基于可再生能源的膜脫鹽技術(shù)進展

楊澤琨，陳青柏，王建友，徐 勇，高 陽

（1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2.天津市跨介質(zhì)復(fù)合污染環(huán)境治理技術(shù)重點實驗室，天津 300350）

淡水是人類生產(chǎn)和生活不可或缺的重要自然資源〔1〕。水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一〔2〕。在此情況下，非常規(guī)水資源的開發(fā)利用已成為緩解用水危機的重要途徑。開發(fā)高效、低能耗的新型脫鹽技術(shù)對緩解淡水資源短缺、保障用水安全至關(guān)重要〔3〕。

現(xiàn)有的脫鹽技術(shù)主要分為熱法和膜法兩類（圖1）。熱法主要包括多級閃蒸（MSF）、多效蒸發(fā)（MED）和冷凍等〔4〕，熱法脫鹽具有很高的分離效率，在海水淡化過程中可以達到99.9%以上的脫鹽率，但由于能耗較高、設(shè)備投資巨大等顯著缺點，市場份額正在逐漸縮小〔5-6〕。膜法主要包括以反滲透（RO）為代表的壓力驅(qū)動膜過程和以電滲析（ED）為代表的電驅(qū)動膜過程，其脫鹽率同樣可以達到99%以上，且擁有更強的產(chǎn)水能力，運行能耗僅為熱法脫鹽的5%左右〔6-7〕。特別是RO 脫鹽技術(shù)，已在海水淡化等主要領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，逐步替代了熱法〔8〕。由于技術(shù)的不斷改進，其實際過程能耗不斷降低，但仍比理論最低能耗高25%左右〔9〕。因此，在能源成本急劇上升的背景下，尋求清潔廉價的可再生能源供給方式，并將其與膜過程進行有機結(jié)合，是未來膜法脫鹽技術(shù)發(fā)展的重要方向。

圖1 主流脫鹽技術(shù)及其分類Fig. 1 Premier desalination technology and its classification

筆者對與可再生能源系統(tǒng)相耦合的膜脫鹽過程的原理和應(yīng)用現(xiàn)狀進行了簡要闡述；總結(jié)了基于太陽能、風(fēng)能等各類型可再生能源的膜脫鹽技術(shù)及其運行效果，指出目前基于可再生能源的膜脫鹽技術(shù)還存在不足之處，繼而提出了可行的解決方案和未來主要的研究方向，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供參考。

1 膜法脫鹽技術(shù)

1.1 壓力驅(qū)動膜脫鹽技術(shù)

壓力驅(qū)動膜脫鹽技術(shù)主要包含RO 和納濾（NF），其驅(qū)動力為膜兩側(cè)的跨膜壓差。目前，在非常規(guī)水資源脫鹽領(lǐng)域，RO 技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位。RO 技術(shù)的基本原理為RO 膜對水分子的透過特性和對鹽類及其他小分子的截留作用（圖2）。目前，RO 海水淡化技術(shù)的脫鹽率可達99.85%，能耗最低可達2 kW·h/m3，產(chǎn)水占中東等缺水地區(qū)飲用水供應(yīng)的70% 以上〔10-11〕。RO 苦咸水淡化技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，其占全球RO 淡化廠總數(shù)的48%，遠超占比25%的海水RO淡化廠〔12〕。相比海水淡化，RO 苦咸水淡化的能耗更低。如我國西北地區(qū)使用RO 淡化含鹽量1 500 mg/L地下苦咸水的總運行成本僅1.2 元/m3，可有效改善農(nóng)村地區(qū)缺乏生活用水的現(xiàn)狀〔13〕。另一方面，RO 技術(shù)用于雨水處理系統(tǒng)，取得了一定的社會效益。如新加坡已建成4 座新型水廠，采用UF-RO-UV 系統(tǒng)對雨水收集系統(tǒng)中的雨水進行淡化并供給市民飲用〔14-15〕。隨著技術(shù)的不斷進步，RO 技術(shù)在海水淡化和苦咸水淡化等領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖2 滲透與反滲透現(xiàn)象Fig. 2 Osmosis and reverse osmosis

1.2 電驅(qū)動膜脫鹽技術(shù)

