CN112713808B

CN112713808B - 一种连续式盐差发电装置和方法

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Publication number: CN112713808B
Application number: CN202110328119.1A
Authority: CN
Inventors: 祝海涛; 杨波; 吴雅琴
Original assignee: Hangzhou Water Treatment Technology Development Center Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Water Treatment Technology Development Center Co Ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2041-03-26
Also published as: CN112713808A

Abstract

本发明涉及一种连续式盐差发电装置，包括稀释装置、反向电渗析器、正渗透装置、浓盐液罐和淡盐液罐；浓盐液罐容纳浓盐液，淡盐液罐容纳淡盐液，浓盐液的浓度大于淡盐液；反向电渗析器设有阴极和阳极，在该阴极和阳极之间交替设置有阳离子交换膜和阴离子交换膜和交替分布的浓液室和淡液室；在反向电渗析器的阴极和阳极之间形成电势差；浓盐液在反向电渗析器的浓液室与浓盐液罐之间循环，淡盐液在反向电渗析器的淡液室与淡盐液罐之间循环，稀释装置提供稀释液以维持淡盐液处于低浓度，正渗透装置提供浓缩作用以维持浓盐液处于高浓度，并将部分淡盐液浓缩后用于补给浓盐液。本发明的装置可以利用盐浓度差实现循环连续发电，具有发电效率高的特点。

Description

一种连续式盐差发电装置和方法

技术领域

本发明属于化学能发电技术领域，具体涉及一种利用反向电渗析和正渗透膜实现的连续式盐差发电装置和方法。

背景技术

随着全球经济的高速发展，人们对能源的需求日益增长，自人类进入电气时代，电能因具有经济清洁且易转换控制等优点成为社会发展的重要推动力，被应用于人类生活的各个方面。传统的化石燃料发电存在不可再生资源消耗大、环境污染严重等问题，水利发电及其他新能源技术受到自然环境状况、地域适应性、运行稳定性、贮存安全性等因素的限制。因此亟需开发高效环保的发电方式，提高资源利用率，加强可再生能源循环利用，以解决日益凸显的能源经济与生态环境可持续发展问题。

盐差能是指不同盐浓度溶液之间的化学势差能。相较于其他难以实现不间断发电的太阳能、风能等可再生能源，盐差发电的开发潜力及可应用推广性更大。盐差发电还可以利用丰富的海水资源。其中基于反向电渗析器的发电装置规模灵活可变，发电成本低，污染少，是目前最具研究前景的盐差发电技术。但是反向电渗析盐差发电技术仍存在发电效率低、盐和淡水补给量大、连续发电耗能高等技术问题。目前，有研究者提出采用特殊离子交换膜或盐液来提高发电效率，不过对装置运行稳定性、投入成本等方面会造成不利影响。此外，还有研究者提出通过余热等蒸发方式循环利用盐液达到封闭式发电目的，但气液分离、热交换等增加工艺复杂性和发电成本。

鉴于此，开发一种低成本易操控的高效连续式盐差发电装置，可将化学势差能稳定且不间断地转化为电势差能，对新能源技术开发和社会可持续发展具有重要意义。

发明内容

（一）要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种连续式盐差发电装置和方法，可以利用盐浓度差实现循环连续发电，具有发电效率高的特点。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种连续式盐差发电装置，其包括：稀释装置、反向电渗析器、正渗透装置、浓盐液罐和淡盐液罐；所述浓盐液罐容纳浓盐液，淡盐液罐容纳淡盐液，浓盐液的浓度大于淡盐液；

所述反向电渗析器设有阴极和阳极，在该阴极和阳极之间交替设置有阳离子交换膜和阴离子交换膜，借助这些阳离子交换膜和阴离子交换膜形成交替分布的浓液室和淡液室；在所述反向电渗析器的阴极和阳极之间形成电势差，以输出电能；

所述浓盐液罐向所述反向电渗析器的浓液室提供浓盐液，经反向电渗析的浓盐液循环回到浓盐液罐；所述淡盐液罐向所述反向电渗析器的淡液室提供淡盐液，经反向电渗析的淡盐液循环回到淡盐液罐；

所述稀释装置提供稀释液，以维持淡盐液罐和反向电渗析器的淡液室中的淡盐液处于低浓度；所述正渗透装置提供浓缩作用，以维持浓盐液罐和反向电渗析器的浓液室中的浓盐液处于高浓度，并将部分淡盐液浓缩后用于补给浓盐液。

