清華與美國大學合作研究用微生物脫鹽電池把咸水淡化
2014-05-13 19:17:00
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據生物通2009年8月17日訊 來自Eurekalert的消息，中國和美國的科學家組成的一個國際研究團隊利用一個凈化污水并發電的過程可以去除咸水或海水中90%的鹽。這一研究成果公布在《環境科學與技術》雜志上。
在世界的一些地方，用于飲用、洗滌和工業用途的清潔的水是稀缺的資源。它在未來的可用性將面臨更大的問題。許多地方已經用逆滲透過程（在高壓下讓水通過只能讓水但不能讓鹽通過的膜）或電滲析過程（借助電力用膜把鹽離子從水中分離）為水脫鹽。這些方法都需要大量的能源。
“通過使用一種有機物來源作為淡化水的燃料，水脫鹽可以在不需要電能輸入或高壓的情況下實現”，“它的吸引人之處在于目前淡化水需要大量的電能，而利用微生物脫鹽電池，我們確實能夠在從污水中去除有機物的同時淡化水并發電，”賓夕法尼亞州立大學Kappe教席環境工程教授Bruce Logan說。
該研究組修改了一種微生物燃料電池——這是一種使用自然出現的細菌把污水轉換凈水同時產生電能的裝置——從而讓它可以把咸水淡化。
“我們的主要目的是證明我們可以使用細菌制造足夠的電流從而實現它，”Logan說。“然而，需要用200毫升人工污水——含乙酸的水——才能為3毫升咸水脫鹽。這目前還不是一個實用的系統，因為它不夠優化，但是這驗證了概念。”
一個典型的微生物燃料電池由兩個腔組成，其中一個裝填污水或其他營養物質，而另一個裝水，每個腔都有一個電極。污水里的自然產生的細菌消耗有機物并產生電能。
這組科學家還包括北京清華大學的Xiaoxin Cao、Xia Huang、Peng Liang、Kang Xiao、Yinjun Zhou 和Xiaoyuan Zhang，他們在兩個現有的腔中間加入了第三個腔，并且在中心腔和正負電極之間放入了對某些離子具有特異性的膜（這些膜允許正離子或負離子通過，但是不允許這兩種離子都通過），從而改變了這種微生物燃料電池。將要進行淡化的咸水放在中心腔內。
每升海水含有大約35克鹽，而每升咸水含有5克鹽。鹽在水中不僅會溶解，它還離解成為正負離子。當這種電池中的細菌消耗污水的時候，它會向水中放出帶電離子——質子。這些質子無法穿過這種陰離子膜，因此陰離子從咸水中運動到了污水腔。質子在另一個電極上被消耗，因此帶正電的離子從咸水中運動到了另一個電極腔，把中間腔的水淡化。
這種脫鹽水電池把離子釋放到了外圍腔中，與微生物燃料電池相比，它幫助改善了發電的效率。
“當我們設法使用微生物燃料電池發電的時候，污水的導電率非常低，”Logan說。“如果我們可以加入鹽，它就能工作得更好。然而，與僅僅加入鹽不同，在咸水或海水豐富的地方，我們可以使用這個過程額外地進行咸水淡化，清潔污水并把它排放，而讓鹽重新回到海洋。
由于水中的鹽幫助這種電池發電，隨著中央腔的鹽度下降，導電率下降，而發電量也下降，這就是只能去除90%的鹽的原因。然而，海水中減少90%的鹽將產生含有每升3.5克鹽的水，這比咸水的鹽度更低。每升咸水將只含有0.5克鹽。
目前的電池的另一個問題在于隨著在一個電極產生質子而在另一個電極消耗質子，這些腔將變得具有更強的酸性和堿性。當排放的時候把來自這兩個腔的水混合起來，將重新產生中性的咸水，因此，如果凈化的污水被排入了咸水或海水中，這種酸和堿就不是一個環境問題。然而，讓這種電池運行的細菌可能在面臨在高度酸性環境下生存的問題。
為了這個實驗，這組科學家定期加入pH緩沖液，從而避免這個酸性問題，但是如果要讓這個系統制造合理數量的淡化水，就需要考慮到這個問題。