吳曦，呂一博，董付江，徐士鳴

（大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

0 引言

鹽差能是一種蘊(yùn)藏量巨大的清潔可再生能源，通常存在于河流入?？诨螓}湖地區(qū)，全球可利用的鹽差能為2.4～2.6 TW。鹽差能本質(zhì)是濃度不同的溶液間所蘊(yùn)含的化學(xué)勢(shì)差，利用膜技術(shù)，可將其轉(zhuǎn)換為電能。鹽差能發(fā)電技術(shù)主要有壓力延遲滲透（Pressure Retarded Osmosis，PRO）法和逆電滲析（Reverse Electrodialysis，RED）法。PRO法的原理是基于不同鹽度水體之間產(chǎn)生的滲透壓力差驅(qū)動(dòng)水從低濃度一側(cè)滲透過(guò)膜進(jìn)入高濃度一側(cè)，促使高濃度溶液體積增大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電；而RED法的原理是依靠濃溶液中陰、陽(yáng)離子跨膜遷移進(jìn)入稀溶液中所產(chǎn)生的膜電勢(shì)來(lái)發(fā)電。PRO法能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度和效率，而RED法無(wú)需涉及大型動(dòng)力機(jī)械，振動(dòng)和噪音小，易于實(shí)現(xiàn)模塊化，可依據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)置產(chǎn)能。近年來(lái)，隨著各國(guó)對(duì)可再生能源的亟求以及離子交換膜（Ion Exchange Membrane，IEM）技術(shù)的進(jìn)步，RED法鹽差能發(fā)電技術(shù)（最早由Pattle于1954年提出）備受關(guān)注。

RED法鹽差能發(fā)電技術(shù)的原理如圖1所示。從圖1可以看出，RED電堆內(nèi)交替布置著陰、陽(yáng)離子交換膜，形成多個(gè)交替出現(xiàn)的濃、稀溶液流道。在濃溶液流道中的陰、陽(yáng)離子會(huì)在鹽差梯度驅(qū)動(dòng)下，分別通過(guò)陰、陽(yáng)離子交換膜反方向地遷移到相鄰的稀溶液流道中，在RED電堆內(nèi)形成離子流，同時(shí)在IEMs的兩側(cè)產(chǎn)生膜電位。累積膜電位后，再通過(guò)兩端電極處分別發(fā)生的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，將離子遷移形成的RED電堆內(nèi)電流轉(zhuǎn)換為外電路直流電輸出[1]。除了發(fā)電，RED技術(shù)在制氫[2]、污水處理[3]、海水淡化[4]、微生物固碳[5]等領(lǐng)域也表現(xiàn)出發(fā)展?jié)摿ΑＲ蚱湓谀茉崔D(zhuǎn)換領(lǐng)域凸顯出的良好發(fā)展前景，該領(lǐng)域的學(xué)者都在積極突破、爭(zhēng)取先手，并注重布局知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。因此，本文著眼于我國(guó)RED法能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的相關(guān)專利進(jìn)展，并重點(diǎn)探討核心部件IEM的匹配機(jī)制與制備方法，為RED法能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展、研究及產(chǎn)業(yè)化提供參考。

圖1 開(kāi)式逆電滲析法鹽差能發(fā)電裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of an open type RED power generation apparatus driven by salinity gradient energy

1 逆電滲析專利發(fā)展概要

RED的中文表述除了“逆電滲析”，也有“逆向電滲析”、“反電滲析”、“反向電滲析”。2011年之前，國(guó)內(nèi)RED領(lǐng)域的專利數(shù)量?jī)H有一項(xiàng)，主題是導(dǎo)電高分子膜的制備[6]；2015年之后，RED領(lǐng)域?qū)＠目傮w數(shù)量呈上升趨勢(shì)，2021年達(dá)到了歷史最高點(diǎn)（圖2）。截至2021年底，共有87項(xiàng)RED領(lǐng)域的相關(guān)專利，其中占比最大的是RED用膜（約占3/5），其次是RED發(fā)電（圖3）。

圖2 國(guó)內(nèi)RED專利發(fā)表數(shù)量趨勢(shì)圖Fig.2 Trend chart of domestic RED patents publication

圖3 RED專利關(guān)涉主題分布圖Fig.3 Distribution chart of RED patents in different subjects

