CN115135876A - 溶剂化熵引擎 - Google Patents

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Abstract

一种发电方法，该方法包括将溶质(10)溶解到不饱和流(140)中以产生高浓度流(130)并通过经过在其中高浓度输入流(130)的浓度降低的电力单元(20)将存在于高浓度输入流(130)中的潜在混合能转化为电力。该方法包括使用经过电力单元(20)后的源自高浓度输入流(130)的浓度降低的输出流(140)作为不饱和流(140)。高浓度流(130)的第一部分被传递到电力单元(20)以用作高浓度输入流(130)，并且高浓度流(130)的第二部分从该过程中输出。

Description

溶剂化熵引擎
技术领域
本发明涉及一种使用溶剂化熵引擎(solvation entropy engine)来收集溶剂化熵的方法。更具体但非排他地，本发明涉及利用这样的溶剂化熵引擎的用于产生动力(例如电)的方法以及用于这样的方法的系统和/或装置。
背景技术
当溶质浓度不同的两种溶液混合时，系统的熵增加。如果熵的这种增加(混合能量)可以被收集，那么它可以用于有用的工作。
一种可以捕获部分混合能量的方式是称为压力阻尼渗透(PRO)的过程。在此过程中，半透膜被用于将浓度较低的溶液与浓度较高的溶液分离。膜允许溶剂通过渗透作用从浓度较低的溶液(具有低渗透压)流向浓度较高的溶液(具有高渗透压)，且由于受限空间中的容积增加，这导致膜的溶剂扩散到的一侧压力增加。这种压力可以用来产生电。Heifer等人，J.Membrane Sci.453(2014)337-358是一篇描述PRO的综述文章。但是，PRO只能用于流体(即液体或气体)。
另一种可以捕获部分混合能量的方式是称为反向电渗析(RED)的过程。在此过程中，多个离子交换膜被用于将浓度较低的溶液与浓度较高的溶液分离。每个膜允许带正电或带负电的离子从浓度较高的溶液传递到浓度较低的溶液。带电离子穿过膜的运动产生可用于产生电的电势。但是，与PRO一样，RED只能用于流体。
PRO和RED都是盐度梯度能量(SGE)装置的示例。提高PRO、RED和其他SGE装置的效率将是有利的。
本发明试图减轻上述问题。替代地或附加地，本发明寻求提供一种用于产生动力更具体地是电的改进的方法和设备。
发明内容
本发明提供一种动力(例如电)产生方法，包括将溶质溶解到不饱和流中以产生高浓度流和/或通过经过在其中高浓度输入流的浓度降低(例如通过与低浓度输入流混合)的电力单元而将高浓度输入流中存在的潜在混合能转化为动力(例如电)。方法还可以包括使用在经过电力单元后源自高浓度输入流的输出流作为不饱和流。可以将高浓度流的第一部分传递到电力单元以用作高浓度输入流并且将高浓度流的第二部分例如作为高浓度出口流从该方法输出。因此，根据本发明的方法可以允许产生高浓度流体流，例如用于工业过程，同时再循环高浓度流的一部分用于溶解溶质，在返回到溶质之前，高浓度流的浓度通过经过电力装置降低。
当溶质被溶剂溶解以产生溶液时，系统的熵增加。通过经由电力单元再循环高浓度/浓度降低的输出流，在该电力单元中潜在混合能被转化为有用的形式(在本文中称为动力)，例如电，可以捕获该溶剂化熵中的至少一些。因此，本方法可以通过捕获一些溶剂化熵来提高用于产生高浓度溶液的方法的能量效率。
此过程的输出是电力(例如电)、高浓度流(高浓度流的第二部分)和可选的源自低浓度输入流的出口流(可以将此流与浓度降低的出口流合并用作不饱和流的)。此过程的输入是溶质和低浓度流。此过程可被视为操作溶剂化熵引擎。此过程的输出和输入可以被认为是溶剂化熵引擎的(理论)边界处的输出和输入。因此(并且不希望受理论束缚)相信再循环源自高浓度流的输出流以溶解溶质产生可以被视为类似于热力引擎的溶剂化熵引擎。
因此，根据本发明的方法改进将溶质溶解在溶剂中以产生高浓度输出流以提供溶剂化熵引擎的过程，该引擎可以收集当溶质溶解在溶剂中时释放的混合能量中的一些能量。这与例如现有技术SGE过程形成对比，后者仅收获由高盐度和低盐度流混合产生的熵。此类示例现有技术过程中在CN103615363中有所描述，其中盐差发电装置将浓缩的盐水和海水分别用作高浓度和低浓度侧溶液，以实现盐差发电。然而，CN103615363的过程使用浓缩装置从经过发电装置后的稀释的高浓度流中蒸发溶剂。因此，CN103615363的持续过程不能捕获在盐溶解在溶液中时产生的溶剂化熵。
作为第二部分输出的高浓度流的量可被设置以保持(过程的高浓度侧)内的流体体积恒定和/或过程处于稳定状态。例如，在正常操作中，从此过程输出的高浓度流的第二部分的流量可以基本上等于由于通过电力单元引起的高浓度流的体积的增加。因此，在PRO工艺中(见下文)，从过程输出的高浓度流的第二部分的流量可以等于低浓度输入流通过膜的流量。因此，高浓度流的第二部分的输出可以允许本发明的方法长时间保持操作。
附加地或替代地，因为低浓度流用于降低高浓度流的浓度，而不是直接添加到溶质中，所以可以更多种来源可用于低浓度流。
