零碳排放反渗透清洁能源技术概要说明

       能源是人类生存发展的基石，随着全球人口不断增长和化石能源不断耗减，人类能源危机日益突出。化石能源、核能等能量消耗加剧地球温升，气候变暖成为全球关注焦点。面对严峻形势，各国纷纷采取节能减排措施。2015年巴黎全球气候大会上，比尔.盖茨、扎克伯格等27位全球顶级企业家共同发起清洁能源计划，计划投资数十亿美元用于寻找除了风能、太阳能以外更多零碳排放能源的可能，从技术上找到更多阻止全球变暖的方法。

       气候变暖就是环境热能增加。环境热能广泛存在于空气、水、大地等环境中，蕴含巨大能量。若设法加以利用，既可解决人类能量来源问题，又能消除能源消耗加剧地球温升的根源，彻底将不利变为有利。

        水分子永远处于无序热运动状态之中，具有能量，能否借助这种能量使水自发往高处流呢？未见有研究报道。热力学第二定律告诉我们，不可能从单一热源吸热使之完全转化为功而不产生其他任何影响，以往热电转换技术均基于“温差”做功，环境热能被认为是“废热”，无法从中取能做功，水的环境热能也不例外。

       我们提出纳米单向阀模型，对渗透效应微观动力学机理作了解释，认为渗透的能量基础是分子热运动，是扩散运动使得分子穿过半透膜，是溶质粒子对膜孔的遮挡使水分子穿过膜孔的数量不对等形成渗透效应，其中起关键作用的是半透膜处的溶质界面浓度而不是全部溶液浓度。为此，我们设想通过改变半透膜处界面浓度造成不对称渗透压，让装置借助渗透压差实现反渗透，利用自发渗透形成自发反渗透，让水自发从低处流往高处，达到不输入能量直接从水分子环境热能取能做功的目的，实现零碳排放清洁能源目标。这是开展此项研究的出发点。

       零碳排放反渗透清洁能源技术原理如下图所示。

         图1 循环系统示意图                        图2 提水储能示意图                           图3 循环发电示意图

       图中黑线代表容器壁，蓝色代表纯水，水滴图案代表溶液，红色代表半透膜，隔开溶液和水。黑白点代表溶质粒子受某种作用在右半透膜界面处形成更高浓度。由渗透原理可知，图1中，右半透膜界面处溶液浓度更高，渗透压更大。当左右两边水渗透到中室使其压力达到与左边渗透压相对应时，左边的水不再渗入。右边水继续渗入，中室压力继续上升并大于左边渗透压，对左边半透膜形成自发反渗透，将水挤出，向左流动。右边的水不断渗入，左边的水不断渗出，构成图1所示自发循环。稍加变型，则可以将低处的水自发提向高处，实现储能，如图2所示。如果在图1所示循环水流中加入发电机就可发电，如图3所示。

 采用静电场法、磁场法或重力场法可以改变半透膜界面处的溶液浓度。理论上，装置中溶质被两半透膜锁住，不流失，溶液浓度不变，能量不损失。静电场、磁场或重力场也不会损失能量。因此，装置运行过程中不需要人为能量输入，能量来源是水分子热运动，也即环境热能。装置能自发启动，自发持续运行，自发持续做功。只要环境温度保持溶液为液态，装置就能始终运行、做功。运行过程始终利用环境热能做功，不向环境额外排放热能，零碳排放。

本技术已完成静电场法实验验证，实现约2.8米水位差，证明原理可行、方法有效。未来可以此研究为基础，优选溶质和半透膜，增强提水能力和水通量，着力提高效率，有望快速走向实用。克服了河海渗透能发电水流量小、半透膜易堵塞等影响实用化的关键问题，在发电效率、适用性、稳定性、经济性等方面更具潜力和优势。

本技术实现3个理论突破。突破了不耗能反渗透、让水自发从低处流往高处、不需温差直接利用水的热能做功技术。相关实验对热力学第二定律形成新的检验和挑战。我们相信，每项突破都是重大的、基础性的、颠覆性的。如能得到证实，具有无比重要和深远的意义。

若走向实用，具有5个显著优势。1）环境热能，取之不尽，用之不竭。2）无污染，清洁、安全、环保。3）不加剧地球温升，零碳排放。4）比太阳能、风能等更加稳定。5）无能源消耗成本，经济性好。

此研究提供的技术方案，既有重大理论突破，又有显著技术潜力和现实意义，它既有望解决人类生存发展能量来源问题，又有利于消除能源消耗加剧气候变暖的根源。相信它能够激起广大科研人员的兴趣与热情，积极跟进研究。愿大家共同努力，早日打造出绿色环保清洁能源。

研究论文已发布在《自然》研究广场预印本平台。文章详见：https://www.researchsquare.com/article/rs-4687425/latest。欢迎各位学者前往发表意见。