大量專利布局于RED用膜，不僅因?yàn)槠涫荝ED系統(tǒng)的核心部件，有必要掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，還因?yàn)楫?dāng)前RED研究中大多使用的是之前針對(duì)電滲析（Electrodialysis，ED）脫鹽系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的商業(yè)膜。在ED方法中，離子在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移；而在RED方法中，離子基于鹽差梯度發(fā)生擴(kuò)散而產(chǎn)生電勢(shì)。在鹽差能發(fā)電過(guò)程中，膜電阻越低，開(kāi)路電壓越高，功率密度（Pd）就越大。膜電阻不僅與制膜材料、制備方法有關(guān)，還與所處溶液種類及濃度有關(guān)。影響膜電阻的主要因素有離子交換容量、溶脹度和膜厚度。膜厚度越小，膜電阻就越低，但膜過(guò)薄會(huì)降低離子選擇性。離子交換容量越高，導(dǎo)電率越強(qiáng)，膜電阻就越低，但離子交換容量過(guò)高會(huì)使膜過(guò)度溶脹，選擇性降低，導(dǎo)致RED電堆電壓下降。Guler E利用磺化聚醚醚酮、聚環(huán)氧氯丙烷等材料制備出IEM，使得RED電堆最高Pd達(dá)1.3 W/m2[7]。吳曦分別以聚乙烯醇、聚環(huán)氧氯丙烷為基材，制備出適用于RED系統(tǒng)的低面電阻、高離子交換容量和選擇性的磺酸型陽(yáng)膜和季胺型陰膜，實(shí)測(cè)Pd可達(dá)1.24 W/m2[8]。

2 RED電堆匹配離子交換膜專利進(jìn)展

2.1 單價(jià)離子選擇性離子交換膜

IEM對(duì)離子的選擇透過(guò)性取決于膜對(duì)離子的親和力差異以及離子在膜中的遷移速率。目前，對(duì)于單價(jià)選擇性IEM制備方法的研究，主要是基于孔徑篩分效應(yīng)（離子水合半徑差異）、靜電排斥作用（離子荷電量差異）或離子水合能差異的不同分離機(jī)理。

①在膜表面引入中性致密層或荷電薄層對(duì)IEM進(jìn)行改性

利用電沉積法、澆鑄溶液法、界面聚合法或表面化學(xué)接枝法對(duì)普通商業(yè)或自制IEM進(jìn)行改性。傅榮強(qiáng)[9]以納濾膜為基材，選用分子結(jié)構(gòu)含碳碳雙鍵和磺酸基團(tuán)的有機(jī)功能單體溶液對(duì)陽(yáng)膜進(jìn)行改性。潘杰峰[10]在部分季胺化的溴化聚苯醚基膜表面沉積單層聚乙烯亞胺致密層，制備出了陰膜。該團(tuán)隊(duì)還申請(qǐng)了多項(xiàng)季胺化聚吡咯改性膜[11]和聚苯胺改性膜專利[12]，并制備出了性能優(yōu)良的復(fù)合膜。未改性的普通商業(yè)膜對(duì)Na+/Mg2+體系的單價(jià)選擇透過(guò)性系數(shù)僅為0.94，而經(jīng)1-碘己烷季胺化后的聚吡咯膜對(duì)Na+/Mg2+體系的單價(jià)選擇透過(guò)性系數(shù)可達(dá)到6.84；此外，經(jīng)1-溴己烷季胺化后的聚吡咯膜、氯癸烷季胺化后的聚吡咯膜及1，4-二溴丁烷季胺化后的聚苯胺膜對(duì)單價(jià)離子的選擇分離效果也有近4倍提升。

②在膜表面引入聚電解質(zhì)層對(duì)IEM進(jìn)行改性

采用層層自組裝法或電沉積法在普通IEM表面引入聚電解質(zhì)層，通過(guò)改變膜的致密度和表面荷電密度來(lái)改變單價(jià)離子選擇性膜的性能。劉磊[13]探討了通過(guò)沉積層數(shù)、納米顆粒濃度以及溶液離子強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)IEM的成膜吸水率、厚度、電阻以及離子分離選擇性。沈江南[14]在膜表面沉積第一層聚多巴胺改性層后，再交替沉積聚苯乙烯磺酸鈉改進(jìn)層以及2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖納米銀顆粒改性層，最后在最外層沉積聚多巴胺改性層，形成“三明治”結(jié)構(gòu)，巧妙利用多巴胺的粘性與親水性對(duì)陰膜進(jìn)行改性。

