科學(xué)家破解太陽(yáng)能地下咸水淡化經(jīng)濟性難題，為富鹽鹵水“儲能式”淡化提供范例

近日，英國倫敦國王學(xué)院副教授 賀唯 和合作者， 開(kāi)發(fā)一種新型的高靈活性電滲析技術(shù)，提升了太陽(yáng)能淡化技術(shù)的應用效率，緩解了太陽(yáng)能間歇發(fā)電特性對于技術(shù)性能與經(jīng)濟性的影響。

圖 | 賀唯（來(lái)源： 賀唯 ）

作為一種新型的“儲能式”淡化技術(shù)，本次所研發(fā)的電滲析技術(shù)可以像儲能技術(shù)一樣，將間歇性太陽(yáng)能進(jìn)行高效轉化，并儲存于凈化之后的飲用水中。

通過(guò)此，可以實(shí)現能源供應與飲用水生產(chǎn)能耗的解耦，滿(mǎn)足特定地區居民對于水資源的需求。

并能為缺少穩定電網(wǎng)供給的偏遠農村地區，提供一種可持續的飲用水解決方案。

與此同時(shí)，相比依賴(lài)于電網(wǎng)電力或依賴(lài)于昂貴電池儲能系統的傳統淡水化技術(shù)，本次研究旨在通過(guò)“儲能式”淡化技術(shù)，將太陽(yáng)能直接轉化為飲用水，從而告別對于電池儲能的依賴(lài)。

鑒于儲水成本遠遠低于電池儲能成本，因此該技術(shù)在提高能源利用效率的同時(shí)，也能提升太陽(yáng)能淡化技術(shù)的經(jīng)濟性。

日前，相關(guān)論文以《低成本太陽(yáng)能海水淡化用的靈活批量電滲析》（ Flexible batch electrodialysis for low-cost solar-powered brackish water desalination ）為題發(fā)在 Nature Water [1]。

賀唯 是第一作者兼共同通訊，美國麻省理工學(xué)院阿莫斯 G. 溫特 V（ Amos G. Winter V ）教授擔任共同通訊。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源： Nature Water ）

具體來(lái)說(shuō)，這款電滲析技術(shù)有望用于以下場(chǎng)景：

其一，用于偏遠地區飲用水供應。

如前所述，由于該技術(shù)能將太陽(yáng)能直接轉換成淡化水，因此特別適合于電網(wǎng)不穩定、或暫未覆蓋電網(wǎng)的偏遠地區。

屆時(shí)，這些地區的居民可以直接從地下含鹽水源獲取到安全飲用水，從而改善飲用水的供給。

其二，用于農業(yè)灌溉。

在水資源緊張的農業(yè)區域，該技術(shù)可用于提供灌溉所需的淡水。

特別是在鹽堿土壤較多的地區，利用電滲析技術(shù)對水進(jìn)行淡化自后，可以有效減少土壤鹽分，從而提高農作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

其三，用于工業(yè)富鹽廢水回收。

許多工業(yè)過(guò)程比如食品加工等，會(huì )產(chǎn)生大量富鹽廢水。而在富鹽廢水的回收和處理中，電滲析技術(shù)可以顯著(zhù)提高其效率。

其四，用于鹽湖提鋰。

電滲析技術(shù)可以從鹽湖中高效地提取鋰離子，并能將鋰提取過(guò)程與太陽(yáng)能等新能源進(jìn)行集成，從而將太陽(yáng)能（包括棄光）轉化成高價(jià)值的鋰材料，進(jìn)而以低排放、高質(zhì)量的方式提取鋰離子。