電驅(qū)動膜脫鹽技術(shù)主要是指ED 及其衍生技術(shù)，其核心部件為離子交換膜（IEM），基本原理為IEM 對反離子的選擇透過特性。電滲析脫鹽原理如圖3 所示，在外加電場作用下，鹽水中的陽離子可透過陽離子交換膜（CEM）向陰極遷移并被陰離子交換膜（AEM）截留，陰離子則可透過AEM 向陽極遷移并被CEM 截留，從而實現(xiàn)淡室溶液的脫鹽效果。ED技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，海水淡化〔16-17〕、工業(yè)除鹽〔18-19〕、廢水處理〔20-21〕等脫鹽領(lǐng)域中ED 均有著廣泛的應(yīng)用，其獨特的離子電遷移特性使ED 尤為適合用于較低鹽度的苦咸水淡化〔22〕?？?cè)芙庑怨腆w（TDS）在1 000～10 000 mg/L 的苦咸水，ED 技術(shù)都有良好的應(yīng)用。目前，ED 淡化廠在世界各國都已進入實際生產(chǎn)階段，全球ED 淡化水總產(chǎn)量約285 萬m3/d〔23〕，并隨著技術(shù)進步而穩(wěn)步增長。

圖3 電滲析脫鹽原理示意Fig. 3 Schematic diagram of electrodialysis desalination principle

2 基于可再生能源的壓力驅(qū)動膜技術(shù)

2.1 太陽能-反滲透技術(shù)

近年來，由于其優(yōu)越的性能，RO 已成為非常規(guī)水資源脫鹽生產(chǎn)淡水的主要方式。各種可再生能源可為RO 提供動力。太陽能因具有穩(wěn)定性高和適用范圍廣等優(yōu)點成為使用最多的可再生能源，尤其在偏遠地區(qū)有著巨大的應(yīng)用潛力〔24-25〕。太陽能收集系統(tǒng)可以通過一系列機械或電氣設(shè)備將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能或電能以進一步加以利用。張希照等〔24〕在浙江舟山大魚山島建成5 m3/d 光伏太陽能海水淡化示范工程，系統(tǒng)利用廠房樓頂?shù)墓夥M件將太陽光輻射能轉(zhuǎn)化為電能用以供給海水淡化設(shè)備。經(jīng)過此系統(tǒng)的海水脫除99.7%的鹽分，同時可回收96%的能量。該島嶼從陸地調(diào)水成本高達30 元/t，而此系統(tǒng)制水成本僅為6.3 元/t。因此，該系統(tǒng)不僅安全可靠無污染，同時也有良好的經(jīng)濟性。但該系統(tǒng)需要配備大量儲能電池組，這一方面增加了投資費用，另一方面也增加了維護成本和復(fù)雜程度。但是，與可再生能源相耦合的壓力膜系統(tǒng)可以突破地域條件的限制，為孤島、干旱地區(qū)提供穩(wěn)定的水源，擁有巨大的應(yīng)用空間。目前，主要的太陽能發(fā)電技術(shù)有光伏（PV）發(fā)電技術(shù)、太陽能光熱發(fā)電（CSP）技術(shù)和太陽能熱風(fēng)發(fā)電技術(shù)等〔26〕。

2.1.1 光伏發(fā)電-反滲透系統(tǒng)

PV 是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的太陽能利用技術(shù)，其可將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能。PV 系統(tǒng)常分為獨立PV 系統(tǒng)和并網(wǎng)PV 系統(tǒng)，獨立PV 系統(tǒng)包含蓄電池等儲能元件，而并網(wǎng)PV 系統(tǒng)則直接與電網(wǎng)相連，無需儲能設(shè)備。伴隨著PV 技術(shù)成熟和成本降低，膜脫鹽領(lǐng)域中逐步形成了基于PV 的RO 脫鹽系統(tǒng)（PV-RO）。PV-RO 系統(tǒng)主要包含進水、預(yù)處理、RO 處理、能量回收等過程，PV 產(chǎn)生電能供給系統(tǒng)（圖4），其在脫鹽領(lǐng)域發(fā)展較早。W. W. BOESCH等〔27〕于1982 年報告了世界第一套獨立PV-RO 系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用鉛酸電池儲能，PV 陣列效率約為7.5%，脫鹽率超過98%。由于蓄電池使用壽命較短，長期運行時需要頻繁更換，且廢棄蓄電池會產(chǎn)生一系列的環(huán)境問題，因此一些不使用儲能系統(tǒng)的小型并網(wǎng)系統(tǒng)逐漸被開發(fā)使用，此類系統(tǒng)同樣可將海水TDS 脫鹽至200 mg/L 以下〔28-29〕。但此類小型系統(tǒng)基本只能在上午10∶00 至下午4∶00 高效運行，在其他時間段的運行效率將大幅下降甚至停止，這使得此類系統(tǒng)在應(yīng)用于大型淡化廠時面臨著無法全天提供穩(wěn)定出水的問題〔30〕。為進一步提升其運行能效，E. S. MOHAMED 等〔31〕設(shè)計了一種大型無儲能裝置的直接耦合PV-RO 系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其可省去儲能系統(tǒng)的投資費用和10% 以上的運行成本。而由于并網(wǎng)PV-RO 系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行明顯受制于天氣和時間因素的波動，配有儲水裝置的PV-RO 系統(tǒng)相繼被提出，用以最大限度消除太陽輻射波動對出水水質(zhì)的影響。研究證實，將時間因素對PV-RO 系統(tǒng)的影響納入儲水箱的設(shè)計，提出可容納較長時間產(chǎn)水的“季節(jié)性儲水箱”（SWST），所形成的PV-RO-SWST系統(tǒng)不僅可提高系統(tǒng)產(chǎn)水量，還可確保產(chǎn)水含鹽量長期符合飲用水要求〔32-33〕。