③對(duì)單價(jià)選擇性膜進(jìn)行表面改性，使其兼具抗污抗菌特性

在RED系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，水體中的微生物、有機(jī)物和膠體等可能會(huì)吸附在IEM表面造成膜污染，從而降低膜的選擇透過(guò)性，增加電阻，嚴(yán)重影響RED電堆的性能與效率。沈江南[15]在普通陰膜表面構(gòu)筑納米銀顆粒的聚多巴胺層，利用紫外光照射膜表面實(shí)現(xiàn)改性層的接枝，制備出了抗污、抗菌IEM。他還利用磺酸化氧化石墨烯對(duì)陰膜進(jìn)行改性，再電沉積聚多巴胺層制備出了抗污型IEM[16]。

④通過(guò)改變高分子制膜材料的結(jié)構(gòu)，制備均相高單價(jià)選擇分離膜

徐銅文[17]通過(guò)在溴化聚苯醚剛性疏水主鏈引入不同柔性親水側(cè)鏈?zhǔn)灏穯误w對(duì)陰膜進(jìn)行改性，基于孔徑篩分及離子水合能差異實(shí)現(xiàn)了分離不同價(jià)態(tài)陰離子。廖俊斌通過(guò)調(diào)控疏水鏈段和親水鏈段以及交聯(lián)側(cè)鏈中疏水烷基側(cè)鏈的長(zhǎng)度，制備出了聚芳醚砜膜[18]和聚芳醚膜[19]。與膜表面修飾法相比，此類方法制得的IEM電阻低、導(dǎo)電性能好，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性與高單價(jià)離子選擇性。

⑤單價(jià)離子選擇性膜的權(quán)衡、優(yōu)化、改性策略

膜電阻與離子選擇性均會(huì)對(duì)逆電滲析過(guò)程產(chǎn)生重大影響，在實(shí)際制膜過(guò)程中，需使二者在對(duì)立中謀求統(tǒng)一。前述的IEM改性方法雖能獲得良好的單多價(jià)離子選擇分離效果，但往往以降低離子交換容量為代價(jià)，同時(shí)改性層的存在還增大了膜厚和膜阻。馬建[20]提出，在RED電堆中使用納米級(jí)超薄氮化硅納米孔膜，當(dāng)孔膜孔徑為70 nm時(shí)，Pd可達(dá)35.35 W/m2。聞利平[21]提出了一種電導(dǎo)率高的過(guò)渡金屬碳/氮化物膜，其供離子通過(guò)的層間距可控（0.1～0.5 nm）。從提高Pd的角度考量，與RED電堆匹配的單價(jià)IEM電阻是關(guān)鍵因素，其次才是單多價(jià)離子選擇性[7]。因此，想要從制膜角度優(yōu)化RED電堆性能，首先需要優(yōu)選電導(dǎo)率高的制膜材料，平衡IEM的離子選擇性與膜電阻，保持適中的離子交換容量，并盡可能減小膜厚。此外，IEM還應(yīng)具備良好的機(jī)械穩(wěn)定性以及性能穩(wěn)定性。

2.2 電場(chǎng)定向離子交換膜

電場(chǎng)定向膜可通過(guò)施加并調(diào)控電場(chǎng)使得膜內(nèi)的功能基團(tuán)沿著電場(chǎng)定向排列，形成電場(chǎng)誘導(dǎo)離子通道，從而增加電導(dǎo)率[22]。Lee J Y[23]對(duì)磺化聚苯醚鑄膜液施加電場(chǎng)，使其沿電場(chǎng)方向極化并在垂直于膜厚度方向上形成離子傳導(dǎo)區(qū)域，實(shí)測(cè)RED電堆Pd可達(dá)1.34 W/m2，高于對(duì)照組（1.07 W/m2）。小野恭史[6]通過(guò)電解氧化聚合法制備出了定向性佳、厚度小且均勻的導(dǎo)電型高分子膜。若將電場(chǎng)改性與單價(jià)選擇性膜表面改性方法相結(jié)合，制備出兼具低膜電阻與高離子選擇性的IEM，則可顯著改善RED系統(tǒng)的性能價(jià)值。

