滲透壓發電：濃縮海水和污水處理水蘊藏巨大可能

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【日經BP社報導】2011年8月9日，東京工業大學、協和機電工業公司和長崎大學宣佈，成功利用濃縮海水和污水處理水實現了滲透壓發電。這項技術將爭取在3年後實現商用化。

東京工業大學教授谷岡明彥

使用透水但不透鹽分的「半透膜」隔開淡水和鹽水後，高濃度的鹽水將向淡水一側滲透。滲透壓是指此時產生的水壓。滲透壓發電就是利用這種水壓產生水流，通過帶動渦輪轉動進行發電的方式。

如今，對再生能源的關注提高，滲透壓發電作為再生能源之一，也蘊藏著巨大的可能性。

「如果全日本海水與淡水混合的地方都安裝上這種發電裝置，將能夠產生500萬～600萬千瓦的電能，相當於5、6座核反應爐的發電量。」

這是東京工業大學教授谷岡明彥作出的推算。

目前，谷岡教授等人正在與水處理設備企業協和機電工業、長崎大學合作開展「滲透壓發電」項目。


使用「濃縮海水」與「污水處理水」進行實驗

使用透水但不透鹽分的「半透膜」隔開淡水和鹽水後，高濃度的鹽水會向淡水一側滲透。此時產生的水壓叫做「滲透壓」。

而利用這種水壓形成水流，通過帶動渦輪旋轉進行發電的方式就是滲透壓發電。

谷岡教授等人2011年8月9日宣佈，成功利用「濃縮海水」和「污水處理水」完成了滲透壓發電。這項技術將爭取在3年後實現商用化。

谷岡教授等人著手的這個項目是日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）開展的創新推進事業的扶持事業之一，現在已經由日本內閣府推進的「最尖端研究開發支援計劃（FIRST計劃）」接手。

谷岡教授著手研究滲透壓發電的契機要追溯到大約10年前。當時，福岡市某大型海水淡化設施曾經為有效利用每天大量排放的濃縮海水徵集辦法。


最大滲透壓約為60個大氣壓

海水淡化時產生的濃縮海水的鹽濃度大約是普通海水2倍。直接將之排入海中會對生態系統造成破壞。因此，現在是將之與污水處理設施處理污水產生的淡水混合，使其濃度與海水達到一致後排入大海。與有效利用濃縮海水相比，谷岡教授更為關注的是「混合」。

谷岡教授說：「單是把濃縮海水與淡水混合在一起實在可惜。我想利用半透膜把二者隔開，使之產生滲透壓，這樣一來就能夠獲得電能。」

其實，最先提出滲透壓發電的是以色列人，時間是在1976年。在1980年代，日本也出現了滲透壓發電研究者。發電雖然獲得了成功，但未能投入實用。

一直對滲透壓發電興趣濃厚的谷岡教授在聽到徵集辦法的消息後，產生了在福岡市的大型海水淡化設施中實現滲透壓發電的想法。

濃縮海水與淡水之間的最大滲透壓約為60個大氣壓。只需其中的一半，也就是30個大氣壓，就能夠得到與落差為300米水電站相當的發電能力。但在當時，相關人士認為得不到與研究開發相符的成果。

谷岡教授說：「2005年，我將滲透壓發電相關的研究內容匯總成論文進行了發表。但沒有引起人們太大的興趣。在這種情況下，NEDO表示了強烈關注，並且提供了扶助，這樣我們才得以建成了實證設備。而且，以福島縣的核電站事故為契機，很多人都開始關注滲透壓發電。」


利用濃縮海水的壓力反覆嘗試

雖說如此，單純利用半透膜隔開濃縮海水和淡水並不能使滲透壓保持恒定。因為隨著淡水流入濃縮海水的水槽，濃縮海水的鹽濃度將隨之降低，導致滲透壓降低。

要保持滲透壓恒定，就需要像水電站不斷通水一樣，持續供應濃縮海水和淡水。而此時的重點是應該以多大的壓力供應濃縮海水。

按照谷岡教授的計算，隨著濃縮海水一側壓力的增大，發電量將持續增加，剛好在30個大氣壓時達到最大發電量。研究表明，如果繼續提高壓力，發電量將轉為減少，當濃縮海水的壓力達到60個大氣壓後，發電量將歸零。因為濃縮海水的壓力一旦高於滲透壓，流入濃縮海水水槽中的淡水量就會受到抑制，帶動渦輪的水量就會減少。

