利用海水和河水的盐分浓度差异发电

2021-07-09 17:01:25
导读 从海水和河水的盐分浓度差异中产生能量听起来很神奇,但它确实有效!蓝色能源,因为这种相当晦涩的可持续能源形式众所周知,具有巨大的潜力

从海水和河水的盐分浓度差异中产生能量听起来很神奇,但它确实有效!蓝色能源,因为这种相当晦涩的可持续能源形式众所周知,具有巨大的潜力。理论上,一条普通的河流可以产生与使用 142 米高的瀑布发电的水电站一样多的蓝色能量!博士 研究人员 Diego Pintossi 开发了新的方法来理解和解决污垢堵塞用于产生蓝色能量的膜的问题。他将于 6 月 11 日星期五在 TU/e 进行论文答辩。

Blue Energy 使用一种称为反向电渗析 (RED) 的技术,其中河流和海水中带正电和带负电的盐离子穿过称为离子交换膜的膜。这种电荷运动产生电能。

整个过程是基于海水有很多盐和河水很少的想法。我们可以利用液体之间盐分浓度的差异来发电。反向电渗析,顾名思义,使用与电渗析相同的过程,电渗析是一种常用于清洁或淡化水的技术,但顺序相反。

积蓄力量

由于熵,含有不同盐浓度的水流的混合是一个自发过程。将其视为自然自发地寻求创造一种平衡状态,”研究员 Diego Pintossi 解释说,他是 Kitty Nijmeijer 教授的膜材料和工艺小组的一员,并在欧洲可持续水技术研究中心 Wetsus 进行了研究。在吕伐登。

“通过在两个流之间放置膜,您可以选择在溶液之间交换哪些盐离子。在这种情况下,我们使用两个膜(见图):一个膜传输带负电荷的氯阴离子 (Cl-),另一个传输正电荷带电的钠离子 (Na+)。这些膜被放置在堆栈中,就像在燃料电池中一样,因此可以将各个电压差异结合起来产生足够的电力。”

蓝色能源是可再生能源,不易受到太阳能和风能等日常波动的影响,但迄今为止,膜的成本阻碍了该技术的广泛采用。然而,近年来,该领域出现了一些令人兴奋的发展。2014 年,世界上第一个示范试点(50 kW) 在阿夫鲁戴克启动,使用来自(咸)Waddenzee 和(淡水)IJsselmeer 的水。

堵住污垢的问题

“使用河流和海水时的一个重要问题是污垢,”Pintossi 说。“溶解在水中的成分,如细菌、粘土、盐或有机物,会积聚在膜上和膜中,从而降低细胞的电力输出。”

“在我的研究中,我试图为这个问题想出解决方案,这就是众所周知的‘污垢’。” 首先,我开发了一种新技术来监控结垢过程。我发现通过使用电化学阻抗谱,我能够在结垢发生的早期阶段进行预测。这有助于决定何时需要清洁堆栈,以及需要清洁多少。”

研究人员随后研究了硫酸盐对膜的影响。“我们知道,硫酸盐等带负电的大颗粒会严重降低细胞的功率输出,因为它们与膜电荷相互作用强烈。这会阻止盐水颗粒的传输并影响电力的产生。”

Pintossi 还开发了两种模型来描述结垢对发电的影响:“这些模型对于预测大规模装置的发电量特别有用。它们有助于降低这些装置的成本。”

两性离子涂层

当然,找出结垢问题的原因并不能解决问题。因此,研究人员还开发了两种成功的化学方法来修饰膜表面,使其更耐污染。两者都使用基于所谓的两性离子的特殊涂层。

“两性离子或内盐是包含相同数量的带正电和带负电粒子的分子。因此,它们往往会使 RED 细胞中的膜更具亲水性;换句话说,它们更容易被水吸引. 这不仅延迟了结垢开始的时间,还延迟了结垢的增长,”Pintossi 解释道。

“总而言之,我的研究是朝着大规模实施蓝色能源作为可持续、可再生能源迈出的重要一步。”

机器学习

对于未来,这位来自意大利的年轻研究人员认为机器学习的应用前景广阔。“膜、水和污垢之间的关系极其复杂,因此很难以机械方式建模。”

“然而,通过使用大量数据,例如来自 Afsluitdijk 试点安装的数据,我们将能够建立一个机器学习模型,将 RED 烟囱和水的特性与 RED 烟囱污染程度联系起来。这样,我们可以更好地理解犯规的过程。”

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