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中科院理化所利用天然蚕丝制备复合膜可让盐差能发电
中国科学院理化技术研究所 辛伟闻 / 时间:2019-11-19 10:27:35

  据国科大未来技术学院微信公众平台2019年11月16日讯 电,在我们生活中不可或缺。人们可以用水发电,可以用太阳能发电,可以用风能发电……其实,还可以用“盐”发电,这里的“盐”,指的就是盐差能。
  何为盐差能?在江河的入海处,由于淡水和海水的盐度不同,海水对于淡水存在着渗透压以及稀释热、吸收热、浓淡电位差等浓度差能,这种能量可以用以转换成电能。
  盐差能资源有巨大的储量
  盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。
  作为海洋生态能源的一种,盐差能是21世纪新兴的绿色能源,有很大的发展前景。我国河流江海众多,径流量大,盐差能资源有巨大的储量。
  一般海水含盐度为3.5%,河水的盐度很低,大约只有海水的五十分之一。从理论上讲,如果这个盐差能利用起来,从河流流入海中的每立方英尺的淡水可发0.65kw·h的电。如果用很有效的装置来提取世界上所有河流的这种能量,那么可以获得约2.6TW的电力。而更引人注目的是盐矿藏的潜力。在死海,淡水与咸水间的渗透差更大,所产生的盐差能更可观,能够转化更多的电能。
  据估计,世界各河口区的盐差能达30TW,可能利用的有2.6TW。我国的盐差能估计为1.1×108kw,主要集中在各大江河的出海处,同时,我国青海省等地还有不少内陆盐湖可以利用。
  渗透电池法:高性能离子交换膜是关键
  那么,如何提取这种能源呢?目前,世界上很多国家都在对海洋盐差能进行研究,不过总体还处于初期阶段。
  现在比较成熟的盐差能发电的能源转换方式有三种:渗析电池法、渗透压能法、蒸汽压能法。其中,渗透电池法受到科学家们广泛关注。该方法中的重要组件是高性能离子交换膜,它的作用是进行离子传输,实现能量转换。研发出价格便宜、性能优异、稳定性良好的离子交换膜是实现盐差能量转换的关键因素。


中科院理化所利用天然蚕丝制备复合膜可让盐差能发电

未来利用离子交换膜堆装置捕获能量示意图(图片来源:中国科学院理化技术研究所)


  制备高性能离子交换膜,实现高能量输出
  日前,中科院理化所闻利平研究员团队以渗析电池法为基础进行相关研究,制备出了高性能离子交换膜,实现了2.86W/m2的能量输出。
  该研究主要是利用天然的蚕丝与大规模生产的阳极氧化铝组装成异质结构。该复合膜具有非对称的孔道尺寸,非对称的电荷极性,以及非对称的化学行为。这种非对称结构有助于减少浓差极化的影响。而且天然的蚕丝以及规模化的氧化铝的成本较低,这为大规模的生产与应用提供了基础。


中科院理化所利用天然蚕丝制备复合膜可让盐差能发电

丰富的蚕丝材料及其多级结构


  此外,研究团队利用模拟对复合膜的离子传输性能进行研究。结果表明,具有异质结构的孔道更有利于离子的传输。


中科院理化所利用天然蚕丝制备复合膜可让盐差能发电

复合膜用于离子传输(图片来源:中国科学院理化技术研究所)


  进一步的实验表明,复合膜的性能优于单一的蚕丝膜以及氧化铝膜。而且盐差能量转换的能量密度实现了2.86W/m2。不仅如此,该团队的复合膜在不同的盐差情况下均能有效工作,并且实现持续的能量输出。


中科院理化所利用天然蚕丝制备复合膜可让盐差能发电

复合膜的盐差能量转换性能(图片来源:中国科学院理化技术研究所)


  科研人员还对复合膜的最佳工作条件进行了详细探究。当蚕丝厚度为10μm、氧化铝孔径为80nm时,复合膜性能达到最佳。这些研究为将来构筑异质膜的条件提供了理论指导与借鉴意义。
  地球上蕴藏着巨大的水资源,全球约有四分之三的面积覆盖着海水。海水资源作为人类拥有的最丰富和方便的能源,一直受到全世界科学家们的广泛关注。盐差能作为海洋生态能源的一种,有着很大的发展前景。科学家们还将在该领域做进一步的研究和探索。
  相关研究成果发表在Nature Communications上,该工作被进行Highlight报道。(Xin et al. High-performance silk-based hybrid membranes employed for osmotic energy conversion. Nat. Commun. 2019, 10, 3876-3885)