美國科學(xué)家開(kāi)發(fā)出微生物逆向電滲析電池利用廢水發(fā)電
2014-04-18 18:53:42
admin
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據科技日報網(wǎng)2012年3月4日訊 據英國《自然》雜志網(wǎng)站3月1日報道，美國科學(xué)家結合兩種可再生能源技術(shù)開(kāi)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設施的運行。
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)能轉化為可使用的電能并凈水。MFC使用微生物群來(lái)分解和氧化有機物，此過(guò)程會(huì )釋放出向陽(yáng)極移動(dòng)的電子。與此同時(shí)，水中的氫離子會(huì )通過(guò)質(zhì)子交換膜并進(jìn)入獨立的陰極區。電子通過(guò)一個(gè)電路從陽(yáng)極被吸引到陰極，從而產(chǎn)生電流。氫離子也與周?chē)难跸嘟Y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(lái)發(fā)電）的技術(shù)當“幫手”。使用RED技術(shù)時(shí)，兩種不同來(lái)源的水被泵壓通過(guò)一對膜，這對膜與帶相反電荷的電極相連，會(huì )讓正負電荷分別朝不同的方向行進(jìn)，當離子朝它們各自的電極移動(dòng)時(shí)，就會(huì )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(cháng)而研發(fā)的新系統名為微生物逆向電滲析電池，該系統包含一個(gè)由幾對膜組成的RED堆，其位于一個(gè)MFC的陰極和陽(yáng)極室之間，質(zhì)子交換膜也位于MFC上。來(lái)自于這兩個(gè)系統的液流被分開(kāi)，獨立操作但一起提高能量密度：RED堆會(huì )增加MFC的電流，與此同時(shí)，MFC電極之間的電壓能使RED堆使用更少的膜進(jìn)行操作。
這一系統能運轉的一個(gè)關(guān)鍵是在RED堆中用碳酸氫銨溶液代替海水。這會(huì )提高能量密度，碳酸氫銨也能在堆內再生，使該堆成為一個(gè)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(chǎn)生電能0.94千瓦時(shí)，而傳統的廢水處理方法處理每立方米水會(huì )消耗約1.2千瓦時(shí)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?！绷_根說(shuō)。
加州大學(xué)伯克利傳感器和執行器中心的聯(lián)合主任林立偉（音譯）表示，新系統也存在一個(gè)缺陷，有證據表明，一些氮氣會(huì )從RED堆進(jìn)入MFC的陽(yáng)極室內，這會(huì )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(guò)在與陽(yáng)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(gè)方向通過(guò)從而預防氮氣回流到陽(yáng)極室的雙極膜，可以解決氮氣越界的問(wèn)題。