根据本发明较佳实施例，所述反向电渗析器的浓液室的进液口与所述浓盐液罐连接，浓液室的出液口与所述浓盐液罐连接，使浓盐液在反向电渗析器的浓液室与浓盐液罐之间循环；所述反向电渗析器的淡液室的进液口与所述淡盐液罐连接，淡液室的出液口与所述淡盐液罐连接，使淡盐液在反向电渗析器的淡液室与淡盐液罐之间循环；

所述淡盐液罐还与所述稀释装置及所述正渗透装置的进液侧连接；

所述浓盐液罐与所述正渗透装置的进液侧连接，同时所述正渗透装置的出液侧连接至所述浓盐液罐。

随着反向电渗析的进行，浓盐液的浓度下降，淡盐液浓度上升（盐份含量增加），浓盐液和淡盐液压的化学势差变小，为了实现连续发电，需要维持适当的化学势差。为此，本发明主要采用稀释装置对淡盐液进行稀释以降低其盐浓度，但稀释会增加液量，与此同时浓盐液的浓度下降；本发明通过正渗透装置，一方面将经过反向电渗析的浓盐液浓度提高，另一方面回收部分经反向电渗析的淡盐液，将淡盐液浓缩后用于补给浓盐液。因此，正渗透装置具有浓缩浓盐液和回收淡盐液、和平衡淡盐液总量的作用。

本发明的连续式盐差发电装置，盐份在整个连续式盐差发电装置内部循环不产生盐损耗。此外，正渗透装置中正渗透汲取液（驱动溶液）所汲取的水分回收后，又可作为稀释用水。

根据本发明较佳实施例，所述反向电渗析器从阴极到阳极，依次设置第一阳离子交换膜、第一阴离子交换膜、第二阳离子交换膜、第二阴离子交换膜和第三阳离子交换膜，将阴极和阳极之间区隔成6个隔室，分别为淡液室、浓液室、淡液室、浓液室、淡液室、浓液室。

根据本发明较佳实施例，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜电阻为0.5-4Ω·cm²，膜面流速为3-7 cm/s。

根据本发明较佳实施例，所述正渗透装置的正渗透膜为具有纳米粒子复合功能层的中空纤维膜，进液流速是汲取液流速的1-6倍。

根据本发明较佳实施例，所述浓盐液罐的浓盐液为0.5%-15%的电解质溶液，所述淡盐液罐的淡盐液为0.01%-2%的电解质溶液，浓盐液的盐浓度大于淡盐液。

根据本发明较佳实施例，所述正渗透装置的正渗透汲取液（驱动溶液）为5%-30%的电解质溶液。

根据本发明较佳实施例，所述浓盐液和淡盐液的电解质为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、溴化钠、溴化钾、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硝酸钠、硝酸钾、磷酸钠、磷酸钾中的一种或多种，所述的汲取液电解质为氯化钠、氯化钾、氯化镁、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硝酸钠、硝酸钾、硝酸铵、氯化铵、硫酸铵、碳酸氢铵中的一种或多种。

根据本发明较佳实施例，所述浓盐液可来自海水淡化厂生产淡水后得到的浓盐水，淡盐液可来自海水。

本发明还涉及一种连续式盐差发电方法，其包括：使用反向电渗析器发电，其中所述反向电渗析器的包括相对设置的阴极和阳极，在该阴极和阳极之间交替设置有阳离子交换膜和阴离子交换膜，借助这些阳离子交换膜和阴离子交换膜形成交替分布的浓液室和淡液室；在所述反向电渗析器的阴极和阳极之间形成电势差，以输出电能；

其中，浓液室中循环通入浓盐液，经反向电渗析后出来的浓盐液采用正渗透进行浓缩以维持高浓度；

其中，淡液室中循环通入淡盐液；经反向电渗析后出来的淡盐液采用稀释方法以维持低浓度，同时淡盐液采用正渗透进行浓缩提高浓度后，作为浓盐液补给到浓液室中。

本发明包括反向电渗析器、正渗透装置和稀释装置。浓盐液在反向电渗析器浓室中循环，淡盐液在反向电渗析器淡室中循环，在化学势差驱动下盐离子在离子交换膜间迁移从而产生电能。正渗透膜将运行过程中浓度降低的浓盐液进行浓缩，达到浓盐液再生目的，浓度升高的淡盐液通过稀释循环套用，实现装置连续式高效节能运行。淡盐液部分被正渗透装置浓缩提高浓度后补给到浓盐液中，以回收由浓盐液进入到淡盐液中的盐分。

