基于可再生能源的膜脱盐技术进展

杨泽琨，陈青柏，王建友，徐 勇，高 阳

（1.南开大学环境科学与工程学院，天津 300350；2.天津市跨介质复合污染环境治理技术重点实验室，天津 300350）

淡水是人类生产和生活不可或缺的重要自然资源〔1〕。水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的关键瓶颈之一〔2〕。在此情况下，非常规水资源的开发利用已成为缓解用水危机的重要途径。开发高效、低能耗的新型脱盐技术对缓解淡水资源短缺、保障用水安全至关重要〔3〕。

现有的脱盐技术主要分为热法和膜法两类（图1）。热法主要包括多级闪蒸（MSF）、多效蒸发（MED）和冷冻等〔4〕，热法脱盐具有很高的分离效率，在海水淡化过程中可以达到99.9%以上的脱盐率，但由于能耗较高、设备投资巨大等显著缺点，市场份额正在逐渐缩小〔5-6〕。膜法主要包括以反渗透（RO）为代表的压力驱动膜过程和以电渗析（ED）为代表的电驱动膜过程，其脱盐率同样可以达到99%以上，且拥有更强的产水能力，运行能耗仅为热法脱盐的5%左右〔6-7〕。特别是RO 脱盐技术，已在海水淡化等主要领域实现了大规模应用，逐步替代了热法〔8〕。由于技术的不断改进，其实际过程能耗不断降低，但仍比理论最低能耗高25%左右〔9〕。因此，在能源成本急剧上升的背景下，寻求清洁廉价的可再生能源供给方式，并将其与膜过程进行有机结合，是未来膜法脱盐技术发展的重要方向。

图1 主流脱盐技术及其分类Fig. 1 Premier desalination technology and its classification

笔者对与可再生能源系统相耦合的膜脱盐过程的原理和应用现状进行了简要阐述；总结了基于太阳能、风能等各类型可再生能源的膜脱盐技术及其运行效果，指出目前基于可再生能源的膜脱盐技术还存在不足之处，继而提出了可行的解决方案和未来主要的研究方向，以期为相关领域的研究与应用提供参考。

1 膜法脱盐技术

1.1 压力驱动膜脱盐技术

压力驱动膜脱盐技术主要包含RO 和纳滤（NF），其驱动力为膜两侧的跨膜压差。目前，在非常规水资源脱盐领域，RO 技术占据主导地位。RO 技术的基本原理为RO 膜对水分子的透过特性和对盐类及其他小分子的截留作用（图2）。目前，RO 海水淡化技术的脱盐率可达99.85%，能耗最低可达2 kW·h/m3，产水占中东等缺水地区饮用水供应的70% 以上〔10-11〕。RO 苦咸水淡化技术应用更为广泛，其占全球RO 淡化厂总数的48%，远超占比25%的海水RO淡化厂〔12〕。相比海水淡化，RO 苦咸水淡化的能耗更低。如我国西北地区使用RO 淡化含盐量1 500 mg/L地下苦咸水的总运行成本仅1.2 元/m3，可有效改善农村地区缺乏生活用水的现状〔13〕。另一方面，RO 技术用于雨水处理系统，取得了一定的社会效益。如新加坡已建成4 座新型水厂，采用UF-RO-UV 系统对雨水收集系统中的雨水进行淡化并供给市民饮用〔14-15〕。随着技术的不断进步，RO 技术在海水淡化和苦咸水淡化等领域中具有巨大的应用潜力。

图2 渗透与反渗透现象Fig. 2 Osmosis and reverse osmosis

1.2 电驱动膜脱盐技术

电驱动膜脱盐技术主要是指ED 及其衍生技术，其核心部件为离子交换膜（IEM），基本原理为IEM 对反离子的选择透过特性。电渗析脱盐原理如图3 所示，在外加电场作用下，盐水中的阳离子可透过阳离子交换膜（CEM）向阴极迁移并被阴离子交换膜（AEM）截留，阴离子则可透过AEM 向阳极迁移并被CEM 截留，从而实现淡室溶液的脱盐效果。ED技术应用领域较为广泛，海水淡化〔16-17〕、工业除盐〔18-19〕、废水处理〔20-21〕等脱盐领域中ED 均有着广泛的应用，其独特的离子电迁移特性使ED 尤为适合用于较低盐度的苦咸水淡化〔22〕。总溶解性固体（TDS）在1 000～10 000 mg/L 的苦咸水，ED 技术都有良好的应用。目前，ED 淡化厂在世界各国都已进入实际生产阶段，全球ED 淡化水总产量约285 万m3/d〔23〕，并随着技术进步而稳步增长。

