张 仂，孟兴智，潘文琦

(1.中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450；2.中国盐业股份有限公司，北京 100055)

盐差能是两种含盐浓度不同的卤水之间的化学电位差能，在自然界中主要存在于河海交接处(入海口)。与波浪能、温差能、海流能、潮汐能等一样，盐差能同为海洋可再生绿色能源的一种。与其他海洋能源相比，盐差能较少受气候条件限制，但也是众多海洋能源中最少被开发利用的一种可再生能源。它是一种以化学形态出现的海洋能源，淡水储量丰裕地区的盐湖和地下盐矿也可以利用盐差能。

盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源，通常海水与河水之间的化学电位差相当于140 m～240 m高的水位落差。1 m3的淡水流入海水中，释放出的能量约0.61 kW·h[1]。据测算，全球范围内理论上约有1.72 TW的盐差能，其中，约983 GW可被开发利用[2]。海洋中盐差能总蕴藏量排在海洋波浪发电能量之后，比海洋中的潮汐和海流的能量都要大。

1 渗透现象

渗透是水或溶剂分子在渗透压驱动下通过半透膜由稀溶液向浓溶液传递直至渗透平衡的自发过程(图1)。当两种不同盐度的溶液被一层只能通过水分而不能通过盐分的半透膜相分割的时候，两边的溶液就会产生一种渗透压，促使水从浓度低的一侧通过这层透膜向浓度高的一侧渗透，使浓度高的一侧水位升高，直到膜两侧的含盐浓度相等为止，这就是渗透现象，渗透过程见图2。

图1 渗透现象Fig.1 Infiltration phenomenon

当这种自发渗透过程被用于海水淡化等水处理过程时，该过程称为正渗透(forward osmosis，FO)，其驱动力为半透膜两侧溶液的渗透压差Δπ，无外加压力Δp=0(图2c)。当渗透驱动力为施加于浓溶液测的外压力Δp>Δπ，水分子或溶剂分子从高浓度一侧向低浓度一侧流动，该过程为反渗透(reverse osmosis，RO)(图2d)。相比之下，压力延滞渗透(pressure retarded osmosis，PRO)过程在渗透机理上近似于正渗透，即在两种溶液的渗透压差驱动下促使水或溶剂分子由稀溶液(又称供给液，如河水)向浓溶液(又称汲取液，如海水)传递。但是，PRO过程同时会在汲取液一侧施加一个低于渗透压差的外压0<Δp<Δπ，从而延滞水分子的过膜扩散(图2e)，由此产生的汲取液体积扩张可推动涡轮旋转而做功发电[3]。

图2 渗透过程Fig.2 Infiltration process

2 盐差能利用技术

目前，获取盐差能的技术包括压力延滞渗透法、反电渗析法(Reverse electrodialysis，RED)、蒸汽压法、电容混合法等。其中，PRO法和RED法已经投入试点，作为重点介绍。

2.1 压力延滞渗透法

压力延滞渗透的概念在20世纪70年代由Sidney Leob等首先提出，但直至近十几年才逐渐成为研究的焦点[3]。压力延滞渗透法的基本原理是：用半透膜将淡水和盐水隔开，由于淡水和盐水之间存在着渗透压，在渗透压的作用下，淡水会渗入到另一侧含盐较高的盐水中，盐水一侧的势能会逐渐增大，从而推动水轮机旋转，实现盐差能向电能的转换。

PRO法盐差能发电工程另一种方式是建在海平面下(或地面下)100 m～130 m处进行发电。利用海水的高度压力提供膜组件正常工作所需的压力，此类盐差能发电装置不需要压力泵，提高了整体发电效率。

2.2 反电渗析法

反电渗析法是一种通过控制混合的两种不同盐浓度水体来发电的技术。其利用阴、阳离子交换膜选择性透过Cl-、Na+，在两电板间形成电势差，进而在外部产生电流[4]。反电渗析系统由阴、阳离子交换膜，阴、阳电极，隔板，外部负载，浓溶液和稀溶液等组成。该技术核心组件为离子交换膜，这种膜允许负电荷离子(使用阴离子交换膜AEM时)或正电荷离子(使用阳离子交换膜 CEM时)通过。离子交换膜的特殊性在于使用时其化学成分导致电化电位形成产生的电荷。当将数张离子交换膜堆叠在一起时(图3)，阳离子和阴离子膜以及不同浓度的水基溶液在膜每侧相互交错，积累起电势，成为发电的驱动力[5]。

图3 RED盐差发电原理图Fig.3 Power generation schematic diagram of RED salinity gradient energy