溶质可以是固体。溶质可以是盐、糖或其他可溶性物质。溶质可以是溶解在溶剂中的任何溶质。溶剂可以是水或任何其他合适的溶剂。本文使用的术语高或较高浓度和低或较低浓度是指具有相应溶质含量的流。在整个说明书中，低浓度应理解为包括零浓度。高浓度的溶质浓度可以达到饱和。高浓度流可以是浆液(具有未溶解颗粒的饱和溶液)。
在溶质是盐的情况下，高或较高浓度和低或较低浓度流可分别指高或较高盐度和低或较低盐度流。应当理解，通过溶解盐产生的盐流可以包含多种溶解盐，包括或主要包括氯化钠、氯化钾和/或氯化钙，“盐含量”是指总盐含量。此类流中存在的盐(一种或多种)的确切性质并不重要。类似地，术语高或较高盐度和低或较低盐度在本文中用于指具有相应“盐含量”的流—此类流中存在的盐(一种或多种)的确切性质并不重要。
高浓度流的盐含量可以达到饱和。优选地，盐含量为至少10重量％，优选至少15重量％，更优选至少20重量％，尤其是至少25重量％。
低浓度流可以从任何来源获得，但通常是海水，例如从河流或湖泊获得的淡水或微咸水，或从工业或市政来源获得的废水。低浓度流可被传送至电力单元以用作低浓度输入流。
方法包括混合步骤，其中通过在该流中溶解溶质来增加不饱和流的浓度，和发电步骤，其中潜在混合能在电力单元中转化为电力(例如电)。方法的步骤可以同时进行。方法可包括操作溶剂化熵引擎以溶解溶质以产生高浓度流并产生有用功(例如电)。操作溶剂化熵引擎可以包括进行混合步骤和发电步骤。
混合步骤的输入是不饱和流和溶质(可选固体形式)。应当理解，不饱和盐流的性质必须使得溶质溶解到不饱和流中。
混合步骤的输出是高浓度流。应当理解，高浓度流中溶质的浓度大于不饱和流中溶质的浓度。高浓度流中的溶质浓度可以达到饱和。
方法可以包括通过经过电力单元将存在于所述高浓度流的第一部分中的潜在混合能转化为电力(例如电)，同时从该过程(和/或溶剂化熵引擎)输出所述高浓度流的第二部分。方法可以包括将高浓度流分成第一部分和第二部分，其中第一部分通过电力单元(作为高浓度输入流)，并且在别处例如在工业过程中使用流的第二部分。方法可以包括在电力单元上游将高浓度流分成第一部分和第二部分。
方法可以包括使浓度降低的输出流通过能量回收装置，在能量回收装置中来自所述流的能量被转移到高浓度输入流，例如增加高浓度输入流的压力。能量回收装置(ERD)可以包括压力交换器。ERD可以包括泵，例如增压泵，其被配置为在浓度降低的输出流中的压力变化的情况下保持来自ERD的恒定输出。
方法可以同时包括(i)在与低浓度输入流混合之前增加高浓度输入流的压力和(ii)例如通过经过在其中压力从输出流转移到高浓度输入流的压力交换器来降低浓度降低的输出流的压力。传递到压力交换器的输出流的流量可以等于紧接在与低盐度输入流混合之前的高盐度输入流的流量。使用此类压力交换器可以提高该过程的效率。
方法包括发电步骤，其中存在于所述高浓度输入流中的潜在混合能通过经过电力单元而转化为有用功(电力，例如电)。电力单元是将潜在混合能转换为电力(例如电)的单元。在本发明的方法中可以使用任何合适的电力装置。发电步骤的输入将是低浓度输入流和高浓度输入流。经过电力单元后，高浓度输入流的浓度将降低，而低浓度输入流的浓度将增加。使高浓度输入流经过电力单元可以包括使高浓度输入流从膜(例如在PRO过程中允许水通过的半透膜，或在RED过程中允许具有特定电荷的离子通过的半透膜)通过。
电力单元可以包括半透膜。半透膜可以允许包含在高浓度或低浓度输入流中的特定原子和/或分子通过，并防止其他原子和/或分子通过。因此，当原子和/或分子在流之间通过时，高浓度和低浓度输入流可以在通过电力单元期间混合，从而导致流浓度变化。电力单元可以被配置为例如通过做机械功和/或提供电势通过此混合来产生电力。
来自电力单元的输出流源自原始高浓度输入流。这种输出流可以包括原始高浓度输入流的至少一部分，其浓度已经通过经过电力单元而降低(因此此流可以被称为浓度降低的输出流)。此流用作不饱和流。浓度降低的输出流可包含高浓度流(或其第一部分)和来自低浓度流的溶剂(例如水)。如果使用PRO(见下文)，就会是这种情况。或者，例如，如果使用RED(见下文)，则浓度降低的输出流可包括已从其中去除至少一些阳离子和阴离子的高浓度流(或其第一部分)。
来自电力单元的一种输出流可以是例如源自低浓度输入流的废流。废流可以具有比低浓度输入流更高的浓度。可以根据需要处理废流，例如排放到邻近的海洋、河流或湖泊中。根据排放到邻近水体中的允许排放浓度，可以改变电力单元中的参数(例如膜和/或渗透单元的数量)，直到在废流中获得可允许的溶质浓度。废流(或其至少一部分)可与源自高浓度流的输出流合并且作为不饱和流传递至溶剂。这在难以处置废流的情况下可以是有利的。
方法可以包括将存在于所述高浓度输入流中的潜在混合能通过经过电力单元(第一电力单元)和第二电力单元以及可选的第三或更多电力单元而转化成电力。电力单元可以并联和/或串联布置。高浓度输入流可以被分流，并传递到电力单元以及第二和/或另外的电力单元。附加地或替代地，在经过电力单元之后的浓度降低的输出流可以用作第二电力单元中的高浓度输入流(如果存在的话，对于第三和另外的单元，依此类推)。源自用于该单元的高浓度流的第一和/或第二电力单元(以及如果存在的话，第三和/或另外的电力单元)的输出流可以用作不饱和流的一部分以溶解溶质。在电力单元的输出再循环以溶解溶质的情况下，可以认为电力单元位于溶剂化熵引擎的边界内。在来自电力单元的输出不作为不饱和流的一部分再循环到溶质中的情况下，这种电力单元可以被认为在溶剂化熵单元的边界之外。