图3 电渗析脱盐原理示意Fig. 3 Schematic diagram of electrodialysis desalination principle

2 基于可再生能源的压力驱动膜技术

2.1 太阳能-反渗透技术

近年来，由于其优越的性能，RO 已成为非常规水资源脱盐生产淡水的主要方式。各种可再生能源可为RO 提供动力。太阳能因具有稳定性高和适用范围广等优点成为使用最多的可再生能源，尤其在偏远地区有着巨大的应用潜力〔24-25〕。太阳能收集系统可以通过一系列机械或电气设备将太阳能转换为热能或电能以进一步加以利用。张希照等〔24〕在浙江舟山大鱼山岛建成5 m3/d 光伏太阳能海水淡化示范工程，系统利用厂房楼顶的光伏组件将太阳光辐射能转化为电能用以供给海水淡化设备。经过此系统的海水脱除99.7%的盐分，同时可回收96%的能量。该岛屿从陆地调水成本高达30 元/t，而此系统制水成本仅为6.3 元/t。因此，该系统不仅安全可靠无污染，同时也有良好的经济性。但该系统需要配备大量储能电池组，这一方面增加了投资费用，另一方面也增加了维护成本和复杂程度。但是，与可再生能源相耦合的压力膜系统可以突破地域条件的限制，为孤岛、干旱地区提供稳定的水源，拥有巨大的应用空间。目前，主要的太阳能发电技术有光伏（PV）发电技术、太阳能光热发电（CSP）技术和太阳能热风发电技术等〔26〕。

2.1.1 光伏发电-反渗透系统

PV 是当前应用最普遍的太阳能利用技术，其可将太阳辐射直接转化为电能。PV 系统常分为独立PV 系统和并网PV 系统，独立PV 系统包含蓄电池等储能元件，而并网PV 系统则直接与电网相连，无需储能设备。伴随着PV 技术成熟和成本降低，膜脱盐领域中逐步形成了基于PV 的RO 脱盐系统（PV-RO）。PV-RO 系统主要包含进水、预处理、RO 处理、能量回收等过程，PV 产生电能供给系统（图4），其在脱盐领域发展较早。W. W. BOESCH等〔27〕于1982 年报告了世界第一套独立PV-RO 系统，该系统使用铅酸电池储能，PV 阵列效率约为7.5%，脱盐率超过98%。由于蓄电池使用寿命较短，长期运行时需要频繁更换，且废弃蓄电池会产生一系列的环境问题，因此一些不使用储能系统的小型并网系统逐渐被开发使用，此类系统同样可将海水TDS 脱盐至200 mg/L 以下〔28-29〕。但此类小型系统基本只能在上午10∶00 至下午4∶00 高效运行，在其他时间段的运行效率将大幅下降甚至停止，这使得此类系统在应用于大型淡化厂时面临着无法全天提供稳定出水的问题〔30〕。为进一步提升其运行能效，E. S. MOHAMED 等〔31〕设计了一种大型无储能装置的直接耦合PV-RO 系统，发现其可省去储能系统的投资费用和10% 以上的运行成本。而由于并网PV-RO 系统的连续稳定运行明显受制于天气和时间因素的波动，配有储水装置的PV-RO 系统相继被提出，用以最大限度消除太阳辐射波动对出水水质的影响。研究证实，将时间因素对PV-RO 系统的影响纳入储水箱的设计，提出可容纳较长时间产水的“季节性储水箱”（SWST），所形成的PV-RO-SWST系统不仅可提高系统产水量，还可确保产水含盐量长期符合饮用水要求〔32-33〕。

