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渗透力 编辑

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渗透力

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渗透力、盐度梯度力或蓝色能量是从海水和河水之间的盐浓度差异中获得的能量。两种实用的方法是反电渗析(RED)和压力延迟渗透(PRO)。这两个过程都依赖于膜的渗透。主要废物是苦咸水。这种副产品是正在利用的自然力量的结果:淡水流入由咸水组成的海洋。1954年,Pattle提出,当河流与海洋混合时,就损失的渗透压而言,存在未开发的能量来源,但直到70年代中期,使用选择性渗透膜来利用它的实用方法才出现:概述了勒布。通过压力延迟渗透发电的方法是由SidneyLoeb教授于1973年在以色列贝尔谢巴的内盖夫本古里安大学发明的。勒布教授产生了这个想法,部分原因是他观察到约旦河流入死海。他想收集两种水溶液(一种是约旦河,另一种是死海)混合所产生的能量,而这两种水溶液在这种自然混合过程中会浪费掉。1977年,勒布教授发明了一种通过反向电渗析热机发电的方法。这些技术已在实验室条件下得到证实。它们正在荷兰(RED)和挪威(PRO)开发成商业用途。膜的成本一直是一个障碍。一种基于电改性聚乙烯塑料的新型低成本薄膜使其适合潜在的商业用途。已经提出了其他方法并且目前正在开发中。其中,基于双电层电容器技术的方法和基于蒸气压差的方法。

盐度梯度功率的基础知识

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盐度梯度发电是一种特定的可再生能源替代品,它通过使用自然发生的过程来创造可再生和可持续的电力。这种做法不会污染或释放二氧化碳(CO2)排放物(蒸汽压法将在低压下释放含有CO2的溶解空气——这些不凝性气体当然可以重新溶解,但会产生能量损失)。正如琼斯和芬利在他们的文章“盐度梯度功率的最新发展”中所说,基本上没有燃料成本。盐度梯度能量是利用“淡水和海水的渗透压差”资源。建议使用盐度梯度技术的所有能量都依赖于蒸发以将水与盐分开。渗透压是盐的浓溶液和稀溶液的化学势。当查看高渗透压和低渗透压之间的关系时,盐浓度较高的溶液具有较高的压力。存在不同的盐度梯度发电,但最常讨论的一种是压力延迟渗透(PRO)。在PRO中,海水被泵入压力室,压力室的压力低于淡水和盐水的压力差。淡水在半透膜中移动并增加其在腔室中的体积。当腔室中的压力得到补偿时,涡轮机旋转以发电。在布劳恩的文章中,他指出这个过程很容易以更细分的方式理解。两种溶液,A为盐水,B为淡水,由膜隔开。他说只有水分子可以通过半透膜。由于两种溶液之间的渗透压差,因此,来自溶液B的水将通过膜扩散以稀释溶液A。压力驱动涡轮机并为产生电能的发电机供电。渗透可以直接用于将淡水从荷兰泵入大海。目前这是使用电动泵完成的。

渗透力效率

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耶鲁大学2012年的一项效率研究得出结论,在采用海水抽取溶液和河水给水溶液的恒压PRO中,最高可提取功为0.75kWh/m3(2.7kJ/l),而混合自由能为0.81kWh/m3(2.9kJ/l)—热力学萃取效率为91.0%。

渗透力的方法

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虽然盐度梯度功率的机制和概念仍在研究中,但该电源已在几个不同的位置实施。其中大部分是实验性的,但到目前为止,它们主要是成功的。各种利用这种力量的公司也以许多不同的方式这样做,因为有几个概念和过程可以利用盐度梯度的力量。

压力延迟渗透

一种利用盐度梯度能量的方法称为压力延迟渗透。在这种方法中,海水被泵入压力室,该压力室的压力低于盐水和淡水的压力差。淡水也通过隔膜泵入压力室,这增加了压力室的体积和压力。当压力差得到补偿时,涡轮机旋转,提供动能。挪威公用事业公司Statkraft正在专门研究这种方法,据计算,挪威的这一过程可提供高达2.85吉瓦的电力。Statkraft在2009年11月24日由挪威公主梅特-玛丽特开设的奥斯陆峡湾建造了世界上xxx座原型PRO发电厂。它的目标是在五年内通过渗透产生足够的电力来照亮和加热一个小镇。起初,它确实产生了微不足道的4千瓦——足以加热一个大型电热水壶,但到2015年,目标是25兆瓦——与小型风电场相同。然而,2014年1月,Statkraft宣布不再继续该试点。Statkraft发现,在现有技术的情况下,盐梯度不足以经济,其他研究已同意这一点。在地热盐水和海水淡化厂盐水中可以发现更高的盐梯度,丹麦的一个试点工厂现在正在测试地热盐水。将压力延迟渗透作为反渗透的一种操作模式,而不是一种独立的技术,可能具有更大的潜力。

反向电渗析

正在开发和研究的第二种方法是反向电渗析或反向渗析,其本质上是盐电池的创建。Weinstein和Leitz将这种方法描述为“一系列交替的阴离子和阳离子交换膜可用于从河流和海水的自由能中产生电能。”尽管该原理是在1950年代发现的,但与此类电源相关的技术仍处于初级阶段。标准和对盐度梯度的所有利用方式的全面理解是努力实现的重要目标,以使这种清洁能源在未来更加可行。