圖4 PV-RO 系統(tǒng)示意Fig. 4 Schematic diagram of PV-RO system

由于相對昂貴的光伏能源設(shè)備以及較短的運行時間，PV-RO 脫鹽系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的RO 脫鹽系統(tǒng)投資運行成本更高。B. RAHIMI 等〔34〕對5 種模式的PV-RO 系統(tǒng)進行了成本分析：1）并網(wǎng)PV-RO 系統(tǒng)；2）白天使用PV（無多余電力賣回電網(wǎng)），夜間和低輻射條件使用電網(wǎng)；3）白天使用PV（多余電力賣回電網(wǎng)），夜間和低輻射條件使用電網(wǎng)；4）PV 僅發(fā)電到電網(wǎng)，并從電網(wǎng)導(dǎo)入相同量的電能供電；5）含電池的獨立PV 系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)各結(jié)合方式的運行成本由高到低分別為5）＞1）＞4）＞3）＞2），由此可見靈活使用PV 系統(tǒng)和電網(wǎng)供能是降低運行成本的有效途徑。目前，使用計算機算法開發(fā)能源管理策略，科學(xué)調(diào)整系統(tǒng)在不同時間段的功率輸出是PV-RO 系統(tǒng)運行的新思路。M. A. SOLEIMANZADE 等〔35〕開發(fā)了用于并網(wǎng)PV-RO 系統(tǒng)強化學(xué)習(xí)能源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用光伏歷史數(shù)據(jù)和氣候特征提取器科學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)的能源輸入方式，在不同的條件下可靈活選擇能量供給方式，不僅大幅提升了淡水生產(chǎn)能力，在最大化利用太陽能、最小化外部電網(wǎng)供電和管理儲能系統(tǒng)運行方面也表現(xiàn)出良好的性能，減少了能源浪費，對于控制PV-RO 系統(tǒng)的運行成本至關(guān)重要。但同時，PV系統(tǒng)對氣象的高敏感性也迫使計算機技術(shù)需要進一步提升對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的收集和處理能力。未來隨著計算機技術(shù)與PV-RO 系統(tǒng)的深層次結(jié)合和智慧水務(wù)的進一步開發(fā)，低成本自動化PV-RO 脫鹽系統(tǒng)將進一步發(fā)展普及。

2.1.2 光熱發(fā)電-反滲透系統(tǒng)

CSP 技術(shù)是通過使用各種聚光器匯聚太陽光，并利用吸熱器將太陽輻射能收集并轉(zhuǎn)化為傳熱工質(zhì)的熱能，最終通過熱力循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)〔36-37〕。相比于PV 系統(tǒng)發(fā)電，CSP 技術(shù)發(fā)電原理與傳統(tǒng)火電廠相同，使用汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電，技術(shù)相對成熟穩(wěn)定且不需要硅片等高耗能、高污染材料，生產(chǎn)與發(fā)電環(huán)節(jié)更為清潔環(huán)保，是一種新型太陽能發(fā)電技術(shù)〔38〕。常見的CSP 發(fā)電機有碟形太陽能斯特林發(fā)動機（DSSE）、有機朗肯循環(huán)發(fā)電機（ORC）和線性菲涅爾發(fā)電機（LFC）等〔39-40〕。

