中国工程院院刊Engineering | 广工大王樟新团队、耶鲁大学Elimelech团队：基于纳米孔的盐差发电技术的可行性
第一作者：王樟新
通讯作者：Menachem Elimelech
通讯单位：广工大环境生态工程研究院、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）、耶鲁大学化学与环境工程学院
论文DOI：10.1016/j.eng.2021.02.016
引言
为了满足快速增长的能源需求，可持续能源的开采愈发重要。海水和淡水之间因浓度差异而存在的化学势能成为了一种潜在的可持续能源。根据简单的计算，这种盐差势能的理论总功率可达2 TW，约是当前全球能源消耗的10 %。为将这种盐差势能转化成为电能进行使用，多种盐差发电技术，包括压力延缓渗透技术（PRO）和逆电渗析技术（RED）被研发了出来，但这些技术均被证明实际不可行。近些年来，随着低维度材料的迅猛发展，纳米孔发电机（Nanopore power generator, NPG）被提了出来。有报道称，NPG可产生超高的功率密度（106 W m-2），进而实现盐差发电的应用。然而，迄今为止，NPG还停留在实验室探索阶段，其实际可行性还有待分析。
本文对NPG的实际可行性进行了系统的评估。首先，我们分析了实验室内小型NPG的性能，结果表明，无论所用材料的性能有多么的优越，其功率密度都会受到浓差极化现象的限制。然后，我们分析了工程应用中大型NPG的性能，发现其功率密度随其尺寸的增大会进一步减小，同时，其能量密度也较低。最后，我们发现，考虑到运行过程中的能量损耗（包括预处理能耗与泵的能耗），NPG的净功率密度和净能量密度非常小。因此，我们认为利用NPG进行盐差发电并不具备实际的可行性。
图文导读
NPG的工作原理
纳米孔道内带负电的NPG膜将高浓度和低浓度的溶液分隔开。在浓度梯度的作用下，阳离子会跨NPG膜进行传递，而阴离子的跨膜传递会因电荷效应而被阻碍。由于阴阳离子的选择性传递，NPG膜两侧就会形成电势差。在NPG膜两侧放置两个Ag/AgCl参比电极即可构建一个闭合电路，产生电流，暨盐差发电。
图1. NPG工作原理示意图。
实验室内小型NPG的性能
在理想情况下，NPG的功率密度与材料的导电率呈线性关系（图2c蓝色区域）。然而，在实际操作中，由于流体边界层的存在，浓差极化现象不可避免，而浓差极化会使得NPG膜两侧的浓度差显著降低，进而极大地降低NPG的功率密度（图2a）。根据图2c（红色区域），当材料的导电率增加到了一定程度，NPG的功率密度就无法继续提升，其最大的功率密度随浓差极化边界层的增大而降低（图2d）。因此，无论材料的性能有多么的优越，NPG的功率密度都会受到浓差极化现象的极大限制。
图2. 实验室内小型NPG的性能:（a）浓差极化现象示意图；（b）NPG的等效电路；（c）NPG的功率密度随其导电率的变化；（d）NPG最大功率密度随浓差极化边界层厚度的变化。
工程应用中大型NPG的性能
在工程应用中，NPG的尺寸需要被放大。随着NPG尺寸的增大，其功率密度会进一步降低（图3）。NPG性能的另一个关键指标是能量密度。随着NPG尺寸的增加，其能量密度会增加。然而，根据NPG工作原理，其最大能量密度受到了吉布斯混合自由能的限制。故当NPG的尺寸达到一定程度，其能量密度不会进一步增加。
图3. 工程应用中大型NPG的性能随其尺寸的变化。
实际应用中NPG的性能
在实际运行过程中，NPG还存在着一些无法避免的能量损耗，如海水与河水的预处理能耗以及泵的能耗。这些能耗会进一步降低NPG的净能量密度（图4a）。如图4b所示，NPG的净能量密度和净功率密度均远远低于其能量密度和功率密度。相比于其他的盐差发电技术，如PRO和RED，NPG在实际可行性上并不具备优势。
图4. 实际应用中NPG的性能随其尺寸的变化:（a）净能量密度计算示意图；（b）净能量密度与净功率密度随尺寸的变化。
小结
本文对纳米孔发电机（NPG）的实际可行性进行了系统的评估，发现：（1）由于浓差极化现象的存在，NPG材料性能的提升对其功率密度的提升效果极其有限；（2）工程应用中大型NPG的功率密度和能量密度均较为有限；（3）实际应用中，NPG的功率密度和能量密度会因着运行过程中的能量损耗而进一步降低。因此，NPG并不具备实际的可行性。
作者简介
王樟新，广东工业大学教授，博士毕业于范德堡大学（导师：林士弘），后于耶鲁大学完成博士后研究（导师：Menachem Elimelech）。主要从事膜法水处理技术方面的研究，以第一作者在Science Advances, Engineering, Environmental Science & Technology (Letters), Water Research等期刊发表多篇论文，其中3篇入选ESI高被引论文。获授权国家发明专利2件，美国发明专利1件。
Menachem Elimelech, 耶鲁大学Sterling讲席教授，美国工程院院士，中国工程院外籍院士，是膜分离与水处理领域领军人物。在Science, Nature和专业顶级期刊发表论文600余篇，论文总引用超10万次，H-index为166。
投稿：广工大王樟新课题组、耶鲁大学Menachem Elimelech课题组。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号，拥有近10W活跃读者。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。