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高效可持续的海水淡化技术需求迫切，本研究提出光伏-氧化还原流膜蒸馏（PV-RFD）耦合系统，通过太阳能直接驱动电化学脱盐过程。实验表明，在1000 W/m2光照下，系统盐去除率达0.40 mg/cm2·min，成功将海水导电率从54 mS/cm降至0.16 mS/cm，成本为12.77元/立方米，实现自主运行与循环再生。
作者：Chong Wang、Zhihan Deng、Wei Shan、Wenning Gao、Yao Wang、Xiaoyun Yang、Lu Guo、Shankar Prabhakaran、Karthick Ramalingam、Fuming Chen
单位：云南大学工程学院，中国昆明650091
摘要
全球水资源短缺迫切需要开发高效、可持续且成本效益高的海水淡化技术。传统方法通常能耗高且依赖电网电力。为应对这些挑战，我们提出并研究了一种新型自供电海水淡化系统，该系统将光伏（PV）模块直接与氧化还原流式淡化器（PV-RFD）耦合。该集成系统利用光伏面板捕获的太阳能驱动RFD内的电化学淡化过程。RFD采用浸没在循环[Fe(CN)63?/[Fe(CN)64?]氧化还原电解质中的石墨电极，电解质位于中央双通道盐流路径两侧，中间由离子交换膜隔开。在模拟单太阳条件下（1000 W m?2），光伏面板向RFD提供约100 mA的光电流，从实际海水中实现了0.40 mg cm?2 min-1的显著平均盐去除率（初始电导率约为54 mS cm?1）。该系统成功将电导率降低到0.16 mS cm?1，远低于淡水标准（1 mS cm?1）。重要的是，PV-RFD系统可自主运行，无需外部电源，并在多次循环中表现出优异的稳定性和可重复使用性。其简单的架构便于维护，为海水淡化和微咸水处理提供了一种环保且潜在低成本的解决方案（估计运行成本为12.77元/m3），有助于实现可持续的水资源管理。
引言
获得清洁饮用水对人类健康、经济发展和环境可持续性至关重要[1]、[2]、[3]。然而，人口增长、城市化、工业化和气候变化等因素加剧了全球淡水短缺问题，目前数十亿人面临水资源压力[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。海水淡化是通过去除海水或微咸水中的盐分来增加淡水供应的关键策略[6]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。传统的海水淡化方法（如反渗透、多效蒸馏等）能耗较高，制造和维护成本也较高，从而限制了其普及程度[6]、[15]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。此外，相关的资本和运营成本可能使其在资源有限的地区难以应用[18]、[24]。
电化学淡化方法作为一种有前景的替代方案，相比热力或压力驱动过程具有更高的能源效率和环境兼容性[25]、[26]、[27]、[28]。例如电容去离子化（CDI）[29]、流动电极电容去离子化（FCDI）[30]、[31]和氧化还原流式淡化（RFD）[26]、[32]、[33]、[34]、[35]等技术，利用电场或电化学反应选择性去除离子[36]。这些技术专注于从海水和微咸水中选择性去除溶解离子和杂质，同时比传统方法降低能耗[37]。其中，RFD因其高盐去除能力、连续运行能力和适用于高盐度水体处理而特别具有吸引力[26]、[38]、[39]。RFD通常通过使氧化还原活性物质在电极周围循环来驱动离子通过离子交换膜传输，将咸水分离为淡水和浓缩液[40]、[41]。一些最新研究探索了将光电电极直接集成到RFD结构中[42]，但这些方法可能面临稳定性和效率方面的挑战。
为解决能源问题并减少淡化过程的碳足迹，将这些技术与可再生能源结合至关重要[19]。虽然将太阳能光伏（PV）或风能等可再生能源与海水淡化结合在概念上很有吸引力[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]，但现有实现方式往往涉及复杂的电力管理系统，导致平准化水成本（LCOW）仍高于传统化石燃料驱动的工厂（例如，PV-RO的LCOW估计可能显著高于传统方法[18]、[49]，主要是由于资本成本和系统复杂性[49]、[50]、[51]、[52]、[53]）。目前全球只有少量海水淡化能力利用了可再生能源[50]、[54]。为了促进清洁能源与海水淡化的结合，许多研究工作致力于这一领域。例如，Nam等人将硅太阳能电池直接与电渗析系统耦合，使用TEMPOL/氧化TEMPOL氧化还原对，在低压下成功将海水（0.6 M）分离为淡水和1.2 M盐水[55]。类似地，Mohandass等人使用水性染料敏化太阳能电池为含碘化物/三碘化物电解质的氧化还原流式淡化系统供电，实现了连续低电压下的微咸水淡化[56]。然而，现有研究主要集中在将能源源集成到淡化装置本身。即使使用了太阳能，辅助设备（如水泵）仍常常依赖外部电源，这限制了这些系统在淡水短缺的偏远离网地区的应用。
本研究旨在开发更简单、自给自足且潜在成本更低的太阳能淡化系统。我们提出了一种新型方法：直接耦合的光伏-氧化还原流式淡化器（PV-RFD）系统，并通过实验验证了其有效性。通过消除外部电源和复杂的电力调节电子设备，该设计直接利用标准光伏模块提供的太阳能来驱动RFD的电化学过程。本文详细介绍了该集成PV-RFD系统的设计、制造和性能评估，研究了其在不同条件下的淡化效果（辐照度、进料盐度、氧化还原电解质浓度），评估了其运行稳定性，并评估了其以具有竞争力成本（估计为12.77元/m3）生产淡水的潜力，为可持续和可获得的淡化提供了有希望的途径。
材料
本研究使用了多晶硅光伏面板（60 mm × 60 mm，额定电压5.5 V 80 mA；宁波艾克新能源有限公司）。虽然更高规格的电池（5.5 V 110 mA）也能为设备供电，但选择这种特定型号是为了最小化系统成本。此外，该设备与多种电源具有很强的兼容性。例如，如果泵送系统独立供电，也可以使用其他低电压、高电流的太阳能电池。
基线PV-RFD淡化性能
在本节中，PV-RFD在固定浓度的氧化还原对([Fe(CN)63?/[Fe(CN)64?]（0.12 mol L?1）下进行了性能测试，并在1440 W m?2的光照强度下进行了淡化性能测试，如图4所示。光电流从初始的145.9 mA逐渐降至7.02 mA，相应的淡化溶液盐浓度从初始的10,000 ppm降至8.96 ppm。如图4(b)所示，盐度...
结论
本研究成功设计、制造并实验验证了一种自供电的直接耦合光伏-氧化还原流式淡化（PV-RFD）系统。通过将标准光伏模块与利用[Fe(CN)63?/4-氧化还原对的四腔RFD直接集成，我们展示了仅依靠太阳能高效生成淡水的能力，无需外部电源或复杂的能源管理。在最佳条件下（0.12 M氧化还原电解质，约1000 W m?2
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本项目得到了中央地方科技发展指导基金（202507AC040007）、云南省振兴人才支持计划、云南省自然科学基金（项目编号202401AT070431）、国家自然科学基金（22308304）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515140065、2024A1515010924）的支持。