3 盐差能利用研究与实践

盐差能的研究以美国、以色列、瑞典、荷兰的研究较为领先，中国和日本等也开展了一些研究和实践。但总体而言，盐差能利用技术还处于实验室和中试规模研究阶段[6]。盐差能发电于1939年被首次提出，其原理是将不同盐度的海水之间的化学电位差能转换成水的势能，再利用水轮机进行发电。第一份关于利用渗透压差(PRO)发电的报告由美国科学家Sidney Leob发表于1973年。1975年，Sidney Leob在以色列建成了利用渗透压原理设计而成的压力延滞渗透能转换装置，并在死海与约旦河交汇的地方进行实验，证明了PRO盐差能利用的可行性[7]。该装置利用PRO半渗透膜将淡水和盐水分隔开，淡水在渗透压的作用下通过半渗透膜进入到盐水一侧，从而使盐水侧的压力上升，然后利用体积增大的高压混合盐水推动涡轮机旋转进行发电。美国俄勒冈大学的科学家利用渗透原理，研制出了一种渗透压式盐差能发电系统。这种系统把发电机组安装在水深为228 m以上的海床上，河流的淡水从管道输送到发电机组。安装在排出口前端的半透膜只能通过淡水，不能通过海水。若将发电机组安装在海面228 m以下的地方，海水的静压力就会超过渗透压，这时就会发生相反的过程，淡水向反向输送。由于排出的淡水密度比周围海水小，因而上浮混合，而在底部保持稳定的盐度差。1997年，挪威Statkraft公司开始研究盐差能利用装置，2003年建成世界上第一个专门研究盐差能的实验室，并于2009-11建成世界上建设一座4 kW的盐差能发电站[8]，但该厂试运行几年后，于2014年宣布搁置。2014-11，荷兰特文特大学纳米研究所的第一座RED盐差能试验电厂投入使用[9]。这家电厂位于荷兰北部连接北荷兰省和弗里斯兰省的阿夫鲁戴克(Afsluitdijk)大坝中段。大坝东南面的艾瑟湖为人工淡水湖，其西北面瓦登海的盐浓度则高得多。当淡水经过电厂安装的半渗透膜与海水相遇时就会产生渗透压，形成淡水不断流入海水的水流势能，进而推动水轮发电机产生电能。该电厂装有400 m2半渗透膜，半渗膜的发电功率为1.3 W/m2，可处理2.2×105L/h海水和2.2×105L/h淡水。但该电厂产生的电能尚无法满足自身用电需求，但其试验前景引起重视。该电厂通过运行发现，盐差能发电要实现经济盈利，半渗透膜的发电功率至少应达到2 W/m2～3 W/m2，半渗透膜安装总面积应达到数百万平方米。

我国在1979 年前后开始盐差能发电研究，1985年西安冶金建筑学院采用半渗透膜法研制了一套可利用干涸盐湖盐差发电的试验装置，半透膜面积为14 m2。试验中淡水向溶液浓盐水渗透，溶液水柱升高10 m，推动水轮发电机组发电功率为0.9 W～1.2 W[4]。2015年，国家海洋可再生能源专项资金首次设立盐差能项目，中国海洋大学的“盐差能发电技术研究与试验”项目获得资助。该项目旨在通过对盐差能相关技术的研究与试验，通过研究解决盐差能发电技术的关键问题，通过对盐差能发电机理和相关技术进行深入研究，并在关键技术上取得突破。2018年，中国科学院院士、中国科学院理化技术研究所研究员江雷团队与吉林大学姜振华教授团队合作，成功制备了系列表面电荷密度和孔隙率可调控的大面积3D Janus多孔膜。在电场或化学梯度场下，该Janus膜在高盐环境下具有离子电流整流特性和阴离子选择性，可利用盐差能发电，展现出卓越的性能。在模拟海水/淡水盐度差条件下功率密度可达2.66 W/m2，而在500倍浓度梯度下功率密度更是高达5.1 W/m2。

4 盐差能利用趋势

压力延滞渗透法和反电渗析法的核心是渗透膜。目前采用这两种方法发电的设备投资大，运行成本高；能量化效率低，能量密度小，必须提高单位膜面积的发电功率。从技术发展趋势上来说，渗透压能法要研制透水率高的渗透膜，提高膜的工作性能；反电渗析法要研制高选择性的离子渗透膜，还要有效降低装置的内电阻。

从发展趋势看，盐差能的利用首先应突破高效正渗透和电渗析膜组件技术，以提高膜组能量密度、运行稳定性和使用寿命；第二是研究盐差能发电系统与公用电网和用户衔接问题，以保证电网与用户用电的稳定性；第三是在环保上提出对策，推动压差发电技术发展；第四是拓展应用领域，从海水向其他卤水领域转移，以期望从多领域取得突破[10]。盐差能技术面临着挑战与机遇，同时有很大提升空间。随着膜技术的发展以及工业发展对新能源的迫切需求，盐差能发电技术的新型研究成果将不断涌现。