热渗透与纳米流体反向电渗析协同利用低品位热能与盐度梯度实现水电联产

 

作为低品位热能收集的一种有前景的方法，热渗透系统已引起广泛关注。然而，热渗透过程热端盐分积累问题尚未得到充分重视。本研究提出了一种结合热渗透与纳米流体反向电渗析的集成系统，该系统协同利用低品位热能和盐分积累产生的盐梯度能，实现废水处理与可持续能源回收的双重目标。构建了实验室规模的原型系统，并建立了数学模型以探索关键操作参数对规模化系统的能效、功率密度和经济性的影响。实验表征与模拟相结合揭示了集成系统性能的显著提升，有效利用了低品位废热，并为高盐梯度能源开发建立了可扩展的途径。

 

研究表明：

（1）在60 K温差下，系统淡水生产能力达到231.38 kg/m2/day，产水量比集成前提高20%。在3.5 wt%盐度和100 kPa水压条件下，能量转换效率达到1.64%，伴随2.27 W/m2的输出功率密度。

（2）冷热端之间存在最佳流量比以实现系统性能与经济性的最优平衡。随着膜面积比的增加，能量转换效率与输出功率均呈现下降趋势。

（3）经济性分析表明，降低膜成本可显著降低系统成本，而采用更大尺寸的疏水膜则能提升经济效益。

图1. 系统示意图

图2. 盐度梯度发电。(a)电流和(b)电压随运行时间的变化。(c)不同浓度下低浓度侧电导率的变化。(d)NRED两侧不同温度下的电流和电压。(e)NRED中不同温度梯度的模拟。(f)纳米通道中的浓度分布云图。

图3. 水压和盐度对(a)能量转换效率和(b)净功率密度的影响。水压力和温差对(c)能量转换效率和(d)净功率密度的影响。

图4. (a)膜面积比形状。(b)AGTO热侧系统集成前后浓度和温度分布（0代表入口位置，1代表出口位置）和(c)流速对TPC和CPC的影响。

图5. 流速比对(a)能量转换效率和(b)净功率密度的影响。膜面积比对(c)能量转换效率和(d)净功率密度的影响。

图6. 系统经济分析。(a)各组件成本分布。流量比(b)、膜面积比(c)和水力压力(d)对产水成本和总成本的影响。

 

作者信息：Junhao Ma, Tingyu Xiao, Xi Wang, Lang Liu, Chao Liu

DOI: 10.1016/j.enconman.2025.120824