“細菌燃料電池海水淡化”不僅降低能源消耗且可發電
2014-05-11 19:21:23
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據資源網2009年12月17日訊 一種裝置能夠凈化污水，同時能夠產生電能，并且會將海水或者咸水中的鹽份除去90%，這是來自美國和中國合作研究小組的*新成果。
用于飲用、清洗和工業用途的清潔水，在世界上的一些地區越來越成為稀缺資源。未來清潔水的獲得將會更加困難。世界上很多地區正在使用反滲透膜技術，或者電滲析技術來進行海水或者咸水的淡化，以生成清潔飲用水。反滲透膜技術是一種在高壓下，使水分子通過一種極細的薄膜，而鹽份卻被薄膜濾除的技術。電滲析技術是用電將水中的鹽離子從水中除去，該方法也使用一種薄膜技術。目前，這兩種方法都需要消耗很大的能量。
“海水淡化，不需要利用高壓或者電能也能實現，主要是使用一種有機物作為燃料，來對海水進行淡化。”該研究報告在美國的《環境科學和技術》雜志上可以看到。“該項技術*大的成功之處在于，目前的海水淡化技術需要要消耗很多的電能，而使用微生物電池來淡化海水，我們不僅能夠得到淡化的海水，同時，在將有機物從污物中去除的過程中，我們能夠得到電能。”美國賓西法尼亞大學的布魯斯·龍格（Bruce Logan）教授說。
研究小組改進了一種細菌燃料電池，這是一種使用自然發生的細菌，將污水凈化為清潔水，并且產生電能的裝置，該裝置也能夠淡化海水或者咸水。
“我們的主要目的是為了展示，使用細菌我們能夠產生足夠的電流來進行海水或者咸水的淡化”龍格說：“然而，大約需要200毫升的人造污水，主要是乙酸水溶液，才能淡化3毫升的咸水或者海水，目前該系統還不能夠進行推廣，因為這種效率太低了，然而，這卻是人們在海水或者咸水淡化方面理念或者觀念方面的更新。”
一個典型的細菌燃料電池由兩個極區組成，一個極區充滿了污水或者其它營養物質，另一個極區則充滿了水，每一個極區都有一個電極，污水中自然產生的細菌會吞噬和消耗掉那些有機物，同時產生電能。
研究人員通過增加第三個極區，來對傳統的細菌燃料電池進行改造，就是在已經存在的兩極區之間加入一個極區，并且放置一種具有離子選擇功能的過濾膜，這種薄膜要么只允許陽離子通過，或者只允許陰離子通過，而不能讓兩種離子同時通過。這種薄膜置于中間那個極區的正負極之間，將要被淡化的海水或者咸水被置于中間那個極區。
海水中每升含有35克的鹽，而咸水每升中的含鹽量為5克，鹽不僅能夠溶解在水中，而且還能離解為陰離子和陽離子，當電池中的細菌從污水中呑噬和消耗有機廢物的時候，它會向水中釋放一種帶電離子，這是一種質子（即正電荷），這種正電荷不能通過選擇性過濾膜，所以陰離子必須從咸水海水極區向污水極區移動。在另一個電極，正電荷被消耗，所以帶正電荷的離子從咸水或者海水區域向電極區移動。在這個過程中，中間那個極區的海水或者咸水被逐漸淡化。
與傳統的細菌燃料電池相比，海水淡化電池釋放離子進入外層極區，這樣提高了電能產生的效率。
“當我們試圖使用細菌燃料電池也產生電能的時候，污水的傳導性能非常低”龍格說：“如果我們能夠進入鹽，情況就會大為改觀，其實我們根本不用去特意加鹽，因為海水或者咸水到處都有，我們可以利用這個過程來額外地淡化海水，凈化污水，并且將污水中的污物去除，將所得到的鹽份歸還到大海。”
由于水中的鹽份有助于電池產生電能，當中間極區的鹽份變得越來越小，溶液的電導度也會降低，海水淡化速度和電能的產生速度都會變小，這是為什么只能去除海水或者咸水中90%的鹽份，而不是全部去除的原因。然而，如果海水的鹽份去除90%，那么我們可以得到每升含鹽度為3.5克的咸水，這種水的咸度已經相當淡了，而人們可以接受的有咸味的水的含鹽度為每升0.5克。
目前，這種電池設計的一個問題在于，隨著一個電極正電荷的發生，和在另一極負電的消耗，極區逐漸變得越來越酸化或者堿化。當電池的水被釋放的時候，兩個極區的溶液如果能夠充分混合，將會產生中性的、帶有咸味的水，所以，當被凈化后的污水再被傾倒入咸水或者海水中的時候，電極區內產生的酸性或者堿性不會對環境產生影響。
在這個試驗中，研究者在某一時間段使用了pH緩沖來避免酸堿性問題，但是如果要生產很大數量的淡化水，這個問題還是需要考慮的。
沙特阿拉伯的阿卜杜拉國王大學（King Abdullah University of Science and Technology, Saudi Arabia）和中國科學技術部也參加和支持了這項研究。