（來(lái)源： Nature Water ）

約 17 億人口居住在水資源緊張地帶

據介紹，本次研究立足于全球性水資源匱乏的嚴峻背景，尤其關(guān)注發(fā)展中國家農村地區面臨的飲用水短缺挑戰。

當前，全球逾 20 億人口依賴(lài)地下水作為飲水來(lái)源，但是約 17 億人口居住在水資源緊張地帶。

由于自然因素和人為因素導致的鹽堿化，地下水質(zhì)量正在逐漸惡化，致使眾多水源變得咸澀或含鹽，不宜直接飲用。

盡管采取傳統的海水/咸水淡化技術(shù)，可以有效提取淡水。但其普遍依賴(lài)電網(wǎng)供電及基礎設施，限制了其在偏遠地區的應用。

特別是在許多發(fā)展中國家，比如印度的偏遠地區，要么沒(méi)有覆蓋電網(wǎng)，要么電網(wǎng)遭遇斷電。加之電力大多源于燃煤電廠(chǎng)，導致碳排放量較高。

然而，這些地區通常日照充足，因此分布式太陽(yáng)能淡水化技術(shù)，可以作為一種可持續的普適性解決方案，來(lái)應對偏遠地區的水資源短缺問(wèn)題。

據介紹，本次研究起源于 賀唯 的合作者——美國麻省理工學(xué)院阿莫斯 G. 溫特 V（ Amos G. Winter V ）的一個(gè)項目。

此前，后者曾與印度 Tata 公司合作開(kāi)展了一系列針對飲用水和農業(yè)灌溉水資源匱乏的研究項目。

后來(lái)，麻省理工學(xué)院托尼奧·布奧納西（ Tonio Buonassisi ）教授也加入了上述項目。

通過(guò)此，采用以太陽(yáng)能進(jìn)行地下咸水淡化和農業(yè)滴灌的技術(shù)路線(xiàn)得以建立，從而希望起到擴大水資源利用、并減少水消耗的作用。

同時(shí)，也明確了將光伏-電滲析技術(shù)用于太陽(yáng)能咸水淡化的經(jīng)濟優(yōu)勢。就在這時(shí)， 賀唯 加入了上述項目。

為了進(jìn)一步降低光伏-電滲析技術(shù)的成本，他們利用第一性原理建立了光伏-電滲析技術(shù)的設計理論，并基于該理論優(yōu)化設計了光伏-電滲析技術(shù)系統。

（來(lái)源： Nature Water ）

2017 年，第一個(gè)原型系統在印度一個(gè)名為 Chelluru 的村落完成構建和測試。

通過(guò)此，他們不僅驗證了光伏-電滲析技術(shù)模型和系統設計的理論，也深入了解了印度農村地區咸水淡化系統的規格要求和成本考量。

他們發(fā)現，盡管光伏-電滲析技術(shù)技術(shù)的成本低于太陽(yáng)能反滲透（PV-RO，Photovoltaic-Reverse Osmosis）系統。但與電網(wǎng)驅動(dòng)的反滲透（on-grid RO，on-grid Reverse Osmosis）系統相比，成本優(yōu)勢還不夠突出。

而 on-grid RO 系統已在印度農村地區實(shí)現商業(yè)化，這表明光伏-電滲析技術(shù)還沒(méi)有達到市場(chǎng)可接受的成本，或者說(shuō)還無(wú)法在當地形成咸水淡化系統的商業(yè)模式。

雖然第一個(gè)原型系統的成本尚未達到商業(yè)化的程度，不過(guò)這次親赴印度的實(shí)地測試，不僅證實(shí)了他們的設計理論，也提供了寶貴的實(shí)地信息。

基于這些信息，課題組針對電滲析技術(shù)加以進(jìn)一步創(chuàng )新，提出了更加靈活的電滲析技術(shù)，使之能夠根據太陽(yáng)能供應的變化，靈活地調整水的產(chǎn)量。

隨后，他們在印度微咸水地下水國家海水淡化研究設施（Brackish Groundwater National Desalination Research Facility）上，建造了新的原型系統。

并利用相關(guān)試驗平臺，針對本次技術(shù)進(jìn)行更精確的監控和評估。

測試結果表明：系統能效得到顯著(zhù)提高，77% 的可用太陽(yáng)能得到了直接利用。這比傳統系統高出 91%，同時(shí)電池依賴(lài)度相比降低 92%。

