作为水科技领域的集大成者，位于荷兰的欧洲卓越可持续水处理技术中心(Wetsus)提供了非常好的创新案例和模式。

　　面朝大海，发电产氢

　　谈到荷兰，大家也许都知道它是世界地势最低的国家，相当一部分国土面积都在海平面之下。过去的荷兰饱受海水入侵的折磨，必须想尽办法与海斗争，著名的风车就是借风力排水治涝的杰作。约在100年前，在经历了1916年的一场大水灾后，荷兰人有了一个大胆的想法——他们要建一个超长的堤坝，人为地划出一个淡水湖与海隔离带，著名的Afsluitdijk拦海大坝就这样应运而生。

　　如今，这个拦海大坝上还修建了双向四车道的高速公路，成为了世界上最长的防洪堤坝。据说，像中国长城那样，这座拦海大堤也是可从月球上看到的人类建筑壮举。

　　2014年，在这个坝上建起了一个蓝色建筑，北边的咸水和南边的淡水分别流入这个房子后再排出到北边的瓦登海。在这个过程中，蓝房子里边就能产生电能。

　　我们人类一直有向海求电的探索，例如潮汐发电、波浪发电等，而蓝房子用到的是一种叫盐浓差能(Salinity Gradient)的发电技术。利用海水和河水之间的盐浓度差异就能发电，听起来是不是觉得有点不可思议？如果你还没听过它的话，现在你得留意一下了，它可能是可再生能源的终极形态，因为它不仅产电还能产氢。鉴于市场最近对电和氢的关注，小编蹭一个热度，在本期推送里带大家了解这种蓝色能源。

　　海水淡水混合发电

　　学界认为海水淡水混合发电的概念首先是在70年前提出的——1954年，英国人Richard Pattle博士在《自然》发文：假设有两瓶不同浓度的盐溶液，用一片半透性薄膜将其隔开，水可以通过此膜，但盐离子通不过，这样水自然会从低浓度一侧向高盐一侧流动，水流通过薄膜产生的压力，可用来推动涡轮机发电。但直到20世纪70年代中期，半透膜才开始商业化应用，以色列的Sidney Loeb教授首次将这个理念变成现实。

　　但Loeb教授发明的装置有个特点，就是流经薄膜的速度不是越快越好，因为流速过快会挤压盐水，阻碍大量淡水从膜另一侧的流入。这就是所谓的压力阻尼渗透(Pressure Retarded Osmosis - PRO)。

　　挪威国家电力公司Statkraft被公认为是第一个实现PRO工程应用的团队。2009年，他们在挪威的Tofte落成第一个示范项目，但发电规模很小，只有10kW。起初该公司还想说在2015年实现PRO技术的商业应用，但他们发现示范项目入不敷出——生产的电能无法抵消施工和运维的成本，最终被迫关门停业。

　　反向电渗析技术

　　除了PRO，反向电渗析技术(Reverse Electrodialysis – RED)是一个有应用案例的盐差能技术。它基本原理和电渗析脱盐刚好相反，它由阳极、阴极以及在中间交替排列的阴、阳离子交换膜叠堆而成。这些阴、阳离子交换膜由隔板隔开，形成独立的浓水室和淡水室。盐度差推动离子的内部迁移，形成电流。

　　大家都知道海水含有大量的盐分，而淡水湖的盐分相对少很多。荷兰的Afsluitdijk拦海大坝两侧就是取之不尽的海水和淡水，自然是理想的RED系统建造地点。上文提到的那座蓝房子，就是RED技术的一个示范项目，规模为50kW。它由一家名为REDStack的公司在2013年启动建造，并在2014年开始运行。

　　产业化前的黎明

　　乍眼看去，RED技术是颇具吸引力的可再生能源技术，毕竟原料基本只需水，比太阳能和风能来得稳定。但为什么2014年至今没有新工程呢？其中一个原因是膜成本没法降下来，阻碍了进一步的发展。但这不等于研究停滞不前，相关研发团队其实一直在默默耕耘，并且获得了一些令人兴奋的发展。而在这背后，一直有来自荷兰莱瓦顿的水研究中心Wetsus的持续贡献。