方法可包括通过经过盐度梯度能量(SGE)电力单元将存在于所述高浓度流中的潜在混合能转化为电，在其中使用高浓度输入流和低浓度输入流之间的浓度差产生电力(例如电)。
电力单元可以通过压力阻尼渗透(PRO)将存在于所述高浓度流中的潜在渗透能转化为电力(例如电)。因此，电力单元可以是渗透电力单元。渗透电力单元可以包括允许水通过但不允许盐(或其他溶质)通过的半透膜，并且所述高浓度输入流从半透膜的一侧通过，低浓度输入流从所述膜的另一侧通过。
PRO可为用于捕获盐(或另一种溶质)被不饱和流溶解时产生的溶剂化能量的高效且有效的方法。另外和/或替代地，使用半透膜可以允许使用较低质量的含水进料流和/或消除对附加过滤步骤的需要，因为含水进料流在到达溶质之前通过经过膜过滤。
应当理解，在PRO单元中，使溶剂通过更浓的溶液降低了该溶液的浓度。因此，在本发明中，高浓度流的浓度可通过经过渗透电力单元而降低，从而产生可被送回以溶解溶质的不饱和流。
用于PRO的半透膜是市售的，并且可以使用任何合适的膜。可以存在一种以上的膜，并且可以使用不同类型的膜的组合。因此，渗透电力单元可以包含多个渗透单元，每个渗透单元包含半透膜。除了至少一个膜之外，渗透电力单元还可以包括用于将由渗透产生的压力或流动转换成电的装置。通常，此装置是连接到发电机的涡轮机，但可以使用任何合适的装置。替代地，渗透电力单元可将高浓度输入流的增加的压力直接地(例如机械地)转化为有用功。
这种类型的渗透电力单元也可以看作是熵收集器。溶剂从低浓度输入流向高浓度输入流流动，从而增加(或产生)熵，然后可以通过使用高浓度流的增加的压力(例如经由涡轮机)来发电来收集该熵。
在溶剂从低浓度输入流穿过半透膜进入高浓度流的情况下，例如在PRO工艺中，高浓度流的第二部分的流量(例如，该过程输出的高浓度流的一部分)可以等于溶剂穿过膜的流量。以此方式，该过程可以长时间保持平衡，从而使其能够长期运行，例如，用于生产用于工业过程的高浓度流。
在渗透电力单元中使用半透膜的情况下，溶剂可以在用于溶解盐或其他溶质之前通过渗透电力单元的膜。一旦该过程进行，新溶剂可以仅在通过渗透电力单元的半透膜后添加到溶质中。
第一次通过半透膜的输出流将具有低于原始高浓度输入流的浓度和高于原始低浓度输入流的浓度。在平衡状态，两股流将具有相同的浓度，但这在实践中不太可能实现。因此，任一输出流都可以作为第一流或第二流在同一膜上第二次通过而被重新使用，或作为第一流或第二流通过另一膜而被重新使用。这些重新使用的流可以单独使用，也可以与其他输入流合并。渗透发电过程可以是多步骤过程，每个步骤包括使相对高浓度流和相对低浓度流通过渗透电力单元中的膜。根据每次通过的初始输入流之间的浓度差异，每个步骤可具有不同的压力和/或通量设置。以此方式调整压力和/或通量设置可以提高过程的效率。只要来自渗透单元的流出流具有比初始低浓度流更高的浓度，就可以运行附加的渗透单元。最佳循环次数将取决于流的初始含量、膜的效率和选择的流量。
渗透电力单元可以包含多于一个的渗透单元，每个渗透单元包括膜。来自每个渗透单元的输出将是来自膜的第一(初始较高浓度)侧的第一流出流和来自膜的第二(初始较低浓度)侧的第二流出流。这些流可以单独处理或至少部分合并。
方法可以包括在使高浓度输入流通过半透膜之前，例如通过经过能量回收装置(ERD)或泵将高浓度流加压至低于高和低浓度输入流之间的渗透压差的压力。
在该方法使用压力交换器的情况下，来自渗透电力单元的浓度降低的输出流的第一部分可以通过压力交换器，并且输出流的第二部分可以通过渗透电力单元中的涡轮机。可以在通过涡轮机期间通过输出流的第二部分的膨胀来产生电力。输出流的第一部分可用作不饱和流，以在通过压力交换器后溶解溶质。输出流的第二部分可用作不饱和流，以在通过涡轮机后溶解溶质。
方法可以包括在分别通过压力交换器和涡轮机之后重新组合浓度降低的输出流的第一和第二部分以用作不饱和流。如上所述，高浓度流的第二部分可以被转移离开渗透电力单元转(即不通过电力单元)。高浓度的第二部分作为高浓度出口流流出溶剂化熵引擎。高浓度出口流的流量可以等于溶剂通过半透膜的流量(即，在电力单元的出口处的分别源自高浓度输入流和低浓度输入流的流之间的流量差)。
或者，可以在溶剂化熵引擎内使用全部低浓度输入流。渗透电力单元出口的低浓度流的剩余部分可以与浓度降低的输出流重新组合(例如在分离并通过压力交换器和涡轮机之后)。高浓度流的第二部分的流量可以等于低浓度流在进入渗透电力单元和/或半透膜时的流量。
应当理解，只要施加到高浓度溶液的压力低于渗透压差，水就会从低浓度输入流经过半透膜流向高浓度输入流。在使用饱和氯化钠作为高盐度流的情况下，渗透压可以超过400bar。
低浓度流可在通过渗透电力单元之前使用进料泵来加压。
