清華與美國(guó)大學(xué)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(jù)生物通2009年8月17日訊 來自Eurekalert的消息，中國(guó)和美國(guó)的科學(xué)家組成的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用一個(gè)凈化污水并發(fā)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(huán)境科學(xué)與技術(shù)》雜志上。
在世界的一些地方，用于飲用、洗滌和工業(yè)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(jīng)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(jī)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(shí)現(xiàn)”，“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(shí)能夠在從污水中去除有機(jī)物的同時(shí)淡化水并發(fā)電，”賓夕法尼亞州立大學(xué)Kappe教席環(huán)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(xiàn)的細(xì)菌把污水轉(zhuǎn)換凈水同時(shí)產(chǎn)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(xì)菌制造足夠的電流從而實(shí)現(xiàn)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(gè)實(shí)用的系統(tǒng)，因?yàn)樗粔騼?yōu)化，但是這驗(yàn)證了概念。”
一個(gè)典型的微生物燃料電池由兩個(gè)腔組成，其中一個(gè)裝填污水或其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而另一個(gè)裝水，每個(gè)腔都有一個(gè)電極。污水里的自然產(chǎn)生的細(xì)菌消耗有機(jī)物并產(chǎn)生電能。
這組科學(xué)家還包括北京清華大學(xué)的Xiaoxin Cao、Xia Huang、Peng Liang、Kang Xiao、Yinjun Zhou 和Xiaoyuan Zhang，他們?cè)趦蓚€(gè)現(xiàn)有的腔中間加入了第三個(gè)腔，并且在中心腔和正負(fù)電極之間放入了對(duì)某些離子具有特異性的膜（這些膜允許正離子或負(fù)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(jìn)行淡化的咸水放在中心腔內(nèi)。
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(huì)溶解，它還離解成為正負(fù)離子。當(dāng)這種電池中的細(xì)菌消耗污水的時(shí)候，它會(huì)向水中放出帶電離子——質(zhì)子。這些質(zhì)子無法穿過這種陰離子膜，因此陰離子從咸水中運(yùn)動(dòng)到了污水腔。質(zhì)子在另一個(gè)電極上被消耗，因此帶正電的離子從咸水中運(yùn)動(dòng)到了另一個(gè)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(fā)電的效率。
“當(dāng)我們?cè)O(shè)法使用微生物燃料電池發(fā)電的時(shí)候，污水的導(dǎo)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(gè)過程額外地進(jìn)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(fā)電，隨著中央腔的鹽度下降，導(dǎo)電率下降，而發(fā)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(chǎn)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(gè)問題在于隨著在一個(gè)電極產(chǎn)生質(zhì)子而在另一個(gè)電極消耗質(zhì)子，這些腔將變得具有更強(qiáng)的酸性和堿性。當(dāng)排放的時(shí)候把來自這兩個(gè)腔的水混合起來，將重新產(chǎn)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(gè)環(huán)境問題。然而，讓這種電池運(yùn)行的細(xì)菌可能在面臨在高度酸性環(huán)境下生存的問題。
為了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，這組科學(xué)家定期加入pH緩沖液，從而避免這個(gè)酸性問題，但是如果要讓這個(gè)系統(tǒng)制造合理數(shù)量的淡化水，就需要考慮到這個(gè)問題。