反向电渗析器采用低电阻离子交换膜，正渗透膜采用具有纳米粒子复合功能层的中空纤维膜，所用电解质溶液均为常规的无机盐。该装置发电功率密度大，长期运行稳定，且安全环保。

（三）有益效果

本发明利用反向电渗析器和正渗透膜将不同浓度盐液的化学势差持续转化为电势差。具有纳米粒子复合功能层的正渗透膜对浓度减低后的浓盐液浓缩效率高，基本消除浓差极化现象。反向电渗析器中工作盐液（浓盐液和淡盐液）维持较高浓度差，离子交换膜电阻较低，保证装置高效率运行发电，同时通过循环利用盐液大幅降低盐用量及发电成本，实现高效连续式发电，且稳定安全。

与现有技术相比，本发明提供的盐差发电装置，结合正渗透装置，通过阴阳离子交换膜的选择性迁移及盐液不间断稀释和浓缩，实现装置连续高效运行，有效解决反向电渗析器因浓差减小导致发电效率低、装置循环工作耗能大等技术问题。该装置无需消耗大量盐或蒸发等高耗能设备，仅需通过盐液的循环实现反向电渗析器连续稳定发电，且发电效率高，不产生二次污染，有利于在新能源领域如海洋能的推广应用。

附图说明

图1为本发明连续式盐差发电装置的结构示意图。

图2为反向电渗析器的发电原理示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

结合图1-2所示，为本发明连续式盐差发电装置的结构示意图，其包括稀释装置11、反向电渗析器12、正渗透装置13、浓盐液罐14和淡盐液罐15。反向电渗析器12包括相对设置的阳极122和阴极121，在该阴极121和阳极122之间交替设置有阳离子交换膜123A和阴离子交换膜123B，借助这些阳离子交换膜123A和阴离子交换膜123B形成交替分布的浓液室124A和淡液室124B。反向电渗析器12的阴极121和阳极122之间形成电势差，以输出电能。阳离子交换膜123A可选择性地供浓液室124A中的阳离子移动到相邻的淡液室124B，而阴离子交换膜123B可选择性地供浓液室124A中的阴离子移动到相邻的淡液室124B，而浓液室124A和淡液室124B的盐溶液的浓度差，是提供阳离子或阴离子移动的驱动力。最终，在阳极122聚集了大量带有多余电子的阴离子，而在阴极121则聚集了大量缺少电子的阳离子，在阳极122和阴极121之间便形成了电势差。若在阳极122和阴极121之间连接导线，则可形成电流。

如图1所示，稀释装置11连接淡盐液罐15，淡盐液罐15连接反向电渗析器12的淡液室124B，淡液室124B的出液又回到淡盐液罐15。淡盐液罐15盛装了低浓度的淡盐液，在经过反向电渗析器12的反向电渗析后，浓度会升高，而稀释装置11可以提供溶剂（比如：水）来稀释盐溶液，使其维持低浓度。如此，淡盐液在反向电渗析器12的淡液室124B与淡盐液罐15之间循环。

浓盐液罐14连接反向电渗析器12的浓液室124A，浓液室124A的出液又回到浓盐液罐14。而浓盐液罐14连接到正渗透装置13。正渗透装置13内的正渗透汲取液（驱动溶液）可以通过正渗透膜汲取浓度相对较低的另一侧溶液的溶剂（比如：水分）。浓盐液罐14盛装了高浓度的浓盐液，在经过反向电渗析器12的反向电渗析后，浓度会降低，而正渗透装置13可以浓缩盐溶液，使其维持高浓度。如此，浓盐液在反向电渗析器12的浓液室124A与浓盐液罐14之间循环。

此外，由于稀释装置11的稀释作用，会让淡盐液罐15内的液量增加，同时反向电渗析器12会导致浓盐液罐14中的盐分向淡盐液罐15转移。为此，本发明进一步将淡盐液罐15连接到正渗透装置13。正渗透装置13可以汲取淡盐液中的溶剂（比如：水分）使淡盐液浓度变高，之后，由于正渗透装置13连接浓盐液罐14，因此可将浓度变高的“淡”盐液又返回到浓盐液罐14一侧，同时可以稳定淡盐液罐15中的总液量。

本发明的连续式盐差发电装置，盐份在整个连续式盐差发电装置内部循环不产生盐损耗。此外，正渗透装置13中正渗透汲取液（驱动溶液）所汲取的水分回收后，又可作为稀释用水。

