咸水淡化技术。

其本科和硕士均毕业于西安交通大学,后在英国伦敦大学玛丽女王学院获得博士学位。

他说:“虽然高考填报志愿时我感到有些迷茫,可能从小受到关于环保报道的影响,心中已萌生一个关于未来的愿景:新能源将成为未来的关键技术。”

在这一信念的引领之下,他选择了西安交通大学能源与动力工程专业。

读研期间,他参加了一个由企业资助的水处理研究课题,首次接触到了海水及咸水淡化技术,并开始从能源视角探索如何更高效地从盐水中获取淡水。

来到英国读博之后,他进一步研究了海水淡化技术与多种新能源的集成机理与应用。

并在美国麻省理工学院从事博士后期间,将研究重点转向太阳能电渗析技术。

“正是我在这一领域的研究,使我荣获英国皇家工程院的 Research Fellowship 资助,开始了我作为独立 PI 的研究生涯。”其表示。

而能源技术作为一项关键的硬科技,在智能化与数字化的时代背景下,涵盖了大量硬件与软件的研究与开发。

特别是在技术产业化过程中,硬件开发不可避免地需要依赖于产业链和供应链的支持。

目前,新能源产业链主要集中在中国,对于探索和建立包括新型电渗析技术在内的新能源产业转化机会,他充满着浓厚兴趣。“同时也期待与国内高校和企业的合作。”他表示。

参考资料:

1.He, W., Le Henaff, AC., Amrose, S.et al. Flexible batch electrodialysis for low-cost solar-powered brackish water desalination. Nat Water (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00213-w

排版:罗以

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