膜還能這麼用？《Nature Energy》報道耶魯「熱滲透」膜過程收集低品位餘熱

在傳統觀念里，多孔膜最主要的用途是分離（例如水凈化或污水處理）。而在能源領域，電池隔膜則用來分隔正負兩極，在防止短路的同時保證離子的傳輸。可是，如果要用聚合物膜來收集「能源」，進行能量轉換，這個想法聽起來似乎腦洞就不小。不過，耶魯大學Menachem Elimelech教授課題組讓這個想法變成了現實，他們使用納米多孔膜，通過「熱滲透（thermo-osmotic）」過程，實現了對低品位熱能（low-grade heat energy）的收集，並將其轉化為其它形式的能量（比如電能），相關成果發表於《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）

納米膜收集低品位熱能發電。圖片來源：Yale University

所謂「低品位熱能」，是指100 ℃以下的熱源所產生的熱量，這類熱能往往較難利用，但卻廣泛產生於許多工業設備與能源設施中。如果能把這些廢熱收集起來加以利用，不僅能夠提高能源的使用效率，也將大大減少化石能源的開採及使用。科學家們一直致力於低品位熱能利用技術的研發，但是大部分技術的卡諾效率低於2%，能源利用率非常低。

Elimelech教授課題組提出了一種可稱為「熱滲透能量轉換」（TOEC）的過程，其基本原理是：在疏水膜的兩側分別通有不同溫度的液體（熱水與冷水），兩側的溫度差會驅動蒸汽由高溫側向低溫側流動。如果在冷水側保持一定的靜水壓力，蒸汽流在另一側冷凝後，會使得冷水側壓力增大，「迫使」液體流動，產生受壓流量（pressurized flow），這部分流量則可用來驅動渦輪機，從而將其轉化為其他能源（比如電能）。

圖片來源：Nature Energy

實際上，這一過程非常類似於傳統的膜蒸餾過程，即在疏水膜兩側分別通過高溫鹽溶液與低溫純水，蒸汽通過膜孔由高溫側流向低溫側，實現蒸餾過程。而此項工作的絕妙之處在於，研究人員利用了「溫度差」（或者說蒸氣壓差）來產生能量。類似的過程在物理學中並不鮮見，比如在另一個實驗中，他們分別在疏水膜的兩側加入純水和鹽水，保持兩側溫度一致，但是在鹽水側被密封起來。由於純水和鹽水的蒸氣壓不同，水分子會以氣態從純水側擴散至鹽水側，結果表明鹽水側的壓力隨時間逐漸升高。

圖片來源：Nature Energy

在此項工作中，研究人員選擇了平均孔徑為20 nm、孔隙率約為77%的聚四氟乙烯多孔膜。當被浸入液體中時，空氣會被截留在這種膜的納米孔中。選擇這種膜的一個重要原因，是為了避免膜孔被浸潤而導致液體的反向流動，降低熱滲透過程的效率。值得一提的是，與膜兩側溫差等價的壓差非常可觀，比如，熱水側溫度為25 ℃，冷水側為20 ℃時，等價壓差約為400 bar。另一方面，能量密度隨著冷水側壓力的升高與兩側溫差的提高而不斷升高。

圖片來源：Nature Energy

根據上述原理，研究人員在體系中加入了一個換熱器，形成了一個封閉的循環系統，如下圖所示。在這個系統中，TB表示渦輪機，它由「熱滲透」過程中所產生的受壓流量驅動。而在整個過程中還存在傳熱過程，導致冷水側的出口溫度升高，熱水側的出口溫度降低。這時換熱器就派上了用場——它可以用來降低冷水側溫度，升高熱水側溫度。這樣一個能量轉換裝置的效率是多少呢？在實驗中，通過調節操作壓力，他們實現了1%-7%的能量效率（對應的卡諾效率為8%-58%），高於其他報道的低品位熱能利用技術。在實驗中實現的最高能量密度為3.53 W/m2（溫差40 ℃）。

圖片來源：Nature Energy

儘管還不盡如人意，但此項工作展示的僅僅是一個原理性的模型，通過優化過程中的各個參數，也許能在未來進一步提高該裝置的能量轉換效率，使之應用於實際的生產生活之中。

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

（本文由YHC供稿）

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