反向电渗析（RED）盐差能发电

反向电渗析（reverse electrodialysis，RED）利用高盐度水与低盐度水之间的化学势差发电。它以成对交替排列的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成膜堆，让两股水流在相邻流道中通过；离子沿各自可透过的膜迁移，多个膜对产生的电位逐层叠加，最后由堆两端的电极把离子电流转为外电路中的电子电流。RED直接从离子选择性迁移取得电能，不依赖水流推动涡轮。

RED膜堆通常由阳离子交换膜（CEM）和阴离子交换膜（AEM）交替排列。膜片之间的垫网或隔板形成薄流道，分别输送高盐度和低盐度进水。盐差使离子从高盐侧向低盐侧迁移：CEM主要允许阳离子通过，AEM主要允许阴离子通过。由于两类离子的迁移方向和膜片次序交替，沿膜堆形成可利用的电位差；外接负载后，离子流经电极反应闭合回路并输出电流。

膜对数量、有效膜面积和流量会影响膜堆输出，流道压降则关系到泵功。阿夫斯勒堤克试验将32对与64对两级膜堆串联，首级较高流速和污堵造成的压降上升都增加了泵功。设计目标因此不是单独最大化膜堆的毛发电量，而是在指定盐度、流量和膜面积下评估净电力。

多级配置把一组膜堆的出水继续送入下一组，继续利用尚未耗尽的盐差。阿夫斯勒堤克的自然水试验把两套横流膜堆串联：第一阶段使用32个膜对，第二阶段使用64个膜对。两级膜面积与停留时间不同，体现的是一种研究配置，不能据此推出其他场址的最优级数或通用尺寸。

膜堆末端的电极室需要电极液，氧化还原反应在离子侧与外部电路之间完成电荷转换。可逆氧化还原体系有望减少不可逆化学消耗；若电极端发生水电解等不可逆反应，过电位和气体生成会吃掉部分可用能量。隔离膜并非绝对阻隔离子，氯离子进入电极液也会增加运行与维护要求。电极电位、冲洗液组成和膜堆电压控制必须和膜片性能一起评估。

一项电极控制研究概述了RED中电极反应可能带来的能量损失与化学副产物，并在实验室电容型装置和配制盐水中测试电压控制。其定量结果对应那套实验构型，不是天然河水或海水RED现场堆的净功率，不能外推为工程输出。阿夫斯勒堤克试验也发现，含铁氰化物的电极冲洗液在天然水条件下会因钙、镁离子与阴极生成的氢氧根作用而结垢；研究随后改用一次通过的海水作为电极冲洗液，并每六小时调换进水侧以改变极性、降低阴极结垢。

2022年发表的一项放大多级RED试验在荷兰阿夫斯勒堤克的研究设施连续运行约一个月，使用伊瑟尔湖淡水与瓦登海海水。两套横流膜堆串联，单片有效面积约0.22米乘0.22米，分别含32和64个膜对，总活性膜面积约9.3平方米。运行水温约18至21摄氏度；每股河水与海水的流量约39.3升每小时，试验使用研究设施的滚筒与砂滤，并在泵前加装标称孔径为50/5微米的滤芯。

试验报告的两级总毛功率密度约为0.35瓦每平方米，连续期大体保持在0.3至0.4瓦每平方米；按初始膜堆压降估算时，净功率密度约为0.25瓦每平方米，毛能量效率最高约37%。这些数值属于特定膜堆面积、进水组成、流量、温度和测试时段。论文同时指出，天然水含有钙、镁和硫酸根等多价离子，水温也低于实验室基准盐水条件，都会影响毛输出；在第一阶段观察到钙离子和硫酸根的逆向迁移，而第二阶段没有出现相同现象。

评价RED时需要分清毛功率与净功率。毛功率来自膜堆输出；净功率还要扣除把两股水压送过膜堆所需的泵功。阿夫斯勒堤克试验计算净值时扣除了膜堆压降对应的泵功，初始压降情形约为0.25瓦每平方米。随着压降升高，实际净值降至约0.1瓦每平方米。第一阶段流速较高且处于上游，压降和泵功增加更明显，部分时段泵功密度甚至高于毛功率密度。

因此，约0.1瓦每平方米是该试验实际压降条件下、按论文定义计算的堆级净功率密度，不表示已扣除取水、回水、全流程过滤、控制系统或其他厂用电后的电站净输出。该试验确实使用了多级过滤，但并未把全部前处理设备的耗电纳入上述堆级净值。不同研究若对泵功、过滤、预处理和辅助系统采用不同边界，数字不能直接横向比较。

现场运行中，毛电输出相对稳定并不代表水力性能稳定。研究人员在滤芯后仍发现比5微米标称孔径更大的微生物结构；膜片和隔网表面的生物污垢占据流道开口，令压降上升、泵功增加。带负电的天然有机物也可能附着在带正电的阴离子交换膜上。试验后段采用倒转进出水、短时加倍流量和压缩空气脉冲清洗，部分颗粒可被带出，但对已附着或生长形成的污层，清洗恢复有限。

结垢还会出现在电极室。含钙、镁水中的离子穿过膜片后，可能与阴极反应产生的氢氧根形成沉淀；研究通过切换水路和更换电极冲洗液来减轻这一问题，但仍需在实际场址评估维护频率、清洗耗能和停机影响。更低压降的流道设计、合适的预处理以及针对具体污垢类型制定的清洗策略，都是提升持续净输出的组成部分。

河口或海岸场址能否支撑RED，取决于可持续取得的盐度差和流量，也取决于进水口、排水口是否让排出的半咸水回流到取水位置。Deltares与代尔夫特理工大学的IJmuiden研究用场址水动力与膜模块模型讨论盐差能潜力，并指出自然混合、回流和预过滤能耗会影响可利用的能量。该研究说明其膜模块分析集中于压力延迟渗透（PRO），不是RED实测或RED模块输出；报告中的5至7兆瓦属于IJmuiden特定条件下的模型估算，不能当作已建成电站的发电量，也不能转写为RED通用功率。

这类场址研究对RED的直接启示在于，模块指标必须与潮汐、盐度分层、取排水布局和预处理要求结合核算。要从膜堆毛功率推到工程净电力，还需给出现场季节变化、进水水质、泵送与过滤功耗、维护停机及电极系统等数据。上述自然水试验展示了RED在真实水源下工作的条件与代价，但其一个月左右的研究堆运行并不能证明长期商业运行已经成立。

• Simões C、Vital B、Sleutels T、Saakes M、Brilman W. “Scaled-up multistage reverse electrodialysis pilot study with natural waters.” Chemical Engineering Journal, 450 (2022), 138412. https://ris.utwente.nl/ws/portalfiles/portal/294433493/1_s2.0_S1385894722038955_main.pdf
• Oh Y、Han J.-H.、Kim H.、Jeong N.、Vermaas D. A.、Park J.-S.、Chae S. “Active Control of Irreversible Faradic Reactions to Enhance the Performance of Reverse Electrodialysis for Energy Production from Salinity Gradients.” Environmental Science & Technology, 55(16) (2021), 11388–11396. 代尔夫特理工大学接受稿。 https://repository.tudelft.nl/file/File_38308601-57ae-434f-8502-ed8847ba253a
• Swinkels C.、van der Zwan S.、Bijlsma A.、Pothof I. “Technical Feasibility of Energy Conversion from Salinity Gradients Along the Dutch Coast; a Case Study at IJmuiden.” Deltares 与代尔夫特理工大学技术研究报告；可读PDF未标示出版年份。 https://repository.tudelft.nl/file/File_d2c40710-9ff8-475d-b0fa-629c223bab2a