據美國麻省理工學院一支機械工程師小組表示，河流與海洋交匯處就存在開發大量可再生能源的潛力。研究人員評估了這個名為壓力滲透(PRO)的能量產生新方法，也就是兩條具有不同鹽濃度的水流相混合以產生能量。原則上來說，一個PRO系統將在一個半滲透性的膜兩邊吸收河水和海水。通過滲透，鹽度較低的一邊水流將穿透膜到達事先增壓、鹽度更高的一邊，這創造了液體的流動，后者穿過渦輪機可以產生能量。

美國麻省理工學院的研究小組已經建立了一個模型評估較大PRO系統的性能和最優維度。整體來說，研究人員發現系統的膜越大，產生的能量越多——但也有一定的極限。有趣的是，只要通過最大隔膜面積的一半甚至更少就能獲得一個系統最大能量產出的95%。

美國麻省理工學院機械工程學院研究生李奧納多·本奇克(Leonardo Banchik)表示，減少產生能量所需的膜的大小將降低建造PRO工廠的大部分預付成本。“人們試圖查明這些系統在河流和海洋交匯處是否是可行的，” 本奇克說道。“如果你能夠確定合適的隔膜面積，也即超過這個特定面積回報將急劇減少，你就可以節省不必要的開支。”

本奇克和他的同事還根據兩條水流的鹽濃度估計了產生能量的最大值：鹽濃度比率越大，產生的能量越高。例如，他們發現鹵水——海水淡化的副產品——和處理過的廢水的混合物產生的能量是海水和河水混合物產生的兩倍。

基于他的計算，本奇克表示一個PRO系統潛在的可以為沿海綜合污水處理廠提供能量，這主要是通過吸收海水并將它與被治理的廢水相結合以產生可再生能量來實現。

“例如在波士頓港鹿島污水處理廠，這里廢水與海洋交匯…理論上來說PRO系統可以為整個廢水治理提供所需的能量。” 本奇克說道。他與麻省理工學院阿卜杜勒·拉蒂夫·賈米爾水和食物實驗室的約翰·林哈德(John Lienhard)教授，以及沙特阿拉伯法赫德國王石油礦業大學的穆斯塔法·沙恰伊(Mostafa Sharqawy)合作進行的這項研究被發表在期刊《膜科學》上。

尋找自然的均衡

研究小組將它的模型基于一個簡單的PRO系統上，系統里的一個巨大半滲透性膜將一個長方形水箱一分為二。水箱一邊會吸收受壓的咸海水，而另一邊則吸收河水或者廢水。通過滲透作用，水能夠通過膜，但鹽不能。結果淡水穿透膜以平衡鹽度較高的一邊。“自然總希望實現兩條水流之間的平衡。” 本奇克解釋道。

隨著淡水進入鹽度較高的一邊，它不斷受壓同時增加了膜鹽度較高一邊的水流速率。隨著這種受壓混合物離開水箱，渦輪機從這些水流里獲得了能量。本奇克表示雖然其他人可能已經對PRO系統的能量潛力進行了建模，但這些模型只針對實驗室規模的系統有效，這種系統只能包含優惠券大小的膜。這樣的模型假定膜一邊的鹽度和進來的水流是恒定的，考慮到這樣穩定的狀態，這些模型預測了一種線性關系：膜越大，產生的能量越多。

但當水流進入一個大至發電廠的系統里時，水流的鹽度和流量將發生自然的變化。為了解釋這種變異性，本奇克和同事基于熱交換器的比喻建立了一個模型。“就像你汽車里的散熱器會在空氣和冷卻劑之間交換熱量一樣，這個系統也會通過膜交換質量或者水，” 本奇克說道。“文獻里提到了一種對熱交換器進行定型的方法，我們借用了那個方法。”

研究人員提出的模型使得他們能夠分析膜的大小、滲透率和流動速率等參數的一系列數值。借助這個模型，他們觀察到大型系統里能量和膜大小之間的非線性關系。相反，隨著膜區域大小的增加，產生的能量會到達一個極限點，之后產生的能量就趨于平穩。雖然對于一個特定大小的膜而言，一個系統是能夠產生能量最大值，但這個系統只需要利用這個膜的一半大小就可以產生最大能量的95%。

即便如此，如果PRO系統被用于為波士頓鹿島污水處理廠供應能量，這個處理廠的膜將異常巨大——至少250萬平方米，本奇克表示這將成為世界上最大的操作反滲透裝置的隔膜面積。

“即使這看起來很多，但聰明的人將知道如何將這些膜壓縮成小容量。例如，有些可以是螺旋散繞的，也就是平板像衛生紙一樣繞著中央管道卷起來。這些模塊的布置究竟應該是怎么樣的，目前仍有很多地方值得研究。”

“假設我們身處一個可以使用淡化水的地區，例如加州，在那里常常經歷可怕的干旱。目前加州正在臨近海邊地區建造一個海水淡化裝置，這個裝置將吸收海水并轉化為淡水供加州人民飲用。它將會產生更咸的鹵水，你可以將它與廢水相結合產生能量。目前仍需要進行很多研究調查這一方案的經濟可行性，但它背后的科學原理是可靠的。”國家科學基金會和法赫德國王石油礦業大學經清潔水和清潔能源中心對這項研究提供了資金支持。