此外，有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膜方法是在聚合物基質(zhì)中添加經(jīng)化學(xué)改性后具有高導(dǎo)電能力的無(wú)機(jī)填料（包括磺化氧化鐵、磺化二氧化硅和多壁碳納米管）。王丹勇[24]通過(guò)施加高壓電場(chǎng)，使碳納米管以與樹(shù)脂膜平行的方式有序排列在基體內(nèi)部，由此改善了膜的導(dǎo)熱、導(dǎo)電與力學(xué)性能。高冠道[25]在碳納米管-聚合物分散液上施加電場(chǎng)，制備出了高通量、耐污染的復(fù)合濾膜。向聚合物中添加無(wú)機(jī)填料可增加膜基質(zhì)的帶電官能團(tuán)，強(qiáng)化離子傳輸能力與選擇性，但過(guò)量添加會(huì)引發(fā)無(wú)機(jī)填料團(tuán)聚，降低膜性能。因此，有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膜方法的關(guān)鍵在于無(wú)機(jī)填料在有機(jī)聚合物中的均勻分散度和定向序列性。

2.3 異形離子交換膜與隔墊層

濃、稀溶液流道中的隔墊層起到支撐IEM、導(dǎo)流及密封等作用。隔墊層中與溶液直接接觸的部分呈絲網(wǎng)狀，通常由電阻較大的絕緣材料編織而成。這些編織物無(wú)法傳導(dǎo)離子，導(dǎo)致被其遮蔽的IEMs所對(duì)應(yīng)區(qū)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)離子的有效遷移，造成該區(qū)域的“失效”，這種現(xiàn)象被稱為隔墊層的陰影效應(yīng)。陰影效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致30%～40%的可用能量損失[26]。路微[27]發(fā)現(xiàn)，在織網(wǎng)上涂敷形態(tài)為互相連接的離子簇且?guī)в须姾苫鶊F(tuán)的聚合涂層，可制備出整個(gè)表面可以連續(xù)運(yùn)輸離子的隔墊層。當(dāng)前針對(duì)隔墊層的改進(jìn)，主要在增強(qiáng)密封性和布液均勻性、降低阻力、增大流通量等方向展開(kāi)[28]。

除了研究新型隔墊層，減少絕緣隔墊層的陰影效應(yīng)的另一思路是通過(guò)使用異形膜來(lái)減掉隔墊層。異形膜表面的凹凸微結(jié)構(gòu)使異形膜兼具了隔墊層的導(dǎo)流與支撐功能。2011年，Vermaas D A[29]首次提出將異形膜用于開(kāi)式RED裝置中，以降低內(nèi)阻、提高功率密度。瓦爾克[30]發(fā)明了一種表面有多條平行溶液流道的IEM，流道內(nèi)液體以層流流動(dòng)，基于該發(fā)明的RED電堆無(wú)需隔墊層，在簡(jiǎn)化系統(tǒng)的同時(shí)，具有較高發(fā)電能力。

3 RED技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展

3.1 發(fā)電領(lǐng)域

目前，開(kāi)式RED法“鹽差能→電能”轉(zhuǎn)換技術(shù)（圖1）是RED領(lǐng)域發(fā)展到最為貼近實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)?！伴_(kāi)式”的涵義為濃、稀兩股工作溶液流出RED電堆后會(huì)被排放掉，典型的工作溶液是海水與河水。為解決RED電堆功率過(guò)低的問(wèn)題，荷蘭學(xué)者們提出了多種方案，包括使用特殊襯墊、制作異型膜、優(yōu)化溶液流道、減少膜間隙及膜阻、考慮多價(jià)離子影響和膜結(jié)污等[30]。胡以懷[31]提出了一種橫向進(jìn)水疊加式鹽差能發(fā)電裝置。聞利平[32]提出了一種基于非對(duì)稱IEM的封閉式RED發(fā)電方法。楊捷[33]將預(yù)處理后的海水、淡水作為濃、稀溶液泵入RED電堆進(jìn)行產(chǎn)電。李美[34]通過(guò)施加電場(chǎng)（電力來(lái)源于清潔能源發(fā)電）來(lái)加快RED電堆的離子遷移效率，加大發(fā)電效率。何建軍[35]通過(guò)加熱不同濃度的電解質(zhì)溶液的方法來(lái)加快離子質(zhì)傳遞。彭愛(ài)華[36]在海水池、淡水池底部鋪設(shè)黑色涂層以吸收透過(guò)池體頂部斜置玻璃板的陽(yáng)光，由此加快工作溶液的蒸發(fā)。童成雙[37]選用溶解度隨溫度變化率大的磷酸氫二鈉作為工作溶液，利用溫差來(lái)控制濃、稀溶液的濃度，進(jìn)而增加發(fā)電效率。

