热驱动反渗透技术：利用低品位热能实现高效海水淡化的热力学机制研究

【编辑推荐】本研究针对传统热法脱盐能耗高、反渗透(RO)依赖电能的问题，提出热驱动反渗透(TDRO)新工艺。通过活塞系统将饱和工质热膨胀能转化为RO驱动力，优化活塞尺寸比(λ)后实现最低20 kWh/m3 的比热耗，第一/第二定律效率分别达7.9%和18.1%，为低品位热能在可持续水处理领域的应用提供新范式。

　　

在全球淡水资源日益紧张的背景下，海水淡化技术成为解决水资源短缺的关键途径。当前主流技术面临两难困境：热法脱盐如多效蒸馏虽可利用太阳能、地热能等低品位热源，但相变过程导致能耗高达667 kWh/m³
；反渗透(RO)虽能耗仅0.8-10 kWh/m³
，却依赖高成本电能。如何整合两者的优势——即利用廉价热源实现RO的高效运行，成为突破技术瓶颈的核心挑战。

MIT的Peter Godart曾提出热驱动反渗透(Thermally Driven Reverse Osmosis, TDRO)概念，通过活塞系统将工质热膨胀能转化为RO驱动力。然而其研究存在恢复比不现实、活塞尺寸未优化等缺陷。为此，研究人员开展系统性热力学分析，重点考察工质选择、温度(110-247°C)和活塞尺寸比(λ)对性能的影响。

研究采用热力学第一/第二定律建立能量平衡模型，计算比热耗(Specific heat)、增益输出比(Gain Output Ratio, GOR)等关键指标。通过对比水、R245fa等工质的PVT特性，结合不同盐度(海水/苦咸水)和恢复比(0-50%)条件，量化λ与能量效率的关联性。

【Reverse osmosis and the work of separation】
建立理想化RO系统模型，揭示最小分离功与渗透压的数学关系。当海水恢复比达50%时，理论最小功为0.8 kWh/m³
，但实际系统需克服膜阻力等损耗。

【Sizing the TDRO working piston to minimize energy use】
发现活塞尺寸比λ是核心设计参数：以水为工质、247°C运行时，优化λ可使比热耗降至20 kWh/m³
，较未优化系统提升40%。低温(110°C)工况下性能仅降低20%，证明系统对热源温度具有鲁棒性。

【Conclusions】
TDRO通过三大创新突破技术瓶颈：(1)机械耦合设计避免热-电-机械能转换损失；(2)活塞尺寸比λ的优化实现能量传递最大化；(3)宽温区适应性支持地热、工业废热等多热源利用。其18.1%的第二定律效率显著高于传统热法脱盐(通常<10%)，24-32的GOR值更达到膜蒸馏技术的2-3倍。

该研究为TDRO的工程化奠定理论基础，特别适合分布式、离网场景的应用。未来通过膜材料创新和热回收系统集成，有望进一步将比热耗降至15 kWh/m³
以下，推动低品位热能在可持续水处理领域的规模化应用。论文发表于《Desalination》，为热法-膜法杂交技术开辟了新研究方向。