图4 PV-RO 系统示意Fig. 4 Schematic diagram of PV-RO system

由于相对昂贵的光伏能源设备以及较短的运行时间，PV-RO 脱盐系统相比传统的RO 脱盐系统投资运行成本更高。B. RAHIMI 等〔34〕对5 种模式的PV-RO 系统进行了成本分析：1）并网PV-RO 系统；2）白天使用PV（无多余电力卖回电网），夜间和低辐射条件使用电网；3）白天使用PV（多余电力卖回电网），夜间和低辐射条件使用电网；4）PV 仅发电到电网，并从电网导入相同量的电能供电；5）含电池的独立PV 系统。发现各结合方式的运行成本由高到低分别为5）＞1）＞4）＞3）＞2），由此可见灵活使用PV 系统和电网供能是降低运行成本的有效途径。目前，使用计算机算法开发能源管理策略，科学调整系统在不同时间段的功率输出是PV-RO 系统运行的新思路。M. A. SOLEIMANZADE 等〔35〕开发了用于并网PV-RO 系统强化学习能源管理系统，该系统可利用光伏历史数据和气候特征提取器科学优化系统的能源输入方式，在不同的条件下可灵活选择能量供给方式，不仅大幅提升了淡水生产能力，在最大化利用太阳能、最小化外部电网供电和管理储能系统运行方面也表现出良好的性能，减少了能源浪费，对于控制PV-RO 系统的运行成本至关重要。但同时，PV系统对气象的高敏感性也迫使计算机技术需要进一步提升对关键数据的收集和处理能力。未来随着计算机技术与PV-RO 系统的深层次结合和智慧水务的进一步开发，低成本自动化PV-RO 脱盐系统将进一步发展普及。

2.1.2 光热发电-反渗透系统

CSP 技术是通过使用各种聚光器汇聚太阳光，并利用吸热器将太阳辐射能收集并转化为传热工质的热能，最终通过热力循环将热能转化为电能的技术〔36-37〕。相比于PV 系统发电，CSP 技术发电原理与传统火电厂相同，使用汽轮发电机组进行发电，技术相对成熟稳定且不需要硅片等高耗能、高污染材料，生产与发电环节更为清洁环保，是一种新型太阳能发电技术〔38〕。常见的CSP 发电机有碟形太阳能斯特林发动机（DSSE）、有机朗肯循环发电机（ORC）和线性菲涅尔发电机（LFC）等〔39-40〕。

目前，不少学者对CSP 与RO 的耦合系统已进行了研究（典型CSP-RO 系统如图5）。M. IBARRA等〔41〕对偏远地区小型ORC-RO 系统进行了优化设计，系统可稳定高效产出1.2 m3/h 的淡水。A. E.MANSOURI 等〔42〕提出了一种通过盐梯度太阳能池（SGSP）与ORC 相结合的海水RO 淡化装置，发现该装置适合于常规能源资源有限但日照量高的国家。虽然CSP 技术收集的能量主要以热能形式储存，理论上应用于MED 等热法脱盐可减少能量转化过程损失，但是一些研究发现在实际生产过程中CSP-RO系统可得到比CSP-MED 系统更大的产电量和产水量〔43〕。H. JAUBERT 等〔44〕综合了CSP 热法和膜法技术的优势，设计了综合CSP-RO/MED 系统，该系统使用基于ORC 发电的RO 淡化海水，剩余浓海水进入ORC，利用剩余热量驱动MED 进一步处理，之后通过双极膜系统生产酸和碱，可以实现零液体排放并获得高品质的淡水。能耗方面，一些研究者发现与常规RO 海水淡化厂的能耗（约为3～5 kW·h/m3）相比，使用DSSE 的二级RO 系统能耗在1.26～5.62 kW·h/m3，具有一定的实际价值〔45-46〕。 由于CSP-RO 技术不使用化石能源，在产水量约为82 000 m3/d 的情况下，CSP-RO 脱盐系统节省的二氧化碳排放可达4.459 3×107kg/a，具有比较强的经济优势〔47〕。相比于PV 技术，CSP 技术具有系统效率高、可控性强等优点，可同时满足工业上的热电需求，是未来非常理想的可再生能源应用技术。