　　蓝色能源(Blue Energy)是Wetsus水研究中心的重要板块。为了帮助RED技术朝产业化迈进，wetsus和多个大学开展一系列的研究。Diego Pintossi就是埃因霍温大学和wetsus联合培养的博士生，他主要的研究内容是对膜模型的优化。

　　“河水和海水的杂质是一个大问题，水中的细菌、泥、盐和有机物逐渐在膜上和膜内积累，降低了电池的输出功率。” Pintossi博士指的是膜技术常常会遇到的结垢问题(fouling)。

　　利用电化学阻抗显微镜(electrochemical impedance spectroscopy)，Pintossi博士能够提前预测结垢发生的时间，这些信息有助于运行人员决定何时清洁及清洁程度。

　　另外他还发现硫酸盐对膜的影响：“像硫酸盐这种带负电的大颗粒，会严重降低膜的导电效果。” Pintossi还开发了两个数学模型来描述膜结垢对发电的影响：“这些模型对于预测大型装置的发电量特别有用，可以帮助降低这些装置的成本。”

　　本科和研究生在意大利修读材料工程和纳米技术的Pintossi当然满足于找到问题原因，解决问题才是他的目标，所以他用两性离子(zwitterions)这种技术开发了两种特别的涂层，提高膜表面的亲水性，以延迟结垢发生。

　　但Pintossi博士也坦称，水、膜和污垢之间的关系非常复杂，随着人工智能技术的普及，研究团队也许能利用Afsluitdijk过去几年积累的数据构建机器学习模型，更好地解释结垢的过程。

　　除了Pintossi，蓝色能源组还有4名左右的博士生围绕REDstack系统进行各种研究和优化。这些研究都将为RED技术的进一步规模化奠定坚实基础。

　　还能产氢？

　　除了对核心技术进行优化，研究团队也积极尝试丰富RED的应用潜力。

　　2016年，Wetsus和REDStack和其他八个单位组成的联合团队成功申请欧盟地平线H2020的资助(1000万欧元)，启动了名为REvivED的项目。顾名思义，就是将电渗析脱盐技术(ED)和反向电渗析技术(RED)相结合，前者可以生产超纯水，后者可以发电，后者的电能可以用来电解纯水制氢。这项技术非常适合用于海水淡化工厂，为反渗透产生的浓盐水找到资源回收的方案。

　　2017年，他们又成功申请了欧盟地平线的资助(398万欧元 )，启动了名为BAoBaB的项目。BAoBaB是Blue Acid/Base Battery(蓝色酸碱电池)的简称，其原理是通过过量的可用电力从盐溶液从分离出酸和碱，以此作为存储电能，在需要用电时，酸碱重新结合成相应的盐溶液，然后在这个增熵过程中获得电能。据称这种技术的能量密度比抽水蓄能高10倍，是一种可靠而环保的电力存储方式。

　　2021年11月，他们和西班牙的Sacyr水务合作，启动名为Life Hyreward的项目。这个项目得到欧盟环境与气候行动计划(LIFE)的220万欧元的资助，为期三年半，目标是进一步完善RED技术在反渗透工艺中的应用，回收20%的反渗透能耗，降低浓盐水的排放浓度。

　　前景展望

　　看到上边这一连串的合作项目介绍，如果你还问这项技术的前景如何，或许是你还不够耐心？

　　如果你了解这个项目的更多细节和最新进展，欢迎报名参加即将举行的《2022中欧环境科技创新论坛》。

　　关于WETSUS

　　Wetsus研究所创立于2003年，是欧洲著名的集成高等院校、环保企业和各国政府优势资源的科研机构，主要从事可持续水环境技术研发，致力于解决全球水环境问题，目前有20项的在研课题。

　　合作与创新是Wetsus发展的基石，Wetsus一方面着眼于能为未来社会创造价值的创意和想法，另一方面也十分重视创新研究的实践与落地。可以说Wetsus的相关成功经验，对国内高校和科研院所的产学研建设有其独特的借鉴价值。