目前，閉式RED法“熱能→鹽差能→電能”轉(zhuǎn)換技術(shù)（圖4）是RED領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一?！伴]式”的涵義為工作溶液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)工作。如果將RED電堆中排出的“廢液”回收并導(dǎo)入由熱能驅(qū)動(dòng)的溶液再生系統(tǒng)中，借助溶液濃度再生技術(shù)便可將工作溶液恢復(fù)到初始濃度，于是再進(jìn)行下一循環(huán)的鹽差能→電能轉(zhuǎn)換，據(jù)此實(shí)現(xiàn)能量傳遞的機(jī)制為“熱能→鹽差能→電能”的閉式RED法熱-電轉(zhuǎn)換[1]。閉式RED系統(tǒng)不必安置于江河入?？?，人工配置的溶液能量密度可調(diào)、無(wú)需前/后處理，還可通過(guò)儲(chǔ)液罐具備儲(chǔ)能與變負(fù)荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)等功能。工作溶液是影響閉式RED電堆系統(tǒng)能效水平、流程結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素?；谌芤簾岱纸庠恚e州州立大學(xué)的Logan B提出將NH4HCO3溶液熱再生技術(shù)與RED技術(shù)相結(jié)合，用于微生物燃料電池系統(tǒng)，后由清華大學(xué)的黃霞將該方法引入閉式RED熱-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[38]。尚需解決的是NH4HCO3分解后的再合成與濃度調(diào)控、NH3有毒易燃、NH3和CO2氣泡在系統(tǒng)內(nèi)累積造成性能損耗等問(wèn)題?；谌芤簾岱蛛x原理，依托低溫多效蒸餾法[1]和氣隙擴(kuò)散蒸餾法[39]，吳曦從溶液熱力學(xué)性質(zhì)、電化學(xué)性質(zhì)、安全性等角度綜合考量，兼顧環(huán)保性、穩(wěn)定性及易獲得性，提出了RED系統(tǒng)的工作溶液匹配準(zhǔn)則，并據(jù)此研發(fā)出多種潛在候選物[40]。

圖4 閉式逆電滲析法熱能發(fā)電裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of closed heat-driven RED power generation system

3.2 制氫領(lǐng)域

在逆電滲析法鹽差能制氫領(lǐng)域，主流方案分為直接RED制氫法和間接RED制氫法?！伴g接法”是將圖1或圖4中的負(fù)載設(shè)置為外掛電解水制氫電解槽[41]。“間接法”的優(yōu)勢(shì)在于流程邏輯簡(jiǎn)單、各部件可調(diào)性好，但在緊湊性、能效、過(guò)電位等方面不如“直接法”。后者的產(chǎn)H2還原反應(yīng)和產(chǎn)O2氧化反應(yīng)直接發(fā)生在RED電堆內(nèi)的電極液室。根據(jù)發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的兩個(gè)電極液室中的電極液是各獨(dú)立循環(huán)[42]還是自循環(huán)[2]，“直接法”又有兩條技術(shù)路線。電極液各獨(dú)立循環(huán)即陰極產(chǎn)氫室的電極液為酸性溶液，陽(yáng)極產(chǎn)氧室的電極液為堿性溶液，此制氫法需大量消耗酸性電極液中的H+，隨著反應(yīng)的進(jìn)行必須補(bǔ)充電極液，其適合于有廢酸需要處理的場(chǎng)合。在電極液自循環(huán)方法中，電極液在產(chǎn)氫室與產(chǎn)氧室之間循環(huán)流動(dòng)，本質(zhì)是消耗水產(chǎn)生H2和O2。利用多級(jí)RED電堆串聯(lián)法，在自循環(huán)堿性電極液條件下，實(shí)測(cè)鹽差能-氫能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)4.6%[43]。