其中，阳离子交换膜123A和阴离子交换膜123B的电阻为0.5-4Ω·cm²，膜面流速为3-7 cm/s。

其中，正渗透装置13的正渗透膜为具有纳米粒子复合功能层的中空纤维膜，进液流速是汲取液流速的1-6倍。

其中，浓盐液罐14内的浓盐液为0.5%-15%的电解质溶液，淡盐液罐15的淡盐液为0.01%-2%的电解质溶液，但浓盐液的盐浓度始终应当大于淡盐液。其中，正渗透装置13的正渗透汲取液（驱动溶液）为5%-30%的电解质溶液，且正渗透汲取液的浓度始终应当大于回到浓盐液罐14内的浓盐液的浓度。即浓度顺序为：正渗透装置13的正渗透汲取液＞浓盐液罐14内的浓盐液＞淡盐液罐15的淡盐液。

优选地，所述浓盐液和淡盐液的电解质为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、溴化钠、溴化钾、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硝酸钠、硝酸钾、磷酸钠、磷酸钾中的一种或多种，所述的汲取液电解质为氯化钠、氯化钾、氯化镁、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硝酸钠、硝酸钾、硝酸铵、氯化铵、硫酸铵、碳酸氢铵中的一种或多种。

结合图2所示，为连续式盐差发电装置的反向电渗析器12的内部结构及发电原理示意图（图中以电解质为氯化钠水溶液为例）。反向电渗析器12包括阳极122和阴极121，从阴极121到阳极122依次设置阳离子交换膜123A、阴离子交换膜123B、阳离子交换膜123A、阴离子交换膜123B和阳离子交换膜123A，将阴极121和阳极122之间区隔成6个隔室，分别为淡液室124B、浓液室124A、淡液室124B、浓液室124A、淡液室124B、浓液室124A。此外，其中阳离子交换膜123A和阴离子交换膜123B的总数量不做限制，通常是2个或2个以上。

反向电渗析器12的发电原理是：

阳离子交换膜123A带负电荷，浓液室124A中的Na⁺通过阳离子交换膜123A移动到淡液室124B，而对Cl^-形成排斥作用不允许通过。但浓液室124A中的Cl^-可以从阴离子交换膜（带正电荷）123B中移动到另一侧的淡液室124B中。浓液室124A和淡液室124B盐溶液浓度差提供阴离子、阳离子移动的驱动力。如此，可在靠近阳极122一侧聚集大量带有电子的阴离子，在靠近阴极121一侧聚集大量丢失了电子的阳离子，使阳极122和阴极121之间形成电势差。在阴极121和阳极122之间连接导线，则在导线中形成电流。

以下是对上述发明方案的应用实施例。

实施例1

结合图1及图2所示，反向电渗析器12的离子交换膜电阻为2 Ω·cm²，膜面流速为4.5 cm/s；正渗透装置13的正渗透膜为具有氧化硅纳米粒子复合功能层的中空纤维膜，进液流速是汲取液流速的2倍；浓盐液罐14的盐液为10%的氯化钠溶液，淡盐液罐15的盐液为0.5%的氯化钠溶液。正渗透装置13的正渗透汲取液为23%的氯化铵溶液。阳极122和阴极121通过导线连接负载进行测试，功率密度为7.2 W/m²。

实施例2

结合图1及图2所示，反向电渗析器12的离子交换膜电阻为2 Ω·cm²，膜面流速为4.5 cm/s；正渗透装置13的正渗透膜为具有氧化硅纳米粒子复合功能层的中空纤维膜，进液流速是汲取液流速的1.5倍；浓盐液罐14的盐液为5%的氯化钠溶液，淡盐液罐15的盐液为0.3%的氯化钠溶液。正渗透装置13的正渗透汲取液为20%的碳酸氢铵溶液。阳极122和阴极121通过导线连接负载进行测试，功率密度为5.6 W/m²。

实施例3

结合图1及图2所示，反向电渗析器12的离子交换膜电阻为2 Ω·cm²，膜面流速为5 cm/s；正渗透装置13的正渗透膜为具有氧化钛纳米粒子复合功能层的中空纤维膜，进液流速是汲取液流速的2倍；浓盐液罐14的盐液为12%的氯化钠和硫酸钠混合溶液，淡盐液罐15的盐液为0.3%的氯化钠和硫酸钠混合溶液。正渗透装置13的正渗透汲取液为23%的氯化铵溶液。阳极122和阴极121通过导线连接负载进行测试，功率密度为8.7W/m²。