目前，不少學(xué)者對CSP 與RO 的耦合系統(tǒng)已進行了研究（典型CSP-RO 系統(tǒng)如圖5）。M. IBARRA等〔41〕對偏遠地區(qū)小型ORC-RO 系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)可穩(wěn)定高效產(chǎn)出1.2 m3/h 的淡水。A. E.MANSOURI 等〔42〕提出了一種通過鹽梯度太陽能池（SGSP）與ORC 相結(jié)合的海水RO 淡化裝置，發(fā)現(xiàn)該裝置適合于常規(guī)能源資源有限但日照量高的國家。雖然CSP 技術(shù)收集的能量主要以熱能形式儲存，理論上應(yīng)用于MED 等熱法脫鹽可減少能量轉(zhuǎn)化過程損失，但是一些研究發(fā)現(xiàn)在實際生產(chǎn)過程中CSP-RO系統(tǒng)可得到比CSP-MED 系統(tǒng)更大的產(chǎn)電量和產(chǎn)水量〔43〕。H. JAUBERT 等〔44〕綜合了CSP 熱法和膜法技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計了綜合CSP-RO/MED 系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用基于ORC 發(fā)電的RO 淡化海水，剩余濃海水進入ORC，利用剩余熱量驅(qū)動MED 進一步處理，之后通過雙極膜系統(tǒng)生產(chǎn)酸和堿，可以實現(xiàn)零液體排放并獲得高品質(zhì)的淡水。能耗方面，一些研究者發(fā)現(xiàn)與常規(guī)RO 海水淡化廠的能耗（約為3～5 kW·h/m3）相比，使用DSSE 的二級RO 系統(tǒng)能耗在1.26～5.62 kW·h/m3，具有一定的實際價值〔45-46〕。 由于CSP-RO 技術(shù)不使用化石能源，在產(chǎn)水量約為82 000 m3/d 的情況下，CSP-RO 脫鹽系統(tǒng)節(jié)省的二氧化碳排放可達4.459 3×107kg/a，具有比較強的經(jīng)濟優(yōu)勢〔47〕。相比于PV 技術(shù)，CSP 技術(shù)具有系統(tǒng)效率高、可控性強等優(yōu)點，可同時滿足工業(yè)上的熱電需求，是未來非常理想的可再生能源應(yīng)用技術(shù)。

圖5 CPS-RO 脫鹽系統(tǒng)Fig. 5 CPS-RO desalination system

2.2 風(fēng)能-反滲透技術(shù)

風(fēng)能占世界可再生能源的53%，在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，可為脫鹽系統(tǒng)提供可觀的能量供應(yīng)〔48〕。目前對于風(fēng)能與壓力膜脫鹽技術(shù)的耦合主要為基于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)能-反滲透（Wind-RO）系統(tǒng)（圖6）。一些研究認(rèn)為Wind-RO 系統(tǒng)的成本大約為2.962～6.457 美元/m3，可大幅降低碳排放和能源成本〔49〕。但由于風(fēng)能具有間歇性和波動性，單獨的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無法為RO 裝置提供長期穩(wěn)定的電能供應(yīng)，這使得解決風(fēng)能和RO 裝置之間的匹配性成為了研究的重心。對此，一些學(xué)者認(rèn)為可以將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)耦合為混合動力系統(tǒng)，以此達到穩(wěn)定供能〔50〕。由于太陽能和風(fēng)能在大多數(shù)地區(qū)具有一定的互補性，風(fēng)光互補系統(tǒng)成為了一種可能的解決方案〔51〕。研究結(jié)果證實，風(fēng)光互補脫鹽系統(tǒng)可以改善缺水地區(qū)的淡水供應(yīng)現(xiàn)狀，具有很強的經(jīng)濟和環(huán)保效益〔52〕。綜合分析多種可再生能源驅(qū)動海水脫鹽過程，江才俊等〔53〕認(rèn)為風(fēng)光互補+市電方案制水成本較傳統(tǒng)市電方案制水低8%左右。而E. M.A. MOKHEIMER 等〔54〕進一步通過數(shù)學(xué)建模對混合式PV/Wind-RO 海水淡化系統(tǒng)進行了成本核算，指出該類系統(tǒng)能耗范圍在8～20 kW·h/m3，成本介于3.693～3.812 美元/m3，明顯優(yōu)于單獨使用風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)。