吳曦提出的一種低品位熱能驅(qū)動(dòng)的電極液自循環(huán)式制氫裝置如圖5所示[2]。

圖5 低品位熱能驅(qū)動(dòng)的電極液自循環(huán)式制氫裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of low grade heat-driven electrode solution self-circulating hydrogen production system

該制氫裝置的工作原理是：先利用發(fā)生器將熱能轉(zhuǎn)換為濃、稀溶液間的鹽差梯度，再基于RED原理通過(guò)溶液混合及離子跨膜遷移，形成RED電堆內(nèi)離子流和兩端電勢(shì)差，最后通過(guò)RED電堆兩端電極-電極液的相界面處分別發(fā)生的氧化和還原反應(yīng)，制得H2和O2。如果循環(huán)酸性電極液，以4e-+4H+→2H2↑制氫；如果循環(huán)堿性電極液，以4e-+4H2O→4OH-+2H2↑制氫。廢液被收集并導(dǎo)回發(fā)生器，受熱能驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)濃度再生。在反應(yīng)過(guò)程中，穩(wěn)定運(yùn)行后偶爾補(bǔ)給去離子水便可長(zhǎng)時(shí)間制取“綠氫”。基于最新的逆電滲析與氣隙擴(kuò)散蒸餾耦合技術(shù)，可將低至90℃的低品位熱能以最高0.8%的效率轉(zhuǎn)換為氫。面對(duì)產(chǎn)氫過(guò)程中的電極過(guò)電位問(wèn)題，彭文朝[44]提出利用RED電堆向光電化學(xué)電解池制氫裝置提供電能，從而實(shí)現(xiàn)從鹽差能和光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。

3.3 有機(jī)污水處理領(lǐng)域

利用RED反應(yīng)器將工作溶液的鹽差能轉(zhuǎn)換為有機(jī)物氧化降解所需能量，依靠電極的氧化還原特性可實(shí)現(xiàn)陰、陽(yáng)電極同時(shí)對(duì)有機(jī)物降解，常見(jiàn)的降解機(jī)理為陽(yáng)極活性氯間接電化學(xué)氧化法和陰極電芬頓氧化法。針對(duì)常見(jiàn)高級(jí)氧化降解法需要消耗大量電能或化學(xué)試劑，從而導(dǎo)致處理費(fèi)用高的弊端，徐士鳴提出了“廢熱治廢水”方法[3]，原理是首先利用低溫多效蒸餾法或氣隙擴(kuò)散蒸餾法將低品位熱能（≥45℃）轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)RED反應(yīng)器的工作溶液鹽差能，然后利用RED反應(yīng)器將鹽差能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物降解能/電能。馬鵬飛[45]利用上述RED反應(yīng)器陰、陽(yáng)電極降解機(jī)理探索了無(wú)外加電場(chǎng)的污水降解方案。

有學(xué)者將RED系統(tǒng)與其他系統(tǒng)耦合來(lái)降解污水，如微生物逆電滲析電池，該耦合系統(tǒng)主要由高效催化化學(xué)陰極、陰陽(yáng)離子交換膜重復(fù)單元和生物陽(yáng)極構(gòu)成，兼具產(chǎn)電、降解污水中有機(jī)物以及降低陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)電位能力。劉佳[5]將該技術(shù)與電催化原位還原技術(shù)相耦合，在不依靠外電源情況下，利用不同濃度工作溶液間的鹽差能以及生活污水中的化學(xué)能為陰極CO2還原為甲酸提供電壓，實(shí)現(xiàn)CO2固定轉(zhuǎn)化。為提高現(xiàn)有微生物燃料電池（MFC）的發(fā)電能力和廢水COD去除率，徐璇提出了一種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析污水處理并發(fā)電方法[46]，該方法的RED模塊和微生物燃料電池模塊的陽(yáng)極室是通過(guò)厭氧氨氧化室隔開(kāi)以避免氨氮離子抑制產(chǎn)電微生物，由此增加了有機(jī)物去除率。王穎[47]將RED反應(yīng)器與光催化反應(yīng)器耦合以處理污水，所產(chǎn)電能為光催化電極提供偏壓，以促進(jìn)電子空穴對(duì)的有效分離，提高光催化降解效率和產(chǎn)電率。