图5 CPS-RO 脱盐系统Fig. 5 CPS-RO desalination system

2.2 风能-反渗透技术

风能占世界可再生能源的53%，在风力资源丰富的地区，可为脱盐系统提供可观的能量供应〔48〕。目前对于风能与压力膜脱盐技术的耦合主要为基于风力发电的风能-反渗透（Wind-RO）系统（图6）。一些研究认为Wind-RO 系统的成本大约为2.962～6.457 美元/m3，可大幅降低碳排放和能源成本〔49〕。但由于风能具有间歇性和波动性，单独的风力发电系统无法为RO 装置提供长期稳定的电能供应，这使得解决风能和RO 装置之间的匹配性成为了研究的重心。对此，一些学者认为可以将风力发电系统与其他能源系统耦合为混合动力系统，以此达到稳定供能〔50〕。由于太阳能和风能在大多数地区具有一定的互补性，风光互补系统成为了一种可能的解决方案〔51〕。研究结果证实，风光互补脱盐系统可以改善缺水地区的淡水供应现状，具有很强的经济和环保效益〔52〕。综合分析多种可再生能源驱动海水脱盐过程，江才俊等〔53〕认为风光互补+市电方案制水成本较传统市电方案制水低8%左右。而E. M.A. MOKHEIMER 等〔54〕进一步通过数学建模对混合式PV/Wind-RO 海水淡化系统进行了成本核算，指出该类系统能耗范围在8～20 kW·h/m3，成本介于3.693～3.812 美元/m3，明显优于单独使用风力发电的系统。

图6 Wind-RO 脱盐系统Fig. 6 Wind-RO desalination system

除混合系统之外，通过计算机算法调整反渗透装置的运行模式以适应风能的变化，开发新型可变操作的Wind-RO 系统也可增加风能系统的实用性。一些研究者通过混合优化模型工具设计Wind-RO 系统，可精准确定系统各部件的最佳选型〔55-56〕。而J. A. CARTA 等〔57〕进一步使用遗传算法机器学习技术开发了新型的Wind-RO 系统，系统操作参数在一定范围内变化时可保证系统出水稳定。但由于对再生资源的精细化管理，再生能源系统的设计越来越复杂，简单的单一算法不足以确定系统所需的解决方案，使用混合算法优化Wind-RO系统能够使得系统具有更强的灵活性和准确性，可在更大的范围内满足淡水需求和电力需求〔58-59〕。在运行过程中，含有新型能源管理策略的智能化系统被提出，该类系统可同时管理流入系统的水和电力，使系统能够根据可用发电量最大化淡水产量，从而适应系统的技术和功能限制〔60〕。与不含能源管理系统的Wind-RO 相比，智能化系统可极大节省因供能不足而引起的运行损失〔61〕。目前，使用Wind-RO 供应淡水的系统已经可以满足特定区域的全部用水需求，在偏远沿海地区具有良好的应用潜力〔62〕。

2.3 盐差能-反渗透技术

盐差能（SGP）是存在于两种不同浓度的盐溶液之间的化学势差，广泛存在于河流与海洋的交汇处等〔63〕。反电渗析技术（RED）可通过IEM 对反离子的选择透过性将SGP 直接转换为电能〔64〕。盐差能发电原理如图7 所示，RED 主要由AEM、CEM、低浓度溶液（LCS）隔室、高浓度溶液（HCS）隔室、电极隔室以及外部负载等组成〔65〕。