电力单元可以通过反向电渗析(RED)将存在于所述高浓度输入流中的潜在混合能转换成电。因此，电力单元可以是电渗析电力单元。这种电力单元可以包括位于阳极和阴极之间的离子交换膜堆叠。每个离子交换膜要么是阳离子交换膜(允许阳离子通过但不允许阴离子通过)，要么是阴离子交换膜(允许阴离子通过但不允许阳离子通过)。因此，每个离子交换膜都是允许带负电荷的离子或带正电荷的离子通过的半透膜。该堆叠包括多个单元，每个单元包括(按顺序)高盐度(或浓度)通道、阳离子交换膜(CEM)、低盐度(或浓度)通道和阴离子交换膜(AEM)。在使用时，来自高浓度通道的阳离子通过CEM进入同一单元的低浓度通道，而来自高浓度通道的阴离子通过相邻单元的AEM进入相邻单元的低浓度通道。这种离子流可用于产生电流。例如，在本方法的溶质包含氯化钠的情况下，带正电的钠离子将通过CEM从高盐度输入流进入低盐度输入流，而带负电的氯离子将通过AEM从高盐度输入流进入低盐度输入流。因此，高浓度输入流的浓度通过经过电渗析电力装置而降低，以产生可被送回以溶解溶质的不饱和流。
电渗析电力单元可以包括阳离子交换膜和阴离子交换膜。高浓度输入流通过阳离子交换膜的一侧和阴离子交换膜的一侧，第一低浓度输入流通过阳离子交换膜的另一侧并且第二低浓度输入流通过阴离子交换膜的另一侧。电力单元可以包括以与多个阴离子交换膜交替堆叠布置的多个阳离子交换膜。堆叠可以位于阳极和阴极之间。
RED可以是捕获当盐(或另一种溶质)被不饱和溶液溶解时所产生的溶剂化能量的有效方法。另外和/或替代地，与通过稀释降低高浓度流的浓度的过程相比，使用RED可以降低发电过程的淡水需求。
方法可以包括将溶质输送到进行该方法的位置的步骤。方法可以包括在将溶质溶解在不饱和流中之前从地下岩层(例如盐丘)中提取溶质的步骤。因此，方法可以包括将溶质输送到进行该方法的位置，然后在发电系统的隔室中用不饱和流溶解溶质。
在本发明的第二方面，提供一种包括溶质、电力单元和/或高浓度出口的发电系统。电力单元可以被配置为使用高浓度输入流和低浓度输入流之间的浓度差来产生动力(例如电)，从而产生源自高浓度输入流的浓度降低的输出流(例如，源自高浓度流的输出流)。高浓度出口可以配置为允许高浓度流离开发电系统。可以将系统布置成使得浓度降低的输出流用于溶解溶质，并且将所得到的高浓度流的第一部分传递至电力单元以用作高浓度输入流，并将所得到的高浓度流的第二部分传递到高浓度出口。
系统可被布置成使得高浓度输入流用作第二电力单元和/或另外的电力单元的高浓度输入流。附加地或替代地，来自电力单元的浓度降低的输出流可以用作第二电力单元或另外的电力单元的高浓度输入流。因此，发电系统可以包括并联和/或串联布置的两个或更多个电力单元(即，电力单元、第二电力单元和一个或多个另外的电力单元)。来自电力单元、第二电力单元和/或任何另外的电力单元(如果存在)的浓度降低的输出流可用于溶解溶质。
溶质可以是盐，并且电力单元可以被配置为通过盐度梯度能量(SGE)过程使用高盐度输入流和低盐度输入流之间的盐度差异来产生动力(例如电)。应当理解，本发明不限于作为盐的溶质，在这种情况下，本文对与SGE、PRO和RED有关的盐和盐度的引用可以被认为也分别指溶质和浓度。
电力单元可为渗透电力单元，其被布置成使用高盐度流和低盐度流之间的盐度差异通过压力阻尼渗透(PRO)来产生动力(例如电)。渗透电力单元可以包括半透膜，其允许水通过但不允许溶解的盐(或溶质)通过。系统可以布置成使得高盐度流通过半透膜的一侧，而低盐度流通过另一侧。
电力单元可以是电渗析电力单元，其被布置成使用高盐度流和低盐度流之间的盐度差异通过反向电渗析(RED)发电。电力单元可以包括位于阳极和阴极之间的离子交换膜堆叠。每个离子交换膜要么是阳离子交换膜(允许阳离子通过但不允许阴离子通过)，要么是阴离子交换膜(允许阴离子通过但不允许阳离子通过)。该堆叠包括多个单元，每个单元(依次)包括高盐度通道、阳离子交换膜(CEM)、低盐度通道和阴离子交换膜(AEM)。
该装置(发电系统)可以包括用于混合溶质和不饱和流的隔室。隔室可以被构造成接收溶质，例如呈固体形式的溶质。
系统可以包括进料泵、压力交换器和/或关于第一方面的方法描述的任何其他元件。
应当理解，本发明的方法可以被描述为动力(或电)产生方法，因为电力单元产生动力(例如电)。应当理解，所产生的动力(例如电)的量将根据工艺参数而变化。
可用于提取混合能量的方法统称为盐度梯度能量(SGE)技术，但此后将被称为熵能提取装置(EEED)。EEED通过促进两种溶液的受控混合而发挥作用，该两种溶液具有相对高的浓度(从这里开始为提取溶液)和相对较低的浓度(从这里开始为进料溶液)。EEED对液体或气体溶液进行操作，这意指着它们只用于提取稀释过程中释放的混合能量，而到目前为止，还无法提取固体溶解到溶液中时产生的溶剂化熵。
在本发明的另一方面，提供一种用于从溶剂化熵中提取自由能的装置，所述装置包括混合系统和电力单元(在本文中也称为熵能提取装置或EEED)，其中将溶液和提取溶液供应到作为输入的EEED，并且将固体和稀释的提取溶液供应到作为输入的混合系统，其中提取溶液是来自混合系统的输出，且稀释的提取溶液是来自EEED的输出，EEED是提取溶液和进料溶液的混合物。
来自混合系统的输出的提取溶液的第一部分可以被送到EEED并且第二部分被引导出装置。
