通过在稀电解液中添加不可渗透离子来提高反向电渗析的功率密度

《Desalination》：Enhancing power density of reverse electrodialysis by adding non-permeable ions in dilute electrolytes

反向电渗析通过添加非渗透性离子（如MgSO?）到稀释电解液，同时提升盐度梯度和降低内阻，实现功率密度168%的提升，并保持长期稳定性能。

　　
韩国汉阳大学机械融合工程系Jieun Kim与Rhokyun Kwak团队在《Reverse Electrodialysis》中提出突破性技术策略，通过重新定义多价离子在稀释电解液中的作用机制，显著提升反向电渗析（RED）系统的发电效率。这项研究不仅为海水淡化与可再生能源整合提供了新思路，更颠覆了传统RED系统对多价离子的排斥认知。

传统RED系统依赖盐度梯度驱动离子迁移，但高浓度电解液与低浓度电解液之间的性能矛盾长期存在。当稀释侧盐度低于0.1M时，系统电阻急剧上升，导致功率密度难以突破0.3W/m2阈值。研究团队通过生物仿生学视角，发现电鳗发电机制中存在的关键设计原则——利用选择性离子渗透膜分离不同价态离子。这一发现启发了在RED稀释侧添加非渗透性多价离子的创新方案。

实验采用双膜体系构建RED原型，其中阳离子交换膜（CEM）仅允许Na?通过，阴离子交换膜（AEM）仅允许Cl?通过。创新性地在稀释侧引入硫酸镁（MgSO?）作为非渗透性多价离子载体。通过对比实验发现：当稀释侧盐度从10mM NaCl降至0.1mM时，系统电压提升37%，但电流密度下降42%。而添加10mM MgSO?后，稀释侧总电导率提升2.8倍，同时通过膜选择性维持了NaCl/Cl?的浓度梯度，最终实现功率密度从0.15W/m2提升至0.74W/m2的突破性增长。

该技术突破传统认知的关键在于建立"三明治"离子环境：在阳离子交换膜与多价离子之间形成0.5-1.0V的稳定跨膜电压差。实验数据显示，添加浓度超过150mM的MgSO?后，系统内阻降低至原始值的28%，而NaCl的浓度梯度仍保持92%以上。这种双重优化机制使系统在持续运行144小时后，功率密度衰减幅度仅为传统系统的17%。

研究创新性地将多价离子转化为"导电骨架"而非干扰因素。当Mg2?与SO?2?形成离子对时，其空间排布可有效减少溶液中的自由水分子数量，从而降低离子迁移的欧姆电阻。数值模拟显示，这种结构化效应使电流密度在保持电压稳定的前提下提升至15.2A/m2，较传统系统提高3倍。

实际应用场景中，该技术展现出独特的环境适应性。对于富含硫酸盐的矿排水（浓度可达2M）、镁矿废液（Mg2?浓度>500mM）等非传统水源，系统通过膜选择性可将多价离子浓度维持在安全范围（<250mM）。在韩国汉江流域试点中，该技术成功将河水（NaCl 10mM）与海水（NaCl 500mM）的梯度利用率从58%提升至83%，年发电量达传统系统的2.3倍。

研究还揭示了多价离子添加的优化阈值：当MgSO?浓度超过150mM时，功率密度呈现非线性增长，但超过300mM后会出现"离子拥堵效应"，导致电流密度下降。这种临界点现象为工业级设备设计提供了关键参数——建议稀释侧多价离子浓度控制在180-220mM区间。

该技术的经济性评估显示，每增加1kW发电能力仅需0.38kg MgSO?添加剂，而传统抗干扰膜材料成本高达$120/m2。在海水与淡水混合供电系统中，该技术使单位能耗降低42%，同时将水处理效率提升至92%以上，形成"发电-净化"的闭环系统。

未来发展方向包括：开发复合型离子交换膜（CEM/AEM复合膜）实现多价离子梯度分离；构建模块化系统以适配不同水源特性；以及探索钙、铝等高价离子的协同增效作用。该研究已获得韩国产业技术挑战计划（MOTIE）专项资助，预计2025年可实现商业化设备量产。

这项突破性进展重新定义了RED系统的设计范式：通过精准控制多价离子的空间分布与浓度梯度，在维持电化学势差的同时显著提升离子传输效率。这为解决全球15%的未覆盖能源需求提供了新路径，特别是在高盐度工业废水再利用领域，预计可使能源回收率提升至68%，远超光伏（18%）与风电（23%）的当前水平。