图7 盐差能发电示意Fig. 7 Schematic diagram of SGP generation

目前，对基于RED 的RO 脱盐技术（RED-RO）的研究主要集中于系统的耦合方式与能源的转换效率。对于RED-RO 系统的构建有两种模式，其一是将RED 作为RO 预处理，以降低RO 脱盐系统的进水浓度并为RO 过程的高压泵供电，以此降低能耗；再者是将RED 作为RO 的后处理，以充分利用RO 浓水与低盐水间的化学势差。相关测试表明，RED 不仅收获了可用的SGP，还有效地降低了RO进料液的盐浓度〔66〕。具体地，海水RO 浓水通过RED 装置可将25%～66%的盐度梯度能量转换为电能，转换效率为17%～26%〔67〕。当前，RED-RO 系统的研究仍然处于实验研究阶段，离大规模工业普及还有着一段距离。

2.4 波浪能-反渗透技术

波浪能主要是来自波浪和洋流的机械能，与太阳能和风能相比，波浪能供能相对稳定且能量密度较高〔68-69〕。据估计，全球每年约有8 000～80 000 TW的波浪能可供利用〔70〕。传统上使用脉冲式水轮机连接变速发电机使得RO 系统可以充分利用波浪能，所形成的波浪能-反渗透（Wave-RO）系统可使海水TDS 从35 000 mg/L 降低至500 mg/L 以下，TDS去除率超95%〔71〕。但是由于在转换电能过程中出现能量损失是不可避免的，近年来向RO 系统供应由波能转换器直接加压的海水，以此消除波浪能转换为电能并返回加压水的成本和能源损失成为了研究的重点。如王广航等〔72〕开发了一种零耗电的Wave-RO 系统（图8），系统利用海浪冲击浮筒使浮筒连接的活塞位移，活塞拉伸时由于负压可吸入海水，活塞压缩时海水被压入RO 系统进行脱盐过程，该系统相比常规RO 系统节约电能约5.2 kW·h/m3。据报道，不转换电能的Wave-RO 系统能耗约为1.85 kW·h/m3，成本介于1.96～2.34 美元/m3〔73〕。而在使用新型压力蓄能器后，Wave-RO 系统即使在低海浪条件下也能够产生饮用水，虽然此类系统在综合利用效果上依旧低于风能和太阳能系统，但其独特的优点使该系统对缺水的岛屿地区有着很大的吸引力〔74〕。

图8 零耗电Wave-RO 脱盐系统Fig. 8 Wave-RO desalination system

综上所述，基于可再生能源的压力驱动膜技术具有良好的发展前景，但同时也存在一些亟待解决的问题，相对于传统的化石燃料，可再生能源均存在着供能不稳定、投资成本偏高和能量转化率较低等缺点。未来寻找更加稳定的可再生能源，进一步提升能量利用效率，并降低可再生能源系统的投资运行成本依旧是研究的重心。多种可再生能源并用的多能源耦合驱动RO 技术也是未来研究的方向之一。

3 基于可再生能源的电驱动膜技术

3.1 太阳能-电渗析技术

在电渗析系统进行海水淡化的过程中，ED 本身需要外加直流电源，水泵等附属系统也需要电力供应，所以ED 与太阳能、风能等可再生能源相结合是有益的。其中，光伏-电渗析（PV-ED）系统是最常见的技术。对PV-ED 系统的研究开始于1970 年，自J. E. LUNDSTROM〔75〕首次开发了一种PV-ED 小型脱盐工艺以来，研究集中于独立PV-ED 系统和并网PV-ED 系统。独立PV 由于带有蓄电池，在光照不足的情况下也可以继续运行，对气象条件的要求较低，但在直流/交流转换的时候会出现电力损失；而并网PV 系统由于直接供给至ED 系统，电能损失小，但在阴天时的效率会显著下降。结合两种PV 系统的技术特点，B. PEÑATE 等〔76〕设计了一个综合PV-ED 系统，其中独立PV 系统产生能量用于泵送和控制系统，并网PV 系统产生电能直接用于ED，能耗为0.618 kW·h/m3，操作灵活性强、出水水质好。结合仿真优化研究，并网PV-ED 系统不仅可满足海水淡化厂的用电需求，而且可以将多余的电力回售给电网，在用电低谷时节约电力〔77〕。所以对于不同PV 系统的选择和使用应该因地制宜，根据自身系统的需要和工厂实际条件进行对比选择。由于RO 和ED 是两种最成熟的膜海水淡化技术，在实际应用中两种技术的比较与选择是不可避免的。综合考虑运行、投资和环境成本，一些研究认为当TDS 低于5 000 mg/L 时，PV-ED 系统是最合适的选择，而RO只在TDS 超过5 000 mg/L 的情况下使用较为经济〔78〕。但若是使用脱盐效果更好但价格昂贵的IEM，PV-ED 系统的投资成本会显著增加，所以，开发高效廉价的IEM 仍然是PV-ED 系统研究的核心问题〔79〕。