可以将第二部分作为输入供应到附加EEED。
EEED可以由连续定位的多个子单元形成，使得将来自混合系统的提取溶液供应到连续的第一子单元，而将来自连续的先前子单元的输出稀释提取溶液供应到随后的子单元。
来自子单元中的一些子单元的经稀释的提取溶液除了被连续供应到下一个连续的子单元之外，还被再循环回到混合系统。
固体可以被直接送到混合系统以产生用于EEED的提取溶液。
EEED可以是包括半透膜的压力阻尼渗透(PRO)装置。
提取溶液可在被输送到膜之前在低于两种溶液之间的渗透压差的压力下加压。
加压可使用能量回收装置(ERD)诸如压力交换器或泵来进行。
膜中的加压溶液的膨胀可被引导至能量产生装置，诸如涡轮机。
从混合系统输出的提取溶液可被分成两部分，其中一部分被引导到PRO系统中的压力交换器，而另一部分被引导出装置。
在本发明的另一方面，可以提供一种从固体中获取熵能的方法，所述方法包括装置，其包括混合系统和熵能提取装置(EEED)(也称为电力单元)，所述方法包括将溶液和提取溶液作为进料输入到EEED，以及将固体和稀释的提取溶液作为进料输入到混合系统，其中提取溶液是来自混合系统的输出，并且稀释的提取溶液是来自EEED的输出，是提取溶液和进料溶液的混合物。
EEED可以是包括半透膜的压力阻尼渗透(PRO)装置，所述方法包括在将提取溶液送至膜之前在低于两种溶液之间的渗透压差的压力下将提取溶液加压。
方法可以包括使膜中的加压溶液膨胀以被引导至能量产生装置。
当然，应当理解，关于本发明的一个方面所描述的特征可以结合到本发明的其他方面中。例如，本发明的方法和/或过程可以结合参考本发明的设备描述的任何特征，反之亦然。
附图说明
现在将仅参考所附示意图，通过示例的方式描述本发明的实施方式，其中：
图1示出根据本发明的示例溶剂化熵引擎；
图2示出图1的方法的变型，其中产生的高浓度溶液用于另外的电力装置；
图3示出图1的方法的变型，其中多个电力单元串联连接；
图4示出图1的方法的变型，其中多个电力单元在溶剂化熵引擎内串联连接；
图5示出在未将高浓度溶液再循环到混合系统情况下的系统；
图6示出示例渗透电力单元；
图7示出根据本发明的示例方法，其中图6所示的渗透电力单元用于收集混合能；
图8示出图7的方法的变型；
图9示出当使用PRO过程提取能量时每吨NaCl(氯化钠)在进入溶液时所产生的能量与所施加压力的函数关系图；
图10示出渗透电力装置的更多细节；和
图11示出反向电渗析电力装置的更多细节。
具体实施方式
在很多情况下，有必要将固体溶解到溶液中。在这个过程中，锁定在固体中的原子或分子将与溶剂相互作用并作为溶解物质移动进入溶液。从由两个相对纯的相(固体(s)和溶剂(aq))组成的系统转变为混合溶液将增加熵(S)。
Figure BDA0003802268510000131
其中S是熵，固体、溶剂-溶剂和固体-溶剂相互作用，焓可以增加、减少或保持不变，这会引起在向系统中添加热量或从中移除热量时熵进一步变化。只要熵的净变化为正，则溶解过程将是自发性的。
熵产生可作为吉布斯自由能获得，在此情况下称为混合能，如下式所述：
-ΔGmix＝RT([∑xiln(ai)]M-φA[∑xiln(ai)]A-φB[∑xiln(ai)]B)其中Gmix是混合的吉布斯自由能，R是气体常数，T是绝对温度，xi是物质“i”的摩尔分数，ai是物质“i”的活性，且ΦA和ΦB是溶液A和B中的摩尔数分别与系统中总摩尔数的比值，溶液A和B混合得到溶液M。
在图1中示意性地示出本发明的一个示例性实施方式。电力单元(或EEED)20的输入是提取溶液130和适当的进料溶剂溶液100。电力单元20产生电力120和稀释的提取溶液140，其是输入的提取溶液130和进料溶剂溶液100的混合物。稀释的提取溶液140与固体110一起被送到混合系统10。当固体110与从电力单元20输出的稀释的提取溶液140混合并因此被溶解时，提取溶液130是混合系统10的输出。稀释的提取溶液140是被以低溶液浓度输出的输入的提取溶液130。用于提取溶剂化熵的所得到的理论装置1的边界由图1中的虚线表示。
为了具有恒定体积的稳态过程，部分输出的提取溶液130被送到装置1外，所述输出的提取溶液130具有相对高的浓度。整个装置1由此以固体110和相对低浓度的溶液(进料溶剂溶液100)的输入和电力/能量120、相对高浓度的输出的提取溶液130的输出来操作。所述装置1被称为溶剂化熵引擎(solvation entropy engine)。图1还示出在通过电力单元20之后作为剩余溶剂100的残余溶剂200的可能的离开，可以控制其流量以调节装置1内的流体。在一些实施方式中，所有进料溶剂溶液100都在装置1内使用。
在本文中，溶剂溶液100是具有低(或零)浓度的溶质(例如糖或盐，如氯化钠、氯化钾、氯化钙等)的流体，例如液体或气体，并且可选地，是淡水或其他溶剂。固体110应理解为呈固态的溶质。在其他实施方式中，溶质可以呈非固态。与固体110相比，溶剂溶液100处于低浓度状态。当固体110溶解在稀释的提取溶液140中时，在混合系统10中稀释的提取溶液140和固体110混合并产生相对高浓度的溶液(提取溶液130)。
