垂直矩形及双曲形纳米通道中电驱海水淡化的技术经济分析

《Journal of the Indian Chemical Society》：Techno-economic analysis of electrokinetic desalination in vertical rectangular and hyperbolic nanochannels

　　苏吉特·萨哈|巴拉拉姆·昆杜•纳米通道中的离子选择性会导致诱导离子对流和电渗流现象。•重力和电动力学效应的耦合作用会引发离子浓度极化现象。•外部场对纳米通道阵列脱盐性能的影响。•与双曲形阵列相比，矩形阵列在去除盐分方面更有效。•相较于矩形设计，双曲形阵列的平准化水成本更低。引言淡水是人类生存与社会经济发展的关键资源。然而，全球人口不断增加，再加上气候变化导致的水资源短缺，给传统淡水来源带来了更大压力[1]。目前，全球约有三分之二的人口，即40亿人，每年至少有一个月面临严重的水资源短缺问题，其中近一半人口居住在中国和印度[2]。在一些沿海地区，淡水资源极为匮乏，不得不从咸水或经过处理的废水中提取大量水分[3]、[4]。全球仍有超过20亿人无法获得安全的饮用水，这给公共卫生、社区福祉以及经济发展带来了严重威胁[5]、[6]。每年约有485,000人死于霍乱和腹泻等水源性疾病，这凸显出在全球范围内改善水质与卫生设施的紧迫性[7]。研究表明，易获取的淡水资源仅占全球总水量的2.5%，而加拿大、西伯利亚、阿拉斯加和远东地区则拥有丰富的水资源储备[8]。随着对淡水需求的持续增长，人们越来越意识到需要寻找新的可靠水源。其中一种颇具前景的解决方案就是海水淡化技术，该技术可通过去除海水或微咸水中的盐分及其他杂质，从而获得可使用的清洁水。近年来，海水淡化作为一种缓解全球水资源短缺的实用方法，受到了广泛关注[9]。为处理海水及微咸水，人们已经开发出了反渗透、电渗析以及离子交换树脂等多种技术，具体选择哪种技术取决于原水的质量、能耗以及经济可行性[10]。尽管这些传统海水淡化方法具有一定优势，但它们也存在诸多问题，比如高能耗、环境影响以及成本效率低下等问题[3]。目前，各种海水淡化方法的效率大致如下：多级闪蒸法为44.4%，多效蒸馏法为8.4%，反渗透法为41.1%，电渗析法为6.1%[9]。反渗透是一种广泛使用的海水淡化技术，其能耗低于其他方法；不过它仍然需要大量的能源输入，且容易发生污染，进而降低效率并增加运营成本[11]、[12]、[13]。目前，反渗透的能耗约为3千瓦时/立方米，这一数值已接近理论极限——对于含盐量为35克/千克、回收率为50%的海水，其理论能耗应为1千瓦时/立方米[11]。为弥补现有海水淡化方法的不足，研究人员正在积极探索能够提升能效、减少环境影响并降低运营成本的创新技术。其中一种很有前景的方法就是利用纳米通道阵列，通过纳米技术优化海水淡化过程。通过在纳米尺度上操控水分子，这类纳米通道阵列有望彻底改变海水淡化技术，使其更具可持续性且更具备经济可行性[14]、[15]。为解决全球淡水短缺问题，先进的物理原理在新型水净化技术的研发中起着核心作用，其中离子选择性浓度极化现象便是一种前沿策略[14]、[16]。当固体膜与溶液接触时，通常会带上电荷。这种电荷会吸引带相反电荷的离子，同时排斥带相同电荷的离子。因此，膜表面会形成电双层结构，而积累的电荷还可被用来发电。在微观和纳米尺度上，膜所表现出的离子传输行为与较大系统有所不同[17]。电动力学海水淡化过程是由位于纳米通道中心的纳米阵列内发生的多种相互关联的现象共同调控的。在每个纳米级的通道中，由于通道高度与德拜长度相当，带负电的通道壁与电双层会在通道表面重叠。这种重叠使得纳米通道的大部分横截面上都充满了反离子，而同离子则被排除在外[18]。这样一来，每个纳米通道阵列都会表现出强烈的阳离子选择性，只有带正电的离子能够通过。当在系统上施加电场时，离子会因这种选择性而通过纳米阵列传输，阳离子可以轻易通过，而阴离子则基本被阻挡。在具有选择性的纳米阵列两侧，离子通量存在不平衡，这就导致了界面处的离子浓度极化现象[19]。