圖6 Wind-RO 脫鹽系統(tǒng)Fig. 6 Wind-RO desalination system

除混合系統(tǒng)之外，通過計算機算法調(diào)整反滲透裝置的運行模式以適應(yīng)風(fēng)能的變化，開發(fā)新型可變操作的Wind-RO 系統(tǒng)也可增加風(fēng)能系統(tǒng)的實用性。一些研究者通過混合優(yōu)化模型工具設(shè)計Wind-RO 系統(tǒng)，可精準(zhǔn)確定系統(tǒng)各部件的最佳選型〔55-56〕。而J. A. CARTA 等〔57〕進一步使用遺傳算法機器學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)了新型的Wind-RO 系統(tǒng)，系統(tǒng)操作參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時可保證系統(tǒng)出水穩(wěn)定。但由于對再生資源的精細化管理，再生能源系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜，簡單的單一算法不足以確定系統(tǒng)所需的解決方案，使用混合算法優(yōu)化Wind-RO系統(tǒng)能夠使得系統(tǒng)具有更強的靈活性和準(zhǔn)確性，可在更大的范圍內(nèi)滿足淡水需求和電力需求〔58-59〕。在運行過程中，含有新型能源管理策略的智能化系統(tǒng)被提出，該類系統(tǒng)可同時管理流入系統(tǒng)的水和電力，使系統(tǒng)能夠根據(jù)可用發(fā)電量最大化淡水產(chǎn)量，從而適應(yīng)系統(tǒng)的技術(shù)和功能限制〔60〕。與不含能源管理系統(tǒng)的Wind-RO 相比，智能化系統(tǒng)可極大節(jié)省因供能不足而引起的運行損失〔61〕。目前，使用Wind-RO 供應(yīng)淡水的系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足特定區(qū)域的全部用水需求，在偏遠沿海地區(qū)具有良好的應(yīng)用潛力〔62〕。

2.3 鹽差能-反滲透技術(shù)

鹽差能（SGP）是存在于兩種不同濃度的鹽溶液之間的化學(xué)勢差，廣泛存在于河流與海洋的交匯處等〔63〕。反電滲析技術(shù)（RED）可通過IEM 對反離子的選擇透過性將SGP 直接轉(zhuǎn)換為電能〔64〕。鹽差能發(fā)電原理如圖7 所示，RED 主要由AEM、CEM、低濃度溶液（LCS）隔室、高濃度溶液（HCS）隔室、電極隔室以及外部負(fù)載等組成〔65〕。

圖7 鹽差能發(fā)電示意Fig. 7 Schematic diagram of SGP generation

目前，對基于RED 的RO 脫鹽技術(shù)（RED-RO）的研究主要集中于系統(tǒng)的耦合方式與能源的轉(zhuǎn)換效率。對于RED-RO 系統(tǒng)的構(gòu)建有兩種模式，其一是將RED 作為RO 預(yù)處理，以降低RO 脫鹽系統(tǒng)的進水濃度并為RO 過程的高壓泵供電，以此降低能耗；再者是將RED 作為RO 的后處理，以充分利用RO 濃水與低鹽水間的化學(xué)勢差。相關(guān)測試表明，RED 不僅收獲了可用的SGP，還有效地降低了RO進料液的鹽濃度〔66〕。具體地，海水RO 濃水通過RED 裝置可將25%～66%的鹽度梯度能量轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換效率為17%～26%〔67〕。當(dāng)前，RED-RO 系統(tǒng)的研究仍然處于實驗研究階段，離大規(guī)模工業(yè)普及還有著一段距離。

2.4 波浪能-反滲透技術(shù)

波浪能主要是來自波浪和洋流的機械能，與太陽能和風(fēng)能相比，波浪能供能相對穩(wěn)定且能量密度較高〔68-69〕。據(jù)估計，全球每年約有8 000～80 000 TW的波浪能可供利用〔70〕。傳統(tǒng)上使用脈沖式水輪機連接變速發(fā)電機使得RO 系統(tǒng)可以充分利用波浪能，所形成的波浪能-反滲透（Wave-RO）系統(tǒng)可使海水TDS 從35 000 mg/L 降低至500 mg/L 以下，TDS去除率超95%〔71〕。但是由于在轉(zhuǎn)換電能過程中出現(xiàn)能量損失是不可避免的，近年來向RO 系統(tǒng)供應(yīng)由波能轉(zhuǎn)換器直接加壓的海水，以此消除波浪能轉(zhuǎn)換為電能并返回加壓水的成本和能源損失成為了研究的重點。如王廣航等〔72〕開發(fā)了一種零耗電的Wave-RO 系統(tǒng)（圖8），系統(tǒng)利用海浪沖擊浮筒使浮筒連接的活塞位移，活塞拉伸時由于負(fù)壓可吸入海水，活塞壓縮時海水被壓入RO 系統(tǒng)進行脫鹽過程，該系統(tǒng)相比常規(guī)RO 系統(tǒng)節(jié)約電能約5.2 kW·h/m3。據(jù)報道，不轉(zhuǎn)換電能的Wave-RO 系統(tǒng)能耗約為1.85 kW·h/m3，成本介于1.96～2.34 美元/m3〔73〕。而在使用新型壓力蓄能器后，Wave-RO 系統(tǒng)即使在低海浪條件下也能夠產(chǎn)生飲用水，雖然此類系統(tǒng)在綜合利用效果上依舊低于風(fēng)能和太陽能系統(tǒng)，但其獨特的優(yōu)點使該系統(tǒng)對缺水的島嶼地區(qū)有著很大的吸引力〔74〕。