這意味著，如果能夠以30個大氣壓持續供應濃縮海水，就能實現發電量的最大化。

滲透壓發電系統的原理

於是，谷岡教授在NEDO的扶助下，通過與協和機電工業、長崎大學合作，于2009年在福岡市的大型海水淡化設施中建成了滲透壓發電驗證設備，于2010年7月開始進行實證試驗。並且在2011年8月確認可以發電。

谷岡教授等人構建的滲透壓發電系統使用海水淡化設施每天排放的3萬噸濃縮海水中的500噸，和500噸污水處理水。

谷岡教授介紹說：「現在，日本的大型海水淡化設施只有位於福岡市和沖繩縣的兩座，一天的總海水處理量為3萬～4萬噸。如果把滲透壓發電系統投入商用，只要1天有2萬噸以上的濃縮海水，就能實現盈利。」

而且，這種滲透壓發電系統並不是只能夠利用濃縮海水與淡水發電。使用濃縮海水和海水、海水和淡水同樣可以發電，但發電量將會減半。總而言之，只要能夠產生滲透壓，無論在哪都可以發電。

就這一點而言，四面環海，全國各地都有海水與淡水混合之處的日本具備適宜滲透壓發電的條件。

順便一提，濃縮海水與海水、海水與淡水之間的滲透壓均為30個大氣壓，因此，只需以一半的15個大氣壓供應濃縮海水和海水即可。

按照谷岡教授推算的結果，「其供電量相當於5、6座核反應爐」。


日本在半透膜開發領域佔優勢

而且，滲透壓發電完全沒有火力發電和核電需要的燃燒程序，便於在大城市附近建設，二氧化碳排放量也比較少。也不像光伏發電和風力發電那樣容易受到天氣的影響。

按照谷岡教授的估算，使用濃縮海水和淡水的發電成本為1千瓦時14日元，使用海水和淡水為1千瓦時18日元左右。谷岡教授說：「這一金額比光伏發電還要低大約40日元，與風力發電相當。」

其實，海外如今也已經展開了滲透壓發電系統的研發。其中，對北海油田枯竭懷有強烈危機感的挪威更是領先日本一步。該國于2009年啟用了世界第一套滲透壓發電系統。此外，美國、新加坡、南韓、中國最近也已經開始研發。

谷岡教授解釋說：「基本原理都大同小異。其中，日本的優勢還是在半透膜。日本有東麗、東洋紡等在半透膜領域擁有高超技術實力的企業，挪威等國也要特地從日本採購半透膜。」

今後提高發電量的課題還是在於半透膜。

經谷岡教授等人所確認的滲透壓發電系統的發電量為3.7千瓦～5.6千瓦，減去設備用電量的凈發電量僅為1～2千瓦。而谷岡教授計劃使該系統的發電量達到7.7千瓦，要達到這一目的，需要開發滲透壓難以降低，而且更便宜的半透膜。

如今，滲透壓發電系統專用的半透膜還不存在。因此，該項目使用的是東麗和東洋紡開發的「逆滲透膜」。這是為消除全球的缺水和水質污染而開發的半透膜，能夠通過加壓從污濁水中提取淡水。

滲透壓發電時，水從淡水槽向濃縮海水槽一側移動。但逆滲透膜是向污濁水加壓，使水從高濃度的水槽向低濃度的水槽移動。也就是說，水的移動方向相反。因此，使用逆滲透膜進行滲透壓發電的成本偏高。


關鍵在於處理雜質

而且，該發電系統利用的是淡水和污水處理水。因此，污水處理水中含有的微小垃圾、浮游生物、細菌、藻類會附著在半透膜上，導致滲透壓降低。但去除污水處理水的雜質需要耗費電能。這難免成為本末倒置。

為此，谷岡教授為實現商用化，計劃在今後開發即使使用污水處理水等含有若干雜質的淡水，滲透壓也不會降低的半透膜。
谷岡教授表示：「我們將通過從根本上調整半透膜上孔的大小、阻隔鹽分的程度和膜的強度等性質，開發專用於滲透壓發電系統的半透膜，增強國際競爭力。」

而且，還預定開發滲透壓發電系統專用渦輪，取代現在沿用的水力發電渦輪。

谷岡教授說，「隨著再生能源越來越受到關注，我們要加快研發速度，以儘早實現商用化」，並將向大型海水淡化設施多的海外發展業務納入視野。（《日經商務在線》特約撰稿人：山田久美）【日經能源環境網】

http://big5.nikkeibp.com.cn/eco/m/2792-20120517.html?ref=ML&limitstart=0

逆滲透膜大陸技術都唔低.應該發展此技術.