相对高浓度的输出的提取溶液130可用于次要目的。图2示出一种实施方式，其中将附加电力单元30(与装置1内的电力单元20相同类型)添加到图1的系统的输出的提取溶液130流中。在此实施方式中，提取溶液130是由附加电力单元30中的适当的溶剂进料溶剂100稀释以产生稀释的提取溶液140和可选的残留溶剂溶液200。附加电力单元30位于装置1外部并且可以由在不同参数下操作的多个附加电力子单元30组成。放置在装置1中的电源单元20也可以由装置1内的多个子单元组成，诸如图3所示的。
图3示出这种一系列电力子单元20a、20b、20c的实施方式，每个子单元具有与上述电力单元20相同的输入流和输出流。第一电力子单元20a将稀释的提取溶液140提供给第二电力子单元20b，第二电力子单元20b将稀释的提取溶液140提供给第三电力子单元20c。尽管该图示出三个这种这样的电力子单元20a、20b、20c，但装置1可以包括任意数量的连续的电力子单元。
图3描述一种串联连接电力子单元的方式，其中每个子单元可以在相似条件或不同条件下操作。如果一系列电力子单元20a、20b、20c用于能量提取，则可以从如图4所示的它们中的任一个(或全部)开始进行再循环。在图4中，来自每个电力子单元20a、20b、20c的稀释的提取溶液140的一部分被传递到混合系统10。从其发生再循环的任何这种电力子单元将在溶剂化熵引擎装置1的(理论)边界内，而其他的(从其未发生再循环)将在外部。
在图5中示出没有再循环的系统。图5的系统是在本发明的范围外的比较例。在此，进料溶剂100被直接送到混合系统以产生用于电力单元20的提取溶液130。进料溶剂100在混合系统10中与固体110混合导致熵增加，但是因为此混合不通过电力单元进行调节(与图1的系统相比)，因此它是不受控制的，且因此，熵的增加不能用于能量产生。从图5还可以看出，进料溶剂100被送至混合系统10和电力单元20两者。因此，运行该过程需要更多的进料溶剂100。此外，图5中的过程的出口是稀释的提取溶液140流，其浓度低于图1中的出口提取溶液130。
在一个示例中，电力单元20是如图6所示的渗透电力单元，其通过压力阻尼渗透(PRO)发电。在PRO中，两种不同浓度的液体溶液；提取溶液130和进料溶剂溶液100(分别为高浓度和低浓度溶液)通过半透膜450的任一侧，该半透膜允许水通过但不允许盐通过。由于渗透压的净差异，溶剂渗透膜450并从低浓度移动到高浓度以试图平衡渗透压差。这导致提取溶液130的膨胀，该溶液可以被送到能量产生装置500诸如涡轮机。提取溶液130在传送至半透膜450之前，通过通过压力交换器400，在低于提取溶液130和进料溶剂溶液100之间的渗透压差的压力下加压。在相同或另外的实施方式中，可以使用泵在提取溶液130被传送至半透膜之前对其进行加压。一部分稀释的提取溶液140作为高压流再循环到压力交换器400，并且压力从稀释的提取液140转移到压力交换器400中的提取液130。在另外的实施方式中，可以不存在压力交换器或泵。进料泵600在进料溶剂溶液100被送到半透膜450之前对该溶液加压。
图7示出基于PRO的溶剂化熵引擎装置1。在此，固体110(例如盐)被送到混合系统10，在该系统中，固体与来自电力单元20的稀释的提取溶液140混合并产生相对高浓度的提取溶液130。该提取溶液130被分成两部分；一部分被引导至电力单元20中的压力交换器400，而另一部分(130a)被引导出溶剂化熵引擎装置1。在此实施方式中，被引导出溶剂化熵引擎装置1的提取溶液(130a)的流量等于进料溶液100通过膜450的渗透流量，即，V_130a＝V_100–V_200。在通过压力交换器140和能量产生装置500之后，两股稀释的提取溶液140在重新进入混合系统10之前重新组合。
为了充分利用进料溶液100，残留溶剂200流可以与来自能量产生装置500和压力交换器400的稀释的提取溶液140混合在一起，诸如图8所示的实施方式中。在该系统中，从溶剂化熵引擎装置1流出的提取溶液(130a)的流量等于进料溶液流入膜450的流量，即V_130a＝V_100。
在一些情况下，无需将固体110输送到混合系统10。如果固体110本身形成可用作混合系统10的结构，则稀释的提取溶液140可以直接再循环至该结构。这可以是固体位于地下岩层(例如盐丘或岩盐层)中的情况。
为了使溶剂化熵产生的能量最大化，在尽可能高的压力下运行PRO过程可以是有益的，因为该过程的总能量是通过PRO过程中的半透膜450的渗透物流量和所施加压力的乘积。
E总＝V溶剂,渗透物·P施加
在PRO过程中，极限最大压力将是提取溶液的渗透压。当施加的压力增加时，相对于提取溶液130的流量，更少的进料溶液100可以渗透膜450。因此，为了保持渗透流，有必要增加提取溶液130的流量。提取溶液130流量的这种增加可以由压力交换器400处理，并且此过程中的效率损失将意味着存在使净能量最大化的最佳施加压力。在这种情况下，净能量定义为：
E净＝E总–EGD损失–ERD损失–FP损失
其中，EGD损失、ERD损失和FP损失分别是能量产生装置500、能量回收装置(例如压力交换器400)和进料泵600中产生的损失。
