据科学网2014年9月5日讯 迫于环境恶化和资源短缺的压力，人类不得不开始减少开采不可再生的化石能源，转而探索开发可持续利用的再生能源。除了太阳能、风能、潮汐能等新能源外，“盐差能”恐怕少人知晓。
　　近日，《膜科学》期刊刊登了一篇美国麻省理工学院一支机械工程师小组的论文。文章称，河流与海洋交汇处就存在开发大量可再生能源的潜力。这个名为压力渗透（PRO）的能量产生新方法，就是利用两种具有不同盐浓度的水之间的势能产生能量。原则上来说，一个PRO系统将用一个半渗透性的膜将河水和海水隔开。河水将通过膜渗透到事先增压、盐度更高的海水一边，驱动涡轮机产生能量，也就是盐差能。
　　前景诱人
　　盐差能的形成原理，解释起来并不困难。“盐差能需要淡水与盐水通过渗透膜（正渗透膜）进行，这种膜与反渗透膜区别在于，由于浓度差，水从稀侧向浓侧渗透，浓侧达到一定水压高度，则可通过涡轮发电。普通反渗透膜是在浓侧加大渗透压的压力，水从浓侧渗透到稀侧，稀侧得到淡水。前者是为得到能源，后者是为得到淡水。故正渗透膜要在使用中克服膜内、外浓差极化；反渗透膜在使用中要承受一定高压。”中国工程院院士、浙江工业大学海洋学院院长高从在接受《中国科学报》记者采访时说，这个地方有个概念问题，正渗透（FO）和反渗透（RO）都是以水处理或者海水淡化为目的的技术，而压力阻尼渗透（PRO）是获得能量的技术。
　　盐差能的发现极其偶然。1784年，法国科学家诺勒（Jean Antoine Nollet）发现灌满酒的猪膀胱放在水里会胀大并最后胀裂。1887年，范特霍夫（Vant Hoff）用气体研究渗透现象，提出渗透压的概念，并计算出了压强的大小。理论上，淡水对海水的渗透压可达2.6MPa（兆帕斯卡），相当于270米水头（单位质量的液体所具有的机械能），也就是说，每平方厘米上承受27公斤物体所产生的压力。
　　1977年，杰拉尔德维克和沃特施密特在《海洋技术学会》期刊发表论文提出，全球可供利用的盐差能功率可达2.6太瓦（TW，1TW＝109kW）。
　　“利用盐差获取能源好处很多。”中国科学院广州能源研究所研究员游亚戈告诉《中国科学报》记者，“首先，淡水向盐水渗透，形成压差，相当于盐水侧的水面会上涨，再经过涡轮机就能发电。其次，河水本来就要流入大海，与海水混合；利用盐差能，只是在河水与海水混合前，将其能量提取出来，并没有减少河水流入大海的流量、成分，不污染环境。”游亚戈说，而且由于海洋与河流是现成的资源，不会像风力发电和太阳能发电一样，受到天气因素的制约。
　　说时容易做时难
　　然而，这一切听起来简单，实现起来却并不容易。自人类意识到盐差可以产生能源起，这项研究几乎一直停留在理论阶段。
　　在上世纪70年代，各国开展了许多调查研究，以寻求提取盐差能的方法。1976年，以色列的Sidney Loeb制造了一套渗透法装置，验证了盐差能利用的可行性。我国于1979年开始盐差发电的研究，1985年西安冶金建筑学院研制了一套可利用干涸盐湖盐差发电的试验装置。“目前，全球只有挪威在海边建立了一个小型的实验装置。”游亚戈说。
　　而在获取盐差能的方案中，科学家最常利用的就是渗透法。美国麻省理工学院进行的实验中，用的也是这种方法。所谓“渗透法”，即用特殊薄膜在容器内把海水与淡水隔开后，淡水会向海水一侧渗透，导致海水侧对膜的压力会高于淡水这一侧。利用这个压差和膜渗透的流量，推动水轮机，从而进行发电。
　　“美国的这项研究中提到在河流和海洋的交界处存在能源，这种说法成立，但实现起来难度太大。首先，盐差能的产生基于淡水与盐水之间的浓度差异，而入海口海水盐度较低，无法达到正常海水的浓度。”游亚戈说，“更重要的是，淡水通过渗透膜渗透到盐水一侧后，盐水部分将会被稀释。要使盐差发电持续进行，必须要耗能向变淡的海水侧输入原海水，保持盐水的浓度不变。”
　　游亚戈进一步解释说，渗透压达到270米水头，听起来势能巨大，但是目前淡水通过每平方米膜渗透到盐水的功率只有3W。维持盐差发电所耗的能比盐差发电得到的能量还多。而要想使盐差能发电能量大于耗能，关键是要提高膜的渗透功率。
　　盐差发电的技术进化
　　为了以最小成本达到最佳效果，美国麻省理工学院的研究小组建立了一个模型评估较大PRO系统的性能和最优维度。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%。一个PRO系统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。
　　中国海洋大学化学化工学院副教授王志宁对《中国科学报》记者解释说，在正渗透中，有两点最关键，即使用的渗透膜和汲取液。合格的正渗透膜，应具有水通量高、内浓差极化小、经久耐用等特性，并能最大限度地阻止盐分通过。
　　王志宁说，至于汲取液，目前报道较多的有蔗糖溶液、氯化镁溶液以及碳酸氢铵，紧急情况下，被透过正渗透膜的淡水稀释的蔗糖溶液可以直接饮用；而选择碳酸氢铵，则是因为它遇热可以分解为二氧化碳和氨气，从而获得淡水，而冷却后碳酸氢铵汲取液可以回收。
　　“但是碳酸氢铵易分解的性质，也影响了其使用的安全性。”王志宁说，与演示实验同理，如果在河流的入海口使用一种大型PRO渗透膜，将河水与海水分开的话，就能利用压力阻尼渗透的方法收集能量。
　　王志宁表示，对于膜面积与获取能量之间的关系，与很多因素有关，比如盐度差、膜面积等。“研究理论与实际操作不一样。在实际操作中存在浓差极化现象。而在理论阶段，模型往往简单化，不会考虑浓差极化、膜组件设计、膜污染等因素。”
　　王志宁解释说，“简单来讲，膜面积越大获取的能量也会更多。目前的研究还是集中在如何提高膜的质量上，频繁更换受污染的膜等都是限制成本的因素”。
　　游亚戈则表示：“渗透膜技术进步是巨大的。2008年，挪威、荷兰、德国等国的科学家发明研制的渗透膜，将之前盐差能从每平方米渗透功率0.1W提升到3W。这个巨大进步，让大家看到了希望。”