盐的力量：河水海水交汇可提供可再生能源

据美国麻省理工学院一支机械工程师小组表示，河流与海洋交汇处就存在开发大量可再生能源的潜力。研究人员评估了这个名为压力渗透(PRO)的能量产生新方法，也就是两条具有不同盐浓度的水流相混合以产生能量。原则上来说，一个PRO系统将在一个半渗透性的膜两边吸收河水和海水。通过渗透，盐度较低的一边水流将穿透膜到达事先增压、盐度更高的一边，这创造了液体的流动，后者穿过涡轮机可以产生能量。

美国麻省理工学院的研究小组已经建立了一个模型评估较大PRO系统的性能和最优维度。整体来说，研究人员发现系统的膜越大，产生的能量越多——但也有一定的极限。有趣的是，只要通过最大隔膜面积的一半甚至更少就能获得一个系统最大能量产出的95%。

美国麻省理工学院机械工程学院研究生李奥纳多·本奇克(Leonardo Banchik)表示，减少产生能量所需的膜的大小将降低建造PRO工厂的大部分预付成本。“人们试图查明这些系统在河流和海洋交汇处是否是可行的，” 本奇克说道。“如果你能够确定合适的隔膜面积，也即超过这个特定面积回报将急剧减少，你就可以节省不必要的开支。”

本奇克和他的同事还根据两条水流的盐浓度估计了产生能量的最大值：盐浓度比率越大，产生的能量越高。例如，他们发现卤水——海水淡化的副产品——和处理过的废水的混合物产生的能量是海水和河水混合物产生的两倍。

基于他的计算，本奇克表示一个PRO系统潜在的可以为沿海综合污水处理厂提供能量，这主要是通过吸收海水并将它与被治理的废水相结合以产生可再生能量来实现。

“例如在波士顿港鹿岛污水处理厂，这里废水与海洋交汇…理论上来说PRO系统可以为整个废水治理提供所需的能量。” 本奇克说道。他与麻省理工学院阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水和食物实验室的约翰·林哈德(John Lienhard)教授，以及沙特阿拉伯法赫德国王石油矿业大学的穆斯塔法·沙恰伊(Mostafa Sharqawy)合作进行的这项研究被发表在期刊《膜科学》上。

寻找自然的均衡

研究小组将它的模型基于一个简单的PRO系统上，系统里的一个巨大半渗透性膜将一个长方形水箱一分为二。水箱一边会吸收受压的咸海水，而另一边则吸收河水或者废水。通过渗透作用，水能够通过膜，但盐不能。结果淡水穿透膜以平衡盐度较高的一边。“自然总希望实现两条水流之间的平衡。” 本奇克解释道。

随着淡水进入盐度较高的一边，它不断受压同时增加了膜盐度较高一边的水流速率。随着这种受压混合物离开水箱，涡轮机从这些水流里获得了能量。本奇克表示虽然其他人可能已经对PRO系统的能量潜力进行了建模，但这些模型只针对实验室规模的系统有效，这种系统只能包含优惠券大小的膜。这样的模型假定膜一边的盐度和进来的水流是恒定的，考虑到这样稳定的状态，这些模型预测了一种线性关系：膜越大，产生的能量越多。

但当水流进入一个大至发电厂的系统里时，水流的盐度和流量将发生自然的变化。为了解释这种变异性，本奇克和同事基于热交换器的比喻建立了一个模型。“就像你汽车里的散热器会在空气和冷却剂之间交换热量一样，这个系统也会通过膜交换质量或者水，” 本奇克说道。“文献里提到了一种对热交换器进行定型的方法，我们借用了那个方法。”

研究人员提出的模型使得他们能够分析膜的大小、渗透率和流动速率等参数的一系列数值。借助这个模型，他们观察到大型系统里能量和膜大小之间的非线性关系。相反，随着膜区域大小的增加，产生的能量会到达一个极限点，之后产生的能量就趋于平稳。虽然对于一个特定大小的膜而言，一个系统是能够产生能量最大值，但这个系统只需要利用这个膜的一半大小就可以产生最大能量的95%。

即便如此，如果PRO系统被用于为波士顿鹿岛污水处理厂供应能量，这个处理厂的膜将异常巨大——至少250万平方米，本奇克表示这将成为世界上最大的操作反渗透装置的隔膜面积。

“即使这看起来很多，但聪明的人将知道如何将这些膜压缩成小容量。例如，有些可以是螺旋散绕的，也就是平板像卫生纸一样绕着中央管道卷起来。这些模块的布置究竟应该是怎么样的，目前仍有很多地方值得研究。”

“假设我们身处一个可以使用淡化水的地区，例如加州，在那里常常经历可怕的干旱。目前加州正在临近海边地区建造一个海水淡化装置，这个装置将吸收海水并转化为淡水供加州人民饮用。它将会产生更咸的卤水，你可以将它与废水相结合产生能量。目前仍需要进行很多研究调查这一方案的经济可行性，但它背后的科学原理是可靠的。”国家科学基金会和法赫德国王石油矿业大学经清洁水和清洁能源中心对这项研究提供了资金支持。