圖8 零耗電Wave-RO 脫鹽系統(tǒng)Fig. 8 Wave-RO desalination system

綜上所述，基于可再生能源的壓力驅(qū)動膜技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，但同時也存在一些亟待解決的問題，相對于傳統(tǒng)的化石燃料，可再生能源均存在著供能不穩(wěn)定、投資成本偏高和能量轉(zhuǎn)化率較低等缺點。未來尋找更加穩(wěn)定的可再生能源，進一步提升能量利用效率，并降低可再生能源系統(tǒng)的投資運行成本依舊是研究的重心。多種可再生能源并用的多能源耦合驅(qū)動RO 技術(shù)也是未來研究的方向之一。

3 基于可再生能源的電驅(qū)動膜技術(shù)

3.1 太陽能-電滲析技術(shù)

在電滲析系統(tǒng)進行海水淡化的過程中，ED 本身需要外加直流電源，水泵等附屬系統(tǒng)也需要電力供應(yīng)，所以ED 與太陽能、風(fēng)能等可再生能源相結(jié)合是有益的。其中，光伏-電滲析（PV-ED）系統(tǒng)是最常見的技術(shù)。對PV-ED 系統(tǒng)的研究開始于1970 年，自J. E. LUNDSTROM〔75〕首次開發(fā)了一種PV-ED 小型脫鹽工藝以來，研究集中于獨立PV-ED 系統(tǒng)和并網(wǎng)PV-ED 系統(tǒng)。獨立PV 由于帶有蓄電池，在光照不足的情況下也可以繼續(xù)運行，對氣象條件的要求較低，但在直流/交流轉(zhuǎn)換的時候會出現(xiàn)電力損失；而并網(wǎng)PV 系統(tǒng)由于直接供給至ED 系統(tǒng)，電能損失小，但在陰天時的效率會顯著下降。結(jié)合兩種PV 系統(tǒng)的技術(shù)特點，B. PE?ATE 等〔76〕設(shè)計了一個綜合PV-ED 系統(tǒng)，其中獨立PV 系統(tǒng)產(chǎn)生能量用于泵送和控制系統(tǒng)，并網(wǎng)PV 系統(tǒng)產(chǎn)生電能直接用于ED，能耗為0.618 kW·h/m3，操作靈活性強、出水水質(zhì)好。結(jié)合仿真優(yōu)化研究，并網(wǎng)PV-ED 系統(tǒng)不僅可滿足海水淡化廠的用電需求，而且可以將多余的電力回售給電網(wǎng)，在用電低谷時節(jié)約電力〔77〕。所以對于不同PV 系統(tǒng)的選擇和使用應(yīng)該因地制宜，根據(jù)自身系統(tǒng)的需要和工廠實際條件進行對比選擇。由于RO 和ED 是兩種最成熟的膜海水淡化技術(shù)，在實際應(yīng)用中兩種技術(shù)的比較與選擇是不可避免的。綜合考慮運行、投資和環(huán)境成本，一些研究認(rèn)為當(dāng)TDS 低于5 000 mg/L 時，PV-ED 系統(tǒng)是最合適的選擇，而RO只在TDS 超過5 000 mg/L 的情況下使用較為經(jīng)濟〔78〕。但若是使用脫鹽效果更好但價格昂貴的IEM，PV-ED 系統(tǒng)的投資成本會顯著增加，所以，開發(fā)高效廉價的IEM 仍然是PV-ED 系統(tǒng)研究的核心問題〔79〕。