图9示出这种这种最佳施加压力的示例。这里，固体110是氯化钠(NaCl)且溶液100是水。涡轮机用作能量产生装置500，并且具有增压泵(未示出)以克服压力损失的压力交换器400用于对提取溶液130加压。
涡轮机500以90％的效率运行，压力交换器以95％的效率运行，其中增压泵以90％的效率运行。进料泵600以80％的效率运行，以10bar的压力将进料水输送到PRO系统，并且90％的进料水用于PRO过程。熵溶剂化引擎装置1遵循图7所示的设计。此外，固体110和进料溶液100之间的混合比通过限定来自PRO过程的出口的稀释的提取溶液130的渗透压来固定。它被固定在超出施加压力10bar(P施加+10bar)。在这种情况下，再循环回路中流量的增加会导致压力交换器中的损失增加，从而产生270bar的最佳施加压力。
图10示出渗透电力单元20的更多细节，例如图7中使用的类型。盐流31(例如可以是进料流130)被传递到包含允许水通过但不允许盐通过的半透膜30的渗透单元29，并在膜30的一侧流动。盐度低于流31的含水流33(例如进料流100)进入渗透单元29并在膜30的另一侧流动。箭头表示水通过渗透穿过膜30输送的方向。源自原始输入流33并且现在包含更高浓度的盐的输出流35(例如流200)离开渗透单元29。由现在含有较低浓度盐的原始输入流31(例如稀释的进料流140)组成的输出流36经由涡轮机37离开渗透单元29，涡轮机37驱动发电机38，从而产生电力。
在一个示例中，在图7的过程中使用反向电渗析(RED)电力单元20代替渗透电力单元20。在图11中示出示例性反向电渗析(RED)电力单元。RED电力单元20包括阳离子交换膜75与阴离子交换膜76交替的堆叠70。堆叠70位于阴极79(在图11的左侧)和阳极80(在图11的右侧)之间。盐流71(例如可以是进料流130)在每个阳离子交换膜75(在图11中的流71的左侧，其允许阳离子(例如钠)通过但不允许阴离子(例如氯)通过)和阴离子交换膜76(在图11中流71的右侧)之间流动。盐度低于流71的含水流73(例如图7中的进料流100)在每个阳离子交换膜75和阴离子交换膜76的另一侧流动。因此，存在流过堆叠70的交替的一系列盐流71和含水流73。为清楚起见，在图11中仅示出四个膜，但堆叠可以包括更多的膜。箭头表示钠离子穿过阳离子交换膜75和氯离子穿过阴离子交换膜76的方向。阳离子和阴离子穿过膜的这种运动产生电流。源自原始输入流73(进料流100)并且现在包含更高浓度的盐的输出流77(例如残留溶剂200)离开电力单元20。由原始输入流71(现在包含较低浓度的盐的提取流130)组成的输出流78(例如图7中的稀释提取流140)离开电力单元20。
至于PRO，盐流71(即，提取流130)的盐度降低，而含水流73(进料流100)的盐度通过经过RED单元而增加。然而，对于RED过程，这是因为带正电荷和带负电荷的离子(例如钠离子和氯离子)已经从盐流71传递到含水流73。穿过阳离子交换膜75和阴离子交换膜76的这种运动产生了可用于驱动电流的电势。
PRO和RED都是SGE技术的示例。应当理解，在上述示例中可以使用其他SGE技术。
尽管已经参照特定实施方式描述和说明了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，本发明适用于本文未具体说明的许多不同变型。
如果在前面的描述中提到具有已知明显或可预见等效方式的整数或元素，则这种等效方式被并入本文，如同单独阐述一样。应参考权利要求以确定本发明的真实范围，其应被解释为涵盖任何这种等效方式。读者还将理解，被描述为优选的、有利的、方便的等的本发明的整数或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。此外，应当理解，这种可选的整数或特征，尽管在本发明的一些实施方式中可以是有益的，但在其他实施方式中可能不理想，并且因此可以不存在。

Claims (25)

1.一种发电方法，所述方法包括以下步骤：
-将溶质溶解到不饱和流中以产生高浓度流；
-通过经过电力单元将存在于高浓度输入流中的潜在混合能转化为电力，在所述电力单元中，所述高浓度输入流的浓度降低；和
-使用经过所述电力单元后的源自所述高浓度输入流的浓度降低的输出流作为所述不饱和流；并且，其中所述高浓度流的第一部分被传递到所述电力单元以用作所述高浓度输入流并且所述高浓度流的第二部分从所述方法输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过经过所述电力单元，将潜在混合能转化为电。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电力单元是盐度梯度能量(SGE)电力单元，在其中利用所述高浓度输入流和低浓度输入流之间的浓度差来产生电。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，改变被作为所述第二部分来输出的所述高浓度流的量，以使所述方法内的流体体积保持基本恒定。