美國科學家開發出微生物逆向電滲析電池利用廢水發電
2014-04-18 18:53:42
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據科技日報網2012年3月4日訊 據英國《自然》雜志網站3月1日報道，美國科學家結合兩種可再生能源技術開發出一種新技術微生物逆向電滲析電池（MRC）。該技術不僅能凈化廢水，又能利用廢水發電。相關研究發表在3月2日出版的《科學》雜志上。
該研究的領導者、賓夕法尼亞州立大學氫能中心和工程能源與環境研究所主任布魯斯·羅根表示，廢水中蘊含有大量以有機物形式存在的能量。生活廢水包含的化學能源是處理它們所需能量的10倍。生活廢水加上家畜和食品生產產生的廢水中蘊含的能量幾乎足以維持全美水利基礎設施的運行。
新方法使用的一種技術是微生物燃料電池（MFC），其能將廢水中的化學能轉化為可使用的電能并凈水。MFC使用微生物群來分解和氧化有機物，此過程會釋放出向陽極移動的電子。與此同時，水中的氫離子會通過質子交換膜并進入獨立的陰極區。電子通過一個電路從陽極被吸引到陰極，從而產生電流。氫離子也與周圍的氧相結合，形成清潔的水。
為獲得更高的能量密度，羅根團隊使用了另一種名為逆向電滲析（RED，使用清潔水和海水之間的鹽度梯度來發電）的技術當“幫手”。使用RED技術時，兩種不同來源的水被泵壓通過一對膜，這對膜與帶相反電荷的電極相連，會讓正負電荷分別朝不同的方向行進，當離子朝它們各自的電極移動時，就會產生電流。但這一方法需要使用很多膜，因此成本很高。
羅根團隊集合上述兩者之長而研發的新系統名為微生物逆向電滲析電池，該系統包含一個由幾對膜組成的RED堆，其位于一個MFC的陰極和陽極室之間，質子交換膜也位于MFC上。來自于這兩個系統的液流被分開，獨立操作但一起提高能量密度：RED堆會增加MFC的電流，與此同時，MFC電極之間的電壓能使RED堆使用更少的膜進行操作。
這一系統能運轉的一個關鍵是在RED堆中用碳酸氫銨溶液代替海水。這會提高能量密度，碳酸氫銨也能在堆內再生，使該堆成為一個封閉系統。新系統已被證明能獲得每平方米3瓦的*大能量密度。新系統每立方米有機水能產生電能0.94千瓦時，而傳統的廢水處理方法處理每立方米水會消耗約1.2千瓦時的電能。“*新方法不僅讓我們獲得更多能量，也讓我們能更快更好地凈化廢水。”羅根說。
加州大學伯克利傳感器和執行器中心的聯合主任林立偉（音譯）表示，新系統也存在一個缺陷，有證據表明，一些氮氣會從RED堆進入MFC的陽極室內，這會消耗碳酸氫銨的供應；而且，廢水中的污物也可能堆積在膜上并堵塞RED堆。羅根解釋道，使用碳酸氫銨溶液能避免污物堆積在與微生物室毗鄰的膜上；另外，通過在與陽極*近的膜堆內使用更低濃度的離子溶液或使用僅允許離子在一個方向通過從而預防氮氣回流到陽極室的雙極膜，可以解決氮氣越界的問題。