膜还能这么用？《Nature Energy》报道耶鲁“热渗透”膜过程收集低品位余热

在传统观念里，多孔膜最主要的用途是分离（例如水净化或污水处理）。而在能源领域，电池隔膜则用来分隔正负两极，在防止短路的同时保证离子的传输。可是，如果要用聚合物膜来收集“能源”，进行能量转换，这个想法听起来似乎脑洞就不小。不过，耶鲁大学Menachem Elimelech教授课题组让这个想法变成了现实，他们使用纳米多孔膜，通过“热渗透（thermo-osmotic）”过程，实现了对低品位热能（low-grade heat energy）的收集，并将其转化为其它形式的能量（比如电能），相关成果发表于《Nature Energy》上。（Harvesting low-grade heat energy using thermo-osmotic vapour transport through nanoporous membranes. Nature Energy, 2016, 1, 16090, DOI: 10.1038/nenergy.2016.90）

纳米膜收集低品位热能发电。图片来源：Yale University

所谓“低品位热能”，是指100 ℃以下的热源所产生的热量，这类热能往往较难利用，但却广泛产生于许多工业设备与能源设施中。如果能把这些废热收集起来加以利用，不仅能够提高能源的使用效率，也将大大减少化石能源的开采及使用。科学家们一直致力于低品位热能利用技术的研发，但是大部分技术的卡诺效率低于2%，能源利用率非常低。

Elimelech教授课题组提出了一种可称为“热渗透能量转换”（TOEC）的过程，其基本原理是：在疏水膜的两侧分别通有不同温度的液体（热水与冷水），两侧的温度差会驱动蒸汽由高温侧向低温侧流动。如果在冷水侧保持一定的静水压力，蒸汽流在另一侧冷凝后，会使得冷水侧压力增大，“迫使”液体流动，产生受压流量（pressurized flow），这部分流量则可用来驱动涡轮机，从而将其转化为其他能源（比如电能）。

图片来源：Nature Energy

实际上，这一过程非常类似于传统的膜蒸馏过程，即在疏水膜两侧分别通过高温盐溶液与低温纯水，蒸汽通过膜孔由高温侧流向低温侧，实现蒸馏过程。而此项工作的绝妙之处在于，研究人员利用了“温度差”（或者说蒸气压差）来产生能量。类似的过程在物理学中并不鲜见，比如在另一个实验中，他们分别在疏水膜的两侧加入纯水和盐水，保持两侧温度一致，但是在盐水侧被密封起来。由于纯水和盐水的蒸气压不同，水分子会以气态从纯水侧扩散至盐水侧，结果表明盐水侧的压力随时间逐渐升高。

图片来源：Nature Energy

在此项工作中，研究人员选择了平均孔径为20 nm、孔隙率约为77%的聚四氟乙烯多孔膜。当被浸入液体中时，空气会被截留在这种膜的纳米孔中。选择这种膜的一个重要原因，是为了避免膜孔被浸润而导致液体的反向流动，降低热渗透过程的效率。值得一提的是，与膜两侧温差等价的压差非常可观，比如，热水侧温度为25 ℃，冷水侧为20 ℃时，等价压差约为400 bar。另一方面，能量密度随着冷水侧压力的升高与两侧温差的提高而不断升高。

图片来源：Nature Energy

根据上述原理，研究人员在体系中加入了一个换热器，形成了一个封闭的循环系统，如下图所示。在这个系统中，TB表示涡轮机，它由“热渗透”过程中所产生的受压流量驱动。而在整个过程中还存在传热过程，导致冷水侧的出口温度升高，热水侧的出口温度降低。这时换热器就派上了用场——它可以用来降低冷水侧温度，升高热水侧温度。这样一个能量转换装置的效率是多少呢？在实验中，通过调节操作压力，他们实现了1%-7%的能量效率（对应的卡诺效率为8%-58%），高于其他报道的低品位热能利用技术。在实验中实现的最高能量密度为3.53 W/m²（温差40 ℃）。

图片来源：Nature Energy

尽管还不尽如人意，但此项工作展示的仅仅是一个原理性的模型，通过优化过程中的各个参数，也许能在未来进一步提高该装置的能量转换效率，使之应用于实际的生产生活之中。

http://www.nature.com/articles/nenergy201690

（本文由YHC供稿）

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