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电力单元是渗透电力单元，其包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜，并且所述高浓度输入流通过所述半透膜的一侧，低浓度输入流通过所述膜的另一侧。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，从所述方法输出的所述高浓度流的所述第二部分的流量等于所述低浓度输入流通过所述膜的流量。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述高浓度输入流在通过所述半透膜之前，通过经过能量回收装置(ERD)例如压力交换器或泵而被加压。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述高浓度输入流通过经过所述ERD而被加压至低于所述高浓度输入流和所述低浓度输入流之间的渗透压差的压力。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电力单元是包括多个阳离子交换膜和多个阴离子交换膜的电渗析电力单元，并且在其中高浓度输入流通过阳离子交换膜的一侧和阴离子交换膜的一侧，低浓度输入流通过所述阳离子交换膜的另一侧和所述阴离子交换膜的另一侧。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的方法，其中，所述高浓度输入流的第一部分通过经过所述电力单元而被转化为电，所述高浓度输入流的第二部分用作第二电力单元的输入。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，源自所述高浓度输入流的经过所述电力单元之后的所述第一部分和/或所述高浓度输入流的经过所述第二电力单元之后的所述第二部分的所述输出流被用作所述不饱和流。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，源自所述高浓度输入流的经过所述电力单元的所述输出流的至少一部分被用作用于第二电力单元的高浓度输入流。
13.根据权利要求12的方法，其中，源自所述高浓度输入流的经过所述第一和/或第二电力单元之后的所述输出流被用作所述不饱和流。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括将所述溶质输送到进行所述方法的位置，并且任选地，在将所述溶质输送到进行所述方法的所述位置之前从地下岩层例如盐丘中提取所述溶质。
15.一种发电系统，所述系统包括：
-溶质；
-电力单元，其被配置为利用高浓度输入流和低浓度输入流之间的浓度差来产生电力，从而产生源自所述高浓度输入流的浓度降低的输出流；
-高浓度出口；并且
其中所述系统被布置成使得所述浓度降低的输出流用于溶解所述溶质，并且所得到的高浓度流的第一部分被传递至所述电力单元以用作所述高浓度输入流，并且所述所得到的高浓度流的第二部分被传递到所述高浓度出口。
16.根据权利要求15所述的发电系统，其中，所述电力单元被配置为利用所述高浓度输入流和低浓度输入流之间的浓度差来产生电。
17.根据权利要求16所述的发电系统，其中，所述溶质是盐并且所述电力单元被配置为利用所述高浓度输入流和所述低浓度输入流之间的盐度差通过盐度梯度能量(SGE)方法产生电。
18.根据权利要求17所述的发电系统，其中，所述电力单元是被布置成通过压力阻尼渗透(PRO)产生电的渗透电力单元。
19.根据权利要求18所述的发电系统，其中，所述渗透电力单元包括允许水通过但阻止盐通过的半透膜，并且所述系统还包括能量回收装置(ERD)，所述系统被布置成使得所述高浓度输入流在传递到所述半透膜之前经过所述ERD而被加压。
20.根据权利要求19所述的发电系统，所述系统被布置成使得所述浓度降低的输出流在被用于溶解所述溶质之前，压力通过经过所述ERD而降低，所述ERD被配置为将压力从所述浓度降低的输出流传递到所述高浓度流。
21.根据权利要求17所述的发电系统，其中，所述电力单元是被布置成通过反向电渗析(RED)来产生电的电渗析电力单元。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的发电系统，其中，所述系统被布置成使得所述高浓度流被用作第二电力单元和/或另外的电力单元的高浓度输入流。
23.根据权利要求15至21中任一项所述的发电系统，其中，所述系统被布置成使得来自所述电力单元的所述浓度降低的输出流被用作进入第二电力单元或另外的电力单元的高浓度输入流。
24.根据权利要求22或23所述的发电系统，其中，来自所述电力单元、所述第二电力单元和/或任何另外的电力单元的所述浓度降低的输出流被用于溶解所述溶质。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的发电系统，所述发电系统包括隔室，在所述隔室中，所述浓度降低的输出流被用于溶解所述溶质。
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