电容法

第三种方法是DorianoBrogioli的电容法,它相对较新,迄今为止仅在实验室规模上进行过测试。使用这种方法,通过循环充电与盐水接触的电极,然后在淡水中放电,可以从盐水和淡水的混合中提取能量。由于在充电步骤中所需的电能少于在放电步骤中释放的电能,因此每个完成的循环都有效地产生能量。对这种效应的直观解释是,盐水中的大量离子通过在非常靠近电极表面的地方形成一层相反电荷的薄层,称为双电层,从而有效地中和了每个电极上的电荷。所以,在充电步骤期间,电极上的电压保持较低,充电相对容易。在充电和放电步骤之间,电极与淡水接触。此后,可用于中和每个电极上的电荷的离子减少,从而使电极上的电压增加。因此,随后的放电步骤能够传递相对大量的能量。物理解释是,在带电的电容器上,电极上的电荷与液体中的离子电荷之间存在相互吸引的电力。为了将离子从带电电极上拉走,渗透压必须起作用。所做的这项工作增加了电容器中的电势能。电子解释是电容是离子密度的函数。通过引入盐度梯度并允许一些离子扩散出电容器,这会降低电容,因此电压必须增加,因为电压等于电荷与电容的比率。

蒸汽压差:开式循环和吸收式制冷循环(闭式循环)

这两种方法都不依赖于膜,因此过滤要求不像PRO&RED方案中那么重要。

开环

类似于海洋热能转换(OTEC)中的开放循环。这种循环的缺点是大直径涡轮机(75米以上)在低于大气压的条件下运行以提取盐度较低的水和盐度较高的水之间的能量,这是一个繁琐的问题。

吸收式制冷循环(闭式循环)

为了对空气进行除湿,在喷水吸收式制冷系统中,利用渗透力作为媒介,将水蒸气溶解成具有潮解性的盐水混合物。作为热力热机循环的一部分,主动力源源自热差。

太阳池

在新墨西哥州的EddyPotash矿,一种称为盐度梯度太阳能池(SGSP)的技术正被用于提供矿场所需的能源。这种方法不利用渗透力,只利用太阳能(参见:太阳能池)。到达盐水池底部的阳光被吸收为热量。使用构成池塘的三层之间的密度差异来阻止热量上升的自然对流效应,以捕获热量。上部对流区是最上部,其次是稳定梯度区,然后是底部热区。稳定梯度区是最重要的。该层的盐水不能上升到较高的区域,因为上面的盐水盐度较低,因此密度较小,浮力较大;它不能沉到较低的水平,因为盐水更密集。这个中间区域,稳定梯度区域,有效地成为底层的绝缘体(尽管主要目的是阻止自然对流,因为水是一种差的绝缘体)。来自下层,即储存区的水被抽出,热量用于产生能量,通常通过有机朗肯循环中的涡轮机。理论上,如果使用太阳热蒸发产生盐度梯度,太阳能池可用于产生渗透力,并且使用上述前三种方法之一直接利用该盐度梯度中的势能,例如电容法.

氮化硼纳米管

一个研究小组使用氮化硼构建了一个实验系统,该系统产生的功率比Statkraft原型要大得多。它使用了一种不透水的电绝缘膜,该膜被单根氮化硼纳米管刺穿,外径为几十纳米。通过这种膜将盐水水库和淡水水库分开,研究小组使用浸入纳米管两侧流体中的两个电极测量通过膜的电流。结果表明,该设备能够产生纳安量级的电流。研究人员声称,这是收集渗透能的其他已知技术产量的1,000倍,并使氮化硼纳米管成为一种非常有效的解决方案,可以收集盐度梯度的能量以获得可用电力。该团队声称,一个1平方米(11平方英尺)的膜可以产生大约4千瓦的电力,并且每年能够产生高达30兆瓦时的电力。在材料研究学会2019年秋季会议上,罗格斯大学的一个团队报告说,他们制造了一种每立方厘米含有约1000万个BNNT的膜。

通过在低盐度溶液中再生高溶液碳酸氢铵来使用低热量废物能源

在宾夕法尼亚州立大学,Logan博士试图利用低热量的废热利用碳酸铵在温水中分解成NH3和CO2以在冷水中再次形成碳酸氢铵的事实。因此,在产生RED能量的封闭系统中,两个不同的盐度梯度得以保持。

渗透力

可能的负面环境影响

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海洋和河流环境在水质即盐度上存在明显差异。每种水生植物和动物都适合在海洋、咸水或淡水环境中生存。有些物种可以同时容忍这两种情况,但这些物种通常在特定的水环境中茁壮成长。盐度梯度技术的主要废物是苦咸水。将微咸水排放到周围水域,如果大量且有规律地排放,将导致盐度波动。虽然盐度的一些变化是常见的,尤其是在淡水(河流)无论如何都流入海洋或大海的情况下,但这些变化对于两个水体来说变得不那么重要了,因为添加了微咸废水。水生环境中的极端盐度变化可能导致动物和植物的低密度发现,这是由于对突然严重的盐度下降或尖峰的不耐受。根据流行的环保主义观点,未来大型蓝色能源设施的运营商应考虑这些负面影响的可能性。通过将微咸水抽到海中并将其释放到远离表层和底部生态系统的中层,可以xxx限度地减少咸水对生态系统的影响。由于PRO和RED计划都使用了大量的河流和海水,因此取水结构的冲击和夹带是一个问题。进水口施工许可证必须符合严格的环境法规,并且利用地表水的海水淡化厂和发电厂有时需要与各种地方、州和联邦机构合作,以获得可能需要长达18个月的许可。


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词条目录
  1. 渗透力
  2. 盐度梯度功率的基础知识
  3. 渗透力效率
  4. 渗透力的方法
  5. 压力延迟渗透
  6. 反向电渗析
  7. 电容法
  8. 蒸汽压差:开式循环和吸收式制冷循环(闭式循环)
  9. 开环
  10. 吸收式制冷循环(闭式循环)
  11. 太阳池
  12. 氮化硼纳米管
  13. 通过在低盐度溶液中再生高溶液碳酸氢铵来使用低热量废物能源
  14. 可能的负面环境影响

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