中科院理化所，新Nature Water 光伏电渗析使咸水处理更简单

中科院理化所，新Nature Water 光伏电渗析使咸水处理更简单

高分子科学前沿 / 

高分子科学前沿10月14日讯：淡水短缺影响着世界近一半的人口，特别是在基础设施和资源有限的发展中地区，难以获得饮用水。对于气候干旱或半干旱的内陆地区的许多社区来说，地下水是**可用的水源。不幸的是，这种地下水通常是咸水，盐度太高，不适合人类饮用。

目前常见的方法是使用经济实惠且高效的系统对微咸地下水进行淡化。实施此类系统的关键挑战之一是确定**的水生产规模，特别是在资源有限的地区。对于小型社区来说，每日新鲜饮用水的需求量相对较小，约为每天10立方米。任何旨在满足这些需求的海水淡化系统都必须根据其资本支出(CapEx)和运营支出(OpEx)进行评估，这两者在很大程度上取决于海水淡化过程的能源需求。

鉴于此，中国科学院理化技术研究所孔祥玉研究员、闻利平研究员在《Nature Water》上以题为“Photovoltaic electrodialysis makes brackish water treatment simpler”的评论文章。概述了策略设计电渗析 (ED)；光伏电渗析（PV-ED）。

电渗析(ED)被认为是一种可行的水处理技术，它利用电力去除苦咸水中的离子。与标准大规模海水淡化技术反渗透(RO)相比，ED由于其能源需求较低，更适合较小的社区规模应用。然而，使用ED的一个重大挑战是有效管理能量输入。由光伏供电的传统ED系统面临着与储能和辅助负载需求相关的问题，这增加了总体成本并降低了系统效率。光伏电渗析（PV-ED）系统可将阳光转化为电能，是在太阳辐射丰富的地区为海水淡化系统供电的一个有吸引力的选择。光伏发电比风能或地热能等替代能源更灵活、更容易获得。然而，将光伏发电与ED系统集成一直具有挑战性，因为需要平衡太阳能的间歇性与海水淡化的连续能源需求。

新一期《Nature Water》报道了麻省理工学院Jonathan Tae-Yoon Bessette博士及其同事通过引入流量命令电流控制(FCCC)策略来应对这一挑战，该策略根据可用的太阳能动态调整ED系统的功耗。该策略消除了对大量能源存储的需求，从而减少了资本支出和运营支出。该系统不是在太阳辐射较低的时期依赖储存的能量，而是优化实时能源使用，以尽可能有效地淡化海水。

电渗析在无电池操作中的潜力

图1说明了ED的核心原理，显示了阴离子和阳离子交换膜的排列以及离子如何分离。与需要稳定压力条件和大量能量存储的反渗透(RO)不同，ED允许可变操作，使其适用于可再生能源。总的来说，该技术的简单性允许轻松扩展和定制，这对于偏远或发展中地区的无电池海水淡化至关重要。

图1.间歇式电渗析系统的概念图

总结：本文展示了一种新的海水淡化方法，通过使用响应控制方案消除了对大规模能量存储的需求。通过根据实时太阳能输入调整流量和电流，该系统无需大型电池即可有效运行，从而使资源有限的地区更容易使用且负担得起。这项研究代表了可再生能源海水淡化技术向前迈出的重要一步，为电力供应间歇性地区的分散式水处理提供了实用的解决方案。其影响超出了海水淡化的范围，表明FCCC方法未来可以应用于各种其他电化学过程。（本刊有删节）详情见高分子科学前沿公众号