实施例4

结合图1及图2所示，反向电渗析器12的离子交换膜电阻为2 Ω·cm²，膜面流速为5 cm/s；正渗透装置13的正渗透膜为具有氧化钛纳米粒子复合功能层的中空纤维膜，进液流速是汲取液流速的2倍；浓盐液罐14的盐液为6.5%的氯化钠和氯化钾混合溶液，淡盐液罐15的盐液为0.5%的氯化钠和氯化钾混合溶液。正渗透装置13的正渗透汲取液为15%的氯化钠和氯化钾混合溶液。阳极122和阴极121通过导线连接负载进行测试，功率密度为6.3W/m²。

实施例5

结合图1及图2所示，反向电渗析器12的离子交换膜电阻为1.5 Ω·cm²，膜面流速为4.5 cm/s；正渗透装置13的正渗透膜为具有氧化钛纳米粒子复合功能层的中空纤维膜，进液流速是汲取液流速的2.5倍；浓盐液罐14的盐液为12%的氯化钠溶液，淡盐液罐15的盐液为0.13%的氯化钠溶液。正渗透装置13的正渗透汲取液为28%的氯化铵溶液。阳极122和阴极121通过导线连接负载进行测试，功率密度为10.3 W/m²。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种连续式盐差发电装置，其特征在于，其包括：稀释装置、反向电渗析器、正渗透装置、浓盐液罐和淡盐液罐；所述浓盐液罐容纳浓盐液，淡盐液罐容纳淡盐液，浓盐液的浓度大于淡盐液；

所述稀释装置提供稀释液，以维持淡盐液罐和反向电渗析器的淡液室中的淡盐液处于低浓度；所述正渗透装置提供浓缩作用，以维持浓盐液罐和反向电渗析器的浓液室中的浓盐液处于高浓度，并将部分淡盐液浓缩后用于补给浓盐液；

所述反向电渗析器的浓液室的进液口与所述浓盐液罐连接，浓液室的出液口与所述浓盐液罐连接，使浓盐液在反向电渗析器的浓液室与浓盐液罐之间循环；所述反向电渗析器的淡液室的进液口与所述淡盐液罐连接，淡液室的出液口与所述淡盐液罐连接，使淡盐液在反向电渗析器的淡液室与淡盐液罐之间循环；

所述浓盐液罐与所述正渗透装置的进液侧连接，同时所述正渗透装置的出液侧连接至所述浓盐液罐；所述浓盐液来自海水淡化厂生产淡水后得到的浓盐水，淡盐液来自海水。

2.根据权利要求1所述的连续式盐差发电装置，其特征在于，所述反向电渗析器从阴极到阳极，依次设置第一阳离子交换膜、第一阴离子交换膜、第二阳离子交换膜、第二阴离子交换膜和第三阳离子交换膜，将阴极和阳极之间区隔成6个隔室，分别为淡液室、浓液室、淡液室、浓液室、淡液室、浓液室。

3.根据权利要求1所述的连续式盐差发电装置，其特征在于，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜电阻为0.5-4Ω·cm²，膜面流速为3-7 cm/s。

4.根据权利要求1所述的连续式盐差发电装置，其特征在于，所述正渗透装置的正渗透膜为具有纳米粒子复合功能层的中空纤维膜，进液流速是汲取液流速的1-6倍。

5.根据权利要求1所述的连续式盐差发电装置，其特征在于，所述浓盐液罐的浓盐液为0.5%-15%的电解质溶液，所述淡盐液罐的淡盐液为0.01%-2%的电解质溶液，浓盐液的盐浓度大于淡盐液。

6.根据权利要求5所述的连续式盐差发电装置，其特征在于，所述正渗透装置的汲取液为5%-30%的电解质溶液。

7.根据权利要求1-6任一项所述的连续式盐差发电装置，其特征在于，所述浓盐液和淡盐液的电解质为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、溴化钠、溴化钾、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硝酸钠、硝酸钾、磷酸钠、磷酸钾中的一种或多种。

8.根据权利要求4或6所述的连续式盐差发电装置，其特征在于，所述汲取液的电解质为氯化钠、氯化钾、氯化镁、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硝酸钠、硝酸钾、硝酸铵、氯化铵、硫酸铵、碳酸氢铵中的一种或多种。