除此之外，研究者也在嘗試將PV-ED 進行改進或與其他系統(tǒng)進一步整合聯(lián)用。如增加重金屬吸附系統(tǒng)后，用于凈化高質(zhì)量濃度砷（2.04 mg/L）的PVED 脫鹽系統(tǒng)可同時達到95%的脫鹽率和99.9%的除砷率〔80〕。張振輝等〔81〕設(shè)計了PV 驅(qū)動的倒極電滲析去離子（EDIR）苦咸水脫鹽系統(tǒng)（PV-EDIR，圖9），該系統(tǒng)在膜堆中填充樹脂來提升脫鹽性能，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)樹脂混床中填充陰陽樹脂體積比為4∶6 時，系統(tǒng)脫鹽率大于90%，為戶外、機動式飲用水的獲取提供了有效方案。而若是將PV-ED 系統(tǒng)中的IEM從平板形更換為波浪形，所得到的裝置在除鹽和能耗方面的性能將優(yōu)于傳統(tǒng)的ED，可能的原因是波浪形膜減少了濃度極化的邊界層，促進膜表面的湍流〔82〕。進一步開發(fā)PV 與太陽能熱系統(tǒng)聯(lián)用技術(shù)是未來綜合利用的方向，由于在高溫下ED 系統(tǒng)的脫鹽性能提升，所以利用太陽能熱系統(tǒng)加熱鹽水，并使用PV-ED 系統(tǒng)進行脫鹽，可以得到更好的處理效果〔83-84〕。盡管PV-ED 系統(tǒng)在日照充足的地區(qū)可以更好地發(fā)揮其自身優(yōu)勢解決淡水短缺的問題，但初期投資成本依舊是制約PV-ED 系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。

圖9 PV-EDIR 苦咸水脫鹽系統(tǒng)Fig. 9 PV-EDIR brackish water desalination system

3.2 風(fēng)能-電滲析技術(shù)

ED 具有較高的靈活性和快速可控的工藝動態(tài)性，這使得ED 相比其他工藝非常適合與風(fēng)能耦合，并在可變條件下運行〔85〕。我國在山東省長島縣小黑山島建立了風(fēng)能-電滲析技術(shù)（Wind-ED）苦咸水淡化示范站，系統(tǒng)使用國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機組并配有55 組蓄電池，淡化水質(zhì)可滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)，運行成本僅為采用柴油機發(fā)電時的30%〔86〕。該系統(tǒng)是我國第一個Wind-ED 淡化系統(tǒng)，經(jīng)濟效益和社會效益均比較顯著。但該系統(tǒng)采用的是部分循環(huán)ED 工藝，產(chǎn)水量僅有2 t/h；且當(dāng)時國產(chǎn)大功率風(fēng)力發(fā)電機還不成熟，直流/交流電的轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致大量的能量損失，風(fēng)機由于鹽霧和老化也需定時維修，這些問題導(dǎo)致該示范系統(tǒng)的運行成本依舊偏高。但不可否認(rèn)的是，長島縣風(fēng)電淡化示范裝置為解決海島和邊遠地區(qū)的缺水少電問題展示了新的途徑，也證明了基于風(fēng)能的電驅(qū)動膜技術(shù)具有良好的推廣應(yīng)用前景。

目前對Wind-ED 的研究主要集中于對Wind-ED系統(tǒng)優(yōu)化策略調(diào)整方面，即通過計算機模型和算法對Wind-ED 系統(tǒng)進行運行模式的提升。J. M. VEZA等〔87〕通過調(diào)整電網(wǎng)得到運行數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫，建立了一個并網(wǎng)Wind-ED系統(tǒng)，以此預(yù)測系統(tǒng)行為，實現(xiàn)了在不同供能條件下的穩(wěn)定化產(chǎn)水。隨后其進一步開發(fā)了一種耦合到風(fēng)電場的Wind-ED 系統(tǒng)，拓展了該系統(tǒng)的靈活性，以適應(yīng)運行模式的修改〔88〕。而針對常規(guī)Wind-ED在能量轉(zhuǎn)化過程中的電能損耗問題，相關(guān)學(xué)者提出了一種無需儲能設(shè)備的新型直接耦合Wind-ED 系統(tǒng)，在風(fēng)速不高于風(fēng)力渦輪機額定參數(shù)的條件下，可以實現(xiàn)產(chǎn)水率能耗的同步優(yōu)化〔89〕。除此之外，抽水蓄能、壓縮空氣等新型風(fēng)力儲能系統(tǒng)的發(fā)展使得電能的儲存成本降低。吳利樂等〔90〕開發(fā)的風(fēng)-光-抽蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)用于海水淡化能夠很好地解決風(fēng)機、PV 運行的隨機性與不均勻性，具有一定的可控性（圖10）。近年來，部分研究者認(rèn)為ED 與風(fēng)能直接耦合的主要挑戰(zhàn)并非風(fēng)波動程度，而在于長時間振蕩和長時間無風(fēng)期間功率循環(huán)的不利影響〔89〕。隨著新系統(tǒng)的開發(fā)與改進，Wind-ED 系統(tǒng)的能源利用效率一定程度上得到了提高，利用風(fēng)能與其他可再生能源的多能源耦合驅(qū)動ED技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。