在阵列的上游（阳极侧），离子的消耗速度快于补充速度，从而形成盐浓度显著降低的离子贫乏区域。相反，在下游（阴极侧），离子则会逐渐积累，形成盐浓度较高的离子富集区域[20]。这些贫乏区和富集区会延伸到纳米通道的相邻部分，进而影响当地的电场强度和电渗流模式。贫乏区实际上就相当于离子浓度大幅降低的脱盐区域，而富集区则对应着含有高浓度离子的盐水区域[21]、[22]、[23]。总体而言，这些耦合的电动力学效应、电双层重叠、离子选择性传输以及离子浓度极化现象，共同构成了带负电纳米阵列系统中电动力学海水淡化的基本物理机制。在离子选择性膜的两侧，如果离子浓度存在显著差异，就会产生离子浓度极化现象[24]。在一个水平纳米通道中，两个储液池中均填充了0.1 M的KCl溶液，同时在通道上施加电场。该纳米通道的表面带有负电荷（σ = -0.6 C/m2），这一特性有利于K+离子的传输。在两个储液池之间施加的电压范围为5至170伏特。观察到的过限电流现象是由于纳米通道内的Cl-离子浓度升高，从而提升了离子导电性所致[25]。选择性离子交换膜已被广泛应用于多种领域，包括电膜工艺、生物分子分离、生物传感以及燃料电池等领域[26]、[27]、[28]。实验表明，在纳米通道的贫乏侧形成的强对流涡旋会缩短电中性扩散边界层?厚度。边界层厚度的减小会导致系统从限制电阻区过渡到过限电阻区[29]。有研究对嵌入在水平微通道中的五个纳米通道阵列进行了分析，通过调整相邻通道之间的距离来改变它们之间的相互作用程度。通道间距越大，电流增强效果越明显。不过在较高电压作用下，电对流效应会占据主导地位，通过抑制扩散层的生长来限制离子间的相互作用[30]。还有研究通过数值模拟分析了U形七纳米通道阵列微系统的运行情况，研究了外部电压和压力如何影响电流、最大电场强度、剪切应力以及流速等关键性能参数[22]。在针对嵌入在水平纳米通道中的五个纳米通道阵列进行的数值模拟中，研究者们运用泊松-能斯特-普朗克方程和纳维-斯托克斯方程，来预测离子浓度、电势分布以及能量消耗率[31]。近年来，关于新型纳米流体系统的建模研究十分活跃。Dewanjee和Kundu[32]全面评估了绿色纳米流体的合成方法、热物理性质、稳定性、环境可持续性以及其在太阳能集热器中的应用前景，指出这类流体有望在提升传热效率的同时减少对环境的影响，并明确了其大规模应用所面临的关键挑战及未来的研究方向。Basu等人[33]总结了基于人工智能的纳米流体热物理性质预测技术的发展现状。Ashrafizadeh等人[34]研究了微流控系统中的流体动力学分散机制，重点分析了通道几何结构、流动条件以及电动力学效应的作用。Shahhoseini等人[35]则为带电微通道中的耦合电动力学传输现象建立了理论框架。Nazari等人[36]研究了几何结构对电流体离子调控及海水淡化性能的影响，还有一篇最新综述[37]总结了受限电解质环境中电动力学传输、离子选择性现象以及能量转换方面的研究成果。另有研究聚焦于带电通道中的电动力学能量转换现象[38]，探讨了离子水合作用对纳米流控晶体管中渗透能收集的影响[39]，研究了通过优化离子纳米晶体管几何结构实现盐度梯度能量收集的方法[40]，以及如何通过结合介电泳力和磁泳力来提升连续细胞分离的效果[41]。尽管离子选择性和离子电流整流是纳米流控系统中的核心带电传输现象，但相关研究相对较少，这表明有必要进一步深入理解界面力的作用，尤其是静电相互作用的作用。Seifollahi等人[42]研究了电解质特性对带有聚电解质涂层的锥形纳米通道中电渗流现象的影响。他们建立了一个基于纳恩斯特-普朗克-泊松方程与蠕动流方程的数学模型，用于描述纳米通道中的离子传输和流体流动情况[43]。Dartoomi等人[44]提出了一种创新策略，通过将聚电解质双层结构与智能纳米通道相结合，来提升离子电流整流的效果。Jafari等人[45]研究了纳米通道内双极聚电解质层的空间排列方式如何影响电动力学发电性能。Khatibi等人[46]研究了具有不同表面电荷分布的波形微通道中的电渗流混合性能，强调了表面电荷不均匀性的重要性。