當將這些現場(chǎng)測試結果、與該團隊針對印度村莊規模淡化項目的理解加以分析，他們發(fā)現水的成本降低 22%，這讓本次技術(shù)能與目前廣泛使用的 on-grid RO 系統相媲美。

（來(lái)源： Nature Water ）

而在印度實(shí)地考察期間，在對第一套原型系統進(jìn)行測試時(shí)，發(fā)生了一件讓 賀唯 感到非?！胺闯ＷR”的事情。

在測試時(shí)，整套系統由太陽(yáng)能光伏板供電。但是，實(shí)驗地點(diǎn)的燈連接著(zhù)電網(wǎng)，只有在斷電時(shí)才會(huì )自動(dòng)連接太陽(yáng)能系統，并會(huì )在切換時(shí)發(fā)出“嗶嗶”聲。

這讓他們更能頻繁地感受到電網(wǎng)斷電的情況。特別到了夜晚，常常只有他們“一家”亮著(zhù)。

“曾被詬病的新能源的間歇性，反而在這里成了可靠的電源，而在許多國家本應穩定供電的電網(wǎng)，卻變成了名副其實(shí)的間歇性能源?！彼f(shuō)。

這個(gè)經(jīng)歷增強了他和合作者對于新能源的認識，即盡管太陽(yáng)是一種分布式能源，但卻能在偏遠地區顯著(zhù)提升能源供給的穩定性。

而在下一步，他們計劃拓展靈活電滲析技術(shù)在咸水淡化之外的應用。

考慮到電滲析技術(shù)技術(shù)本身的多用途性和高效率，其在不同領(lǐng)域的潛在應用無(wú)疑能帶來(lái)顯著(zhù)的正面影響，比如在農業(yè)灌溉、鹽湖提鋰、以及利用液態(tài)堿捕獲二氧化碳等方面獲得應用等。

新能源產(chǎn)業(yè)鏈主要集中在中國，期待和國內單位開(kāi)展合作

另?yè)?，作為一名土生土長(cháng)的西安人，盡管并未生活在一個(gè)靠海城市。但是， 賀唯 正是在西安讀書(shū)期間開(kāi)始了解海水/咸水淡化技術(shù)。

其本科和碩士均畢業(yè)于西安交通大學(xué)，后在英國倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院獲得博士學(xué)位。

他說(shuō)：“雖然高考填報志愿時(shí)我感到有些迷茫，可能從小受到關(guān)于環(huán)保報道的影響，心中已萌生一個(gè)關(guān)于未來(lái)的愿景：新能源將成為未來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)?！?/span>

在這一信念的引領(lǐng)之下，他選擇了西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)。

讀研期間，他參加了一個(gè)由企業(yè)資助的水處理研究課題，首次接觸到了海水及咸水淡化技術(shù)，并開(kāi)始從能源視角探索如何更高效地從鹽水中獲取淡水。

來(lái)到英國讀博之后，他進(jìn)一步研究了海水淡化技術(shù)與多種新能源的集成機理與應用。

并在美國麻省理工學(xué)院從事博士后期間，將研究重點(diǎn)轉向太陽(yáng)能電滲析技術(shù)。

“正是我在這一領(lǐng)域的研究，使我榮獲英國皇家工程院的 Research Fellowship 資助，開(kāi)始了我作為獨立 PI 的研究生涯?！逼浔硎?。

而能源技術(shù)作為一項關(guān)鍵的硬科技，在智能化與數字化的時(shí)代背景下，涵蓋了大量硬件與軟件的研究與開(kāi)發(fā)。

特別是在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，硬件開(kāi)發(fā)不可避免地需要依賴(lài)于產(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈的支持。

目前，新能源產(chǎn)業(yè)鏈主要集中在中國，對于探索和建立包括新型電滲析技術(shù)在內的新能源產(chǎn)業(yè)轉化機會(huì )，他充滿(mǎn)著(zhù)濃厚興趣?！巴瑫r(shí)也期待與國內高校和企業(yè)的合作?！彼硎?。

參考資料：

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：羅以

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