美國科學(xué)家開發(fā)出微生物逆向電滲析電池利用廢水發(fā)電
據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站3月1日報道，美國科學(xué)家結(jié)合兩種可再生能源技術(shù)開發(fā)出一種新技術(shù)微生物逆向電滲析電池（MRC）。該技術(shù)不僅能凈化廢水，又能利用廢水發(fā)電。相關(guān)研究發(fā)表在3月2日出版的《科學(xué)》雜志上。
該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、賓夕法尼亞州立大學(xué)氫能中心和工程能源與環(huán)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(xué)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(chǎn)產(chǎn)生的廢水中蘊含的能量幾乎足以維持全美水利基礎(chǔ)設(shè)施的運行。
新方法使用的一種技術(shù)是微生物燃料電池（MFC），其能將廢水中的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(zhì)子交換膜并進入獨立的陰極區(qū)。電子通過一個電路從陽極被吸引到陰極，從而產(chǎn)生電流。氫離子也與周圍的氧相結(jié)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(fā)電）的技術(shù)當(dāng)“幫手”。使用RED技術(shù)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(fù)電荷分別朝不同的方向行進，當(dāng)離子朝它們各自的電極移動時，就會產(chǎn)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(fā)的新系統(tǒng)名為微生物逆向電滲析電池，該系統(tǒng)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(zhì)子交換膜也位于MFC上。來自于這兩個系統(tǒng)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(tǒng)能運轉(zhuǎn)的一個關(guān)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(nèi)再生，使該堆成為一個封閉系統(tǒng)。新系統(tǒng)已被證明能獲得每平方米3瓦的最大能量密度。新系統(tǒng)每立方米有機水能產(chǎn)生電能0.94千瓦時，而傳統(tǒng)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。“最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(xué)伯克利傳感器和執(zhí)行器中心的聯(lián)合主任林立偉（音譯）表示，新系統(tǒng)也存在一個缺陷，有證據(jù)表明，一些氮氣會從RED堆進入MFC的陽極室內(nèi)，這會消耗碳酸氫銨的供應(yīng)；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，通過在與陽極最近的膜堆內(nèi)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(yù)防氮氣回流到陽極室的雙極膜，可以解決氮氣越界的問題。
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