除此之外，研究者也在尝试将PV-ED 进行改进或与其他系统进一步整合联用。如增加重金属吸附系统后，用于净化高质量浓度砷（2.04 mg/L）的PVED 脱盐系统可同时达到95%的脱盐率和99.9%的除砷率〔80〕。张振辉等〔81〕设计了PV 驱动的倒极电渗析去离子（EDIR）苦咸水脱盐系统（PV-EDIR，图9），该系统在膜堆中填充树脂来提升脱盐性能，研究发现当树脂混床中填充阴阳树脂体积比为4∶6 时，系统脱盐率大于90%，为户外、机动式饮用水的获取提供了有效方案。而若是将PV-ED 系统中的IEM从平板形更换为波浪形，所得到的装置在除盐和能耗方面的性能将优于传统的ED，可能的原因是波浪形膜减少了浓度极化的边界层，促进膜表面的湍流〔82〕。进一步开发PV 与太阳能热系统联用技术是未来综合利用的方向，由于在高温下ED 系统的脱盐性能提升，所以利用太阳能热系统加热盐水，并使用PV-ED 系统进行脱盐，可以得到更好的处理效果〔83-84〕。尽管PV-ED 系统在日照充足的地区可以更好地发挥其自身优势解决淡水短缺的问题，但初期投资成本依旧是制约PV-ED 系统大规模应用的主要因素。

图9 PV-EDIR 苦咸水脱盐系统Fig. 9 PV-EDIR brackish water desalination system

3.2 风能-电渗析技术

ED 具有较高的灵活性和快速可控的工艺动态性，这使得ED 相比其他工艺非常适合与风能耦合，并在可变条件下运行〔85〕。我国在山东省长岛县小黑山岛建立了风能-电渗析技术（Wind-ED）苦咸水淡化示范站，系统使用国产风力发电机组并配有55 组蓄电池，淡化水质可满足饮用水标准，运行成本仅为采用柴油机发电时的30%〔86〕。该系统是我国第一个Wind-ED 淡化系统，经济效益和社会效益均比较显著。但该系统采用的是部分循环ED 工艺，产水量仅有2 t/h；且当时国产大功率风力发电机还不成熟，直流/交流电的转换会导致大量的能量损失，风机由于盐雾和老化也需定时维修，这些问题导致该示范系统的运行成本依旧偏高。但不可否认的是，长岛县风电淡化示范装置为解决海岛和边远地区的缺水少电问题展示了新的途径，也证明了基于风能的电驱动膜技术具有良好的推广应用前景。

目前对Wind-ED 的研究主要集中于对Wind-ED系统优化策略调整方面，即通过计算机模型和算法对Wind-ED 系统进行运行模式的提升。J. M. VEZA等〔87〕通过调整电网得到运行数据并建立数据库，建立了一个并网Wind-ED系统，以此预测系统行为，实现了在不同供能条件下的稳定化产水。随后其进一步开发了一种耦合到风电场的Wind-ED 系统，拓展了该系统的灵活性，以适应运行模式的修改〔88〕。而针对常规Wind-ED在能量转化过程中的电能损耗问题，相关学者提出了一种无需储能设备的新型直接耦合Wind-ED 系统，在风速不高于风力涡轮机额定参数的条件下，可以实现产水率能耗的同步优化〔89〕。除此之外，抽水蓄能、压缩空气等新型风力储能系统的发展使得电能的储存成本降低。吴利乐等〔90〕开发的风-光-抽蓄复合发电系统用于海水淡化能够很好地解决风机、PV 运行的随机性与不均匀性，具有一定的可控性（图10）。近年来，部分研究者认为ED 与风能直接耦合的主要挑战并非风波动程度，而在于长时间振荡和长时间无风期间功率循环的不利影响〔89〕。随着新系统的开发与改进，Wind-ED 系统的能源利用效率一定程度上得到了提高，利用风能与其他可再生能源的多能源耦合驱动ED技术具有良好的发展前景。