3.4 海水淡化領(lǐng)域

在RED發(fā)電方法與海水淡化系統(tǒng)耦合領(lǐng)域，目前報(bào)道最多的是RED-RO（Retarded Osmosis）耦合方法和RED-ED耦合方法。RED-ED耦合系統(tǒng)的工作原理是：首先將海水預(yù)處理后通入裝置脫鹽得到淡水，而后以排出的濃縮鹵水作為濃工作溶液，以經(jīng)過(guò)預(yù)處理的自然海水或河水作為稀工作溶液，將濃、稀兩股工作溶液分別輸送到RED裝置的濃、稀流道，經(jīng)逆電滲析過(guò)程產(chǎn)生電能，為整套系統(tǒng)補(bǔ)充供電。Tristán C[48]以20個(gè)大中型RO法海水淡化工廠的技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，研究發(fā)現(xiàn)，加入RED裝置可為海水淡化過(guò)程提供約40%的電能消耗。高學(xué)理[49]提出將太陽(yáng)能、風(fēng)能與RED耦合進(jìn)行發(fā)電，通過(guò)PV-ED-RED組合工藝可實(shí)現(xiàn)全天候可再生能源供電式海水淡化與濃鹵水零排放。趙欣[50]將微生物燃料電池、ED和RED 3個(gè)子系統(tǒng)耦合，提出了一種海水淡化、污水處理、發(fā)電集成一體式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在不施加電場(chǎng)及外加壓力的條件下進(jìn)行海水淡化。

4 討論與展望

①逆電滲析技術(shù)以RED電堆為核心，關(guān)鍵部件是氧化還原電極對(duì)、IEM及其支撐機(jī)構(gòu)。RED電堆用膜應(yīng)具有高電導(dǎo)率、低膜阻、高單多價(jià)離子和陰陽(yáng)離子選擇性、離子交換容量適宜、良好的機(jī)械與化學(xué)穩(wěn)定性、耐污抗菌、在保證膜強(qiáng)度基礎(chǔ)上盡可能薄等特點(diǎn)。在IEM實(shí)際研發(fā)中，通常需要根據(jù)實(shí)際情況權(quán)衡考慮上述因素。在改善IEMs特性（低膜阻，高離子選擇性）的基礎(chǔ)研究方面，已提出了將IEM及其支撐機(jī)構(gòu)融合為一的方案、縮小膜孔徑達(dá)到微米級(jí)甚至納米級(jí)的方案、施加電場(chǎng)進(jìn)行IEM改性的方案等。氧化還原電極對(duì)的發(fā)展方向是提升比表面積并探尋更優(yōu)的材料。

②RED電堆的直接驅(qū)動(dòng)力是濃、稀工作溶液間的鹽差梯度。自然鹽差能主要來(lái)自海水與河水，只能用于開(kāi)式RED系統(tǒng)；閉式RED系統(tǒng)使用人工配置的工作溶液，鹽差梯度動(dòng)態(tài)可調(diào)且無(wú)需預(yù)處理。優(yōu)先納入考慮范疇的溶質(zhì)是由分子量不大的一價(jià)堿金屬陽(yáng)離子、銨根和一價(jià)鹵族陰離子或弱酸根所組成；溶劑優(yōu)選水或水與低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑的混合物；為平衡和優(yōu)化溶液體系以降低溶液再生能耗，有時(shí)需加入少量調(diào)節(jié)劑。溶液再生所需熱能來(lái)源廣泛，包括太陽(yáng)能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱等。RED電堆的間接驅(qū)動(dòng)力還可來(lái)自可再生能源發(fā)電。得益于RED技術(shù)較強(qiáng)的兼容性，能夠與其他技術(shù)順暢耦合，例如RED-ED，RED-RO，RED-MFC，PV-ED-RED等，由此實(shí)現(xiàn)各技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、強(qiáng)化系統(tǒng)輸出性能、提高能源轉(zhuǎn)換利用效率。

③“電”是RED電堆的基本產(chǎn)出，與之相關(guān)的研究較多。近年來(lái)，基于RED技術(shù)的陽(yáng)極氧化特性，研究人員致力于探索其對(duì)有機(jī)物的氧化降解能力、氧氣制備能力等；而基于其陰極還原特性，可用于制備清潔燃料（H2，CH4等）、還原重金屬離子及溫室氣體等?？梢哉f(shuō)，RED是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。