此外，通过精心设计纳米通道的几何结构以及调控界面静电作用，层状纳米流控膜能够精准控制离子传输，从而提升离子选择性并提高蓝光能量转换效率[47]。另外，Alinezhad等人[48]研究了具有类似晶体管行为的双极纳米通道的离子传输特性，为理解纳米流控器件背后的电动力学机制提供了更多见解。近期的研究致力于通过改进粒子操控技术、离子传输机制以及膜的性能，来推动微流控和纳米流控技术的发展。在粒子分离领域，Zare等人[49]利用惯性力和介电泳力的协同作用，提升了集成在圆盘实验室平台上的蛇形微通道中的微粒子聚焦效果。同样，Aslani等人[50]通过优化微通道的几何结构，更好地控制了分析物的谱带分散现象，进一步凸显了通道设计在微流控系统中的重要性。将这些研究拓展到纳米流控应用领域后，Dartoomi等人[51]发现，通过对聚电解质涂层纳米通道进行表面纹理设计和增加粗糙度，能够显著提升渗透能收集的效果。此外，Shahhoseini等人[52]通过研究软质表面层电荷分布对离子选择性、离子电流整流以及电渗流现象的影响，分析了纳米流控膜中的焦耳加热现象。与他们的研究方向相似，Alinezhad等人[53]指出，调节表面电荷密度在控制异质纳米通道中的离子传输过程中起着至关重要的作用。基于这些研究成果，Nazari等人[54]研究了通过调节软质层电荷作为提升纳米流控膜海水淡化性能的有效策略。除了这些研究成果之外，Ashrafizadeh等人[55]还对夹点流分级技术进行了全面总结，阐述了该技术的基本原理以及在现代微流控系统中的实际应用场景。通过利用重叠的电双层结构进行海水淡化，不仅能够将能耗降至1.2千瓦时/立方米这一较低水平，还能实现高达9.72毫升/分钟·平方厘米的脱盐速率，若膜面积为1平方厘米，那么每日可处理的水量可达14立方千米[9]。在电场作用下，离子选择性膜的渗透选择性被应用于包含10个阵列的垂直纳米通道中。虽然这项研究分析了KCl离子的流速和浓度分布情况，但并未探讨该系统的经济可行性[20]。本研究则进行了详细的技术经济分析，旨在评估离子浓度极化技术用于海水淡化的经济可行性。离子浓度极化海水淡化技术的一个优点是，它能够像电渗析技术一样，实现简便的部分脱盐处理[56]。当盐浓度分别为10克/千克、25克/千克以及40克/千克时，该技术的平准化水成本分别为25.9美元/立方米、20.5美元/立方米以及16.4美元/立方米。在施加0.5伏特电压、100帕斯卡压力的条件下，使用五个纳米通道阵列进行处理时，可实现98.95%的盐分去除率，平均流速为0.56毫米/秒。整个处理过程的成本仅为2.08美元/立方米，这一成本水平使得该技术在其他电膜海水淡化方法中具有很强的竞争力[31]。离子浓度极化海水淡化技术在提升传感和生物传感技术水平、推动海水淡化技术发展以及支持能量收集应用方面都具有显著优势。其理论原理尤其适用于那些包含纳米狭缝或具有渗透选择性材料的系统，这使得人们能够研究通道间距如何影响整个阵列的运行性能。该系统由两个垂直纳米通道组成：一个矩形通道和一个双曲形通道，二者都受到重力的影响，且内部均装有作为离子排斥机制的纳米通道阵列。海水从顶部进入主通道，施加的电压驱动电渗流向出口方向流动。同时，带电的纳米通道阵列有助于选择性地去除主流中的阳离子，并将其引导至富集池中。淡化水则从主通道的下游端流出。这种设计旨在利用纳米流体膜提高淡化效率，同时克服传统压力驱动膜系统的局限性。本研究探讨了在电渗流作用下的带有嵌入式纳米通道阵列的垂直纳米通道，以评估芯片实验室淡化系统的性能与可持续性。分析的关键参数包括速度分布、电势分布、流速、浓度场以及电渗滑移边界条件下的能耗。研究还系统地考察了泽塔电位、施加电压和表面电荷密度对流体动力学的影响。结果表明，在出口区域（约93.4纳米处），在30伏的施加电压和-0.05伏的泽塔电位条件下，矩形纳米通道的盐分去除率比双曲形通道高24.55%，这提升了耗尽层的稳定性。此外，虽然矩形结构能实现更高的盐分去除效率，但所需能量更多，而双曲形结构则具有更高的能源利用效率。