图10 风-光-抽蓄复合发电海水淡化系统Fig. 10 Desalination system of wind-light-pumped storage composite power generation

3.3 盐差能-电渗析技术

反电渗析-电渗析（RED-ED）系统可以实现高能源利用率和产水率，并最大限度减少盐水排放，前景可观，但目前还处于实验研究阶段，并主要集中在RED-ED 系统的集成特性、系统能耗、内部参数等方面。针对RED 产电与ED 耗能间的平衡问题，Qing CHEN 等〔91〕构建了一个将RED 和ED 集成在单个模块中的海水淡化系统，系统进水压力依靠高度差提供，RED 产生电力供给ED 脱盐，该系统中的能源转换显著减少，没有高盐水处理问题和温室气体排放，且占地面积更小，是一种比较环保的技术。随后，无功率ED 系统（PFED，图11）被提出，PFED 以RED 作为能量供体、ED 为能量受体，出水电导率约为72µS/cm，且能源可以自给自足〔92〕。Ying MEI 等〔93〕通过模拟仿真核算了PFED 系统脱盐性能，指出所使用IEM 的选择透过性能与能源自给率呈正相关。Man CHEN 等〔94〕比较了内部集成RED-ED、外部集成RED-ED、独立ED、PV-ED 和Wind-ED 的能耗和海水淡化能力，发现内部集成RED-ED 的海水淡化量0.43～2.60 mol/（h·m2）远高于外部集成RED-ED系统0.10～0.15 mol/（h·m2），且系统配置更简单，能耗更低。近年来，一些研究者开发了使用双极膜的反电渗析系统（BMRED）并将其与ED 耦合，所得到的BMRED-ED 系统不仅无需外部电源供能，而且得到了较高的海水淡化率，展现出一定的应用潜力，但双极膜的高成本问题仍待解决〔95〕。虽然RED-ED的海水淡化能力低于PV-ED 或Wind-ED，但较低的投资、更低的能源需求和更好的出水水质仍然使RED-ED 在膜脱盐技术领域有着广阔的应用前景。

图11 无功率ED 系统示意Fig. 11 Power free electrodialysis（PFED） for desalination

4 结语

淡水资源是经济、社会发展的命脉，鉴于其日益短缺的现状，基于膜法脱盐技术的非常规水资源开发已成为重要的淡水增量途径。在碳达峰、碳中和的全球战略背景下，基于可再生能源的膜脱盐技术逐渐成为以节能降耗为目标的研究热点和发展方向之一。笔者总结了多种可再生能源与膜法淡化技术的耦合系统，综述了各种新型脱盐系统的适用性、经济性和发展趋势，指出了基于可再生能源的膜脱盐技术的优越性和良好前景。由于基于可再生能源的膜脱盐技术尚处于实验研究阶段，仍有许多工作有待进一步深入开展，今后的研究方向主要包括以下几个方面。

1）可再生能源与膜脱盐系统的耦合策略尚不成熟，现有研究多处于实验室概念设计或小试阶段。未来需要进一步深入研究可再生能源单元与膜脱盐单元间的耦合机制，并将可行的可再生能源系统予以放大，实现其与膜脱盐系统的规模化耦合，以此助力新技术的实际应用。

2）可再生能源的使用效率受到多重自然因素的影响，非稳定性能量输出对膜脱盐系统性能的影响应当予以深入研究，同时还需进一步研究相应的负影响消除策略与机制。

3）可考虑将基于可再生能源的膜脱盐系统与气象预测及电子信息技术进行深度融合，开发自动化运行管理程序和智能化操作系统，促进技术走向实际应用。