圖10 風(fēng)-光-抽蓄復(fù)合發(fā)電海水淡化系統(tǒng)Fig. 10 Desalination system of wind-light-pumped storage composite power generation

3.3 鹽差能-電滲析技術(shù)

反電滲析-電滲析（RED-ED）系統(tǒng)可以實現(xiàn)高能源利用率和產(chǎn)水率，并最大限度減少鹽水排放，前景可觀，但目前還處于實驗研究階段，并主要集中在RED-ED 系統(tǒng)的集成特性、系統(tǒng)能耗、內(nèi)部參數(shù)等方面。針對RED 產(chǎn)電與ED 耗能間的平衡問題，Qing CHEN 等〔91〕構(gòu)建了一個將RED 和ED 集成在單個模塊中的海水淡化系統(tǒng)，系統(tǒng)進水壓力依靠高度差提供，RED 產(chǎn)生電力供給ED 脫鹽，該系統(tǒng)中的能源轉(zhuǎn)換顯著減少，沒有高鹽水處理問題和溫室氣體排放，且占地面積更小，是一種比較環(huán)保的技術(shù)。隨后，無功率ED 系統(tǒng)（PFED，圖11）被提出，PFED 以RED 作為能量供體、ED 為能量受體，出水電導(dǎo)率約為72μS/cm，且能源可以自給自足〔92〕。Ying MEI 等〔93〕通過模擬仿真核算了PFED 系統(tǒng)脫鹽性能，指出所使用IEM 的選擇透過性能與能源自給率呈正相關(guān)。Man CHEN 等〔94〕比較了內(nèi)部集成RED-ED、外部集成RED-ED、獨立ED、PV-ED 和Wind-ED 的能耗和海水淡化能力，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部集成RED-ED 的海水淡化量0.43～2.60 mol/（h·m2）遠高于外部集成RED-ED系統(tǒng)0.10～0.15 mol/（h·m2），且系統(tǒng)配置更簡單，能耗更低。近年來，一些研究者開發(fā)了使用雙極膜的反電滲析系統(tǒng)（BMRED）并將其與ED 耦合，所得到的BMRED-ED 系統(tǒng)不僅無需外部電源供能，而且得到了較高的海水淡化率，展現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力，但雙極膜的高成本問題仍待解決〔95〕。雖然RED-ED的海水淡化能力低于PV-ED 或Wind-ED，但較低的投資、更低的能源需求和更好的出水水質(zhì)仍然使RED-ED 在膜脫鹽技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖11 無功率ED 系統(tǒng)示意Fig. 11 Power free electrodialysis（PFED） for desalination

4 結(jié)語

淡水資源是經(jīng)濟、社會發(fā)展的命脈，鑒于其日益短缺的現(xiàn)狀，基于膜法脫鹽技術(shù)的非常規(guī)水資源開發(fā)已成為重要的淡水增量途徑。在碳達峰、碳中和的全球戰(zhàn)略背景下，基于可再生能源的膜脫鹽技術(shù)逐漸成為以節(jié)能降耗為目標(biāo)的研究熱點和發(fā)展方向之一。筆者總結(jié)了多種可再生能源與膜法淡化技術(shù)的耦合系統(tǒng)，綜述了各種新型脫鹽系統(tǒng)的適用性、經(jīng)濟性和發(fā)展趨勢，指出了基于可再生能源的膜脫鹽技術(shù)的優(yōu)越性和良好前景。由于基于可再生能源的膜脫鹽技術(shù)尚處于實驗研究階段，仍有許多工作有待進一步深入開展，今后的研究方向主要包括以下幾個方面。

1）可再生能源與膜脫鹽系統(tǒng)的耦合策略尚不成熟，現(xiàn)有研究多處于實驗室概念設(shè)計或小試階段。未來需要進一步深入研究可再生能源單元與膜脫鹽單元間的耦合機制，并將可行的可再生能源系統(tǒng)予以放大，實現(xiàn)其與膜脫鹽系統(tǒng)的規(guī)模化耦合，以此助力新技術(shù)的實際應(yīng)用。

2）可再生能源的使用效率受到多重自然因素的影響，非穩(wěn)定性能量輸出對膜脫鹽系統(tǒng)性能的影響應(yīng)當(dāng)予以深入研究，同時還需進一步研究相應(yīng)的負(fù)影響消除策略與機制。

3）可考慮將基于可再生能源的膜脫鹽系統(tǒng)與氣象預(yù)測及電子信息技術(shù)進行深度融合，開發(fā)自動化運行管理程序和智能化操作系統(tǒng)，促進技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用。