近日，中国农业大学水利与土木工程学院刘志丹教授团队在《科学通报》（Science Bulletin）上发表了题为 Renewable biomass reinvigorates sustainable water-energy nexus 的研究论文。本研究报道了一种通过可再生生物质同步实现盐水分离和清洁发电的可持续策略。该方法为应对废弃生物质处理、离网淡水获取、分布式清洁能源供给、水环境治理和盐碱地改良等挑战提供新的思路。
随着人口增长和气候变化，可持续资源变得越来越紧迫。传统海水淡化技术耗电量大，电力生产又伴随着不小的水足迹，这种相互依赖关系似乎让我们陷入了一个难题。传统的淡水获取技术（如反渗透和蒸馏）需要大量电力，加剧了能源短缺问题。发电厂依赖水资源：发电厂依赖水资源进行冷却，加剧了水资源短缺问题。但是现有的双功能设备（同时生产淡水和电力）性能往往不如单功能设备，且成本高、碳排放大。而太阳能蒸发脱盐技术能够利用太阳能蒸发海水，同时产生淡水。并且，太阳能蒸发过程中产生的能量或海水中的离子浓度差等环境因子的梯度具有可收集清洁电能的巨大潜力。而这种技术的“天花板”在于开发可持续、成本效益高、碳排放低的材料。因此，本文提出了一种基于可再生生物质材料的可持续策略，通过联合实现太阳能蒸发脱盐和清洁电力生产，突破了现有双功能设备的局限性（图1）。
图1 本研究实现同时脱盐和清洁产电技术模式与机制
研究结果表明即使在光照较弱的情况下，本研究中的太阳能脱盐效率也能突破100%的瓶颈。生物质通过简便的水热调理和构型控制，便达到高效蒸发(3.56 kg h-1 m-2)和脱盐(149.1%)，并实现了长周期全天候产电（图2）。本研究中生物质多功能协同作用激发了同步取水、脱盐和产电，并初步进行了工程验证，为全球水-能源-环境的可持续发展提供了支持。
图2 基于水热生物质的取水-脱盐-产电特性
全球视野下的环境影响和经济效益分析表明，该技术在20年内平均温室气体排放量仅为工业反渗透脱盐技术的1/3000，且具有负碳排放潜力。同时， 20年内累计收入中，淡水生产、清洁电力生产和碳排放减少分别占比16.3%、73.1%和10.7%，具有良好的社会经济效益（图3）。基于这项研究，我们有望利用廉价的可再生生物质资源解决全球范围内的水环境和能源挑战。
图3 基于水热生物质的取水-脱盐-产电体系的稳定性和环境经济分析
中国农业大学刘志丹教授团队致力于生物质能、水热技术、生物质-环境-能源等方面的研究。本科毕业生陈鸿绪（现为普林斯顿大学博士生）和徐佳涛为（现为本校硕士生）共同第一作者，刘志丹教授为通讯作者。普林斯顿大学任智勇教授为论文提供了重要支持和指导。本研究得到了国家自然科学基金（U21A20162和52261145701）和中国农业大学2115人才培育发展计划项目的资助和支持。
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转载自“农环视界”
发布：石靓、李云舟