物理装置
本研究在稳态条件下分析淡化过程。工作流体为稀释的氯化钠溶液，在层流状态下表现为牛顿流体。我们采用二维模型，假设第三方向的各项属性和变量保持不变。在此维度上的计算中，我们使用不影响关键结果（如流速或盐分去除效率）的单位长度。在实际系统中，则采用不同的处理方式。

参数估算
在本研究中，我们通过泽塔电位来表征通道壁处的电渗滑移现象。泽塔电位和表面电荷密度均可通过耦合的盐水淡化过程进行有效调控。除非相应图表中有特殊说明，否则本研究中的数值模拟均采用表1所列的纳米通道阵列中离子选择性极化的典型物理参数。泽塔电位通常被设定在特定范围内。

结果与讨论
本研究以具有代表性参数值的基准配置为基础，分析了采用离子选择性膜的淡化系统的性能。其中，氯化钠作为电解质。模拟所用的关键参数总结于表1。基于这一参考案例，我们明确了相关机制，并评估了施加电压和泽塔电位对系统性能的影响。

结论性意见
本研究为海水淡化技术及其在用于发电和盐分去除的便携式微流控设备中的应用提供了见解。它研究了纳米通道系统中电渗流速度滑移、泽塔电位和施加电压之间的相互作用。该研究在特定条件下将非线性泊松方程与能斯特-普朗克方程及纳维-斯托克斯方程相结合。通过评估关键设计参数，分析了流场和浓度分布情况。

作者贡献说明
Balaram Bhakta, Kundu：写作——审阅与编辑、验证、监督、软件开发、研究、概念设计、形式分析、资源提供、可视化。Sujit Saha：写作——初稿撰写、软件开发、方法论、研究、形式分析、数据整理、概念设计。

利益冲突声明
我们确认不存在与本出版物相关的已知利益冲突，也不存在可能影响研究结果的重大资金支持。我们保证所有列出的作者均已阅读并批准了手稿内容，没有其他符合作者资格但未被列入的人士。同时，所有作者都同意手稿中列出的作者顺序。

我们已仔细考虑了所有相关因素。