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燃料电池:污水产生电能和海水淡化技术

2009/12/21/10:12 来源:资源网

    慧聪水工业网:一种装置能够净化污水,同时能够产生电能,并且会将海水或者咸水中的盐份除去90%,这是来自美国和中国合作研究小组的最新成果。

    用于饮用、清洗和工业用途的清洁水,在世界上的一些地区越来越成为稀缺资源。未来清洁水的获得将会更加困难。世界上很多地区正在使用反渗透膜技术,或者电渗析技术来进行海水或者咸水的淡化,以生成清洁饮用水。反渗透膜技术是一种在高压下,使水分子通过一种极细的薄膜,而盐份却被薄膜滤除的技术。电渗析技术是用电将水中的盐离子从水中除去,该方法也使用一种薄膜技术。目前,这两种方法都需要消耗很大的能量。

    “海水淡化,不需要利用高压或者电能也能实现,主要是使用一种有机物作为燃料,来对海水进行淡化。”该研究报告在美国的《环境科学和技术》杂志上可以看到。“该项技术最大的成功之处在于,目前的海水淡化技术需要要消耗很多的电能,而使用微生物电池来淡化海水,我们不仅能够得到淡化的海水,同时,在将有机物从污物中去除的过程中,我们能够得到电能。”美国宾西法尼亚大学的布鲁斯·龙格(BruceLogan)教授说。

    研究小组改进了一种细菌燃料电池,这是一种使用自然发生的细菌,将污水净化为清洁水,并且产生电能的装置,该装置也能够淡化海水或者咸水。

    “我们的主要目的是为了展示,使用细菌我们能够产生足够的电流来进行海水或者咸水的淡化”龙格说:“然而,大约需要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,目前该系统还不能够进行推广,因为这种效率太低了,然而,这却是人们在海水或者咸水淡化方面理念或者观念方面的更新。”

    一个典型的细菌燃料电池由两个极区组成,一个极区充满了污水或者其它营养物质,另一个极区则充满了水,每一个极区都有一个电极,污水中自然产生的细菌会吞噬和消耗掉那些有机物,同时产生电能。

    研究人员通过增加第三个极区,来对传统的细菌燃料电池进行改造,就是在已经存在的两极区之间加入一个极区,并且放置一种具有离子选择功能的过滤膜,这种薄膜要么只允许阳离子通过,或者只允许阴离子通过,而不能让两种离子同时通过。这种薄膜置于中间那个极区的正负极之间,将要被淡化的海水或者咸水被置于中间那个极区。

    海水中每升含有35克的盐,而咸水每升中的含盐量为5克,盐不仅能够溶解在水中,而且还能离解为阴离子和阳离子,当电池中的细菌从污水中呑噬和消耗有机废物的时候,它会向水中释放一种带电离子,这是一种质子(即正电荷),这种正电荷不能通过选择性过滤膜,所以阴离子必须从咸水海水极区向污水极区移动。在另一个电极,正电荷被消耗,所以带正电荷的离子从咸水或者海水区域向电极区移动。在这个过程中,中间那个极区的海水或者咸水被逐渐淡化。

    与传统的细菌燃料电池相比,海水淡化电池释放离子进入外层极区,这样提高了电能产生的效率。

    “当我们试图使用细菌燃料电池也产生电能的时候,污水的传导性能非常低”龙格说:“如果我们能够进入盐,情况就会大为改观,其实我们根本不用去特意加盐,因为海水或者咸水到处都有,我们可以利用这个过程来额外地淡化海水,净化污水,并且将污水中的污物去除,将所得到的盐份归还到大海。”

    由于水中的盐份有助于电池产生电能,当中间极区的盐份变得越来越小,溶液的电导度也会降低,海水淡化速度和电能的产生速度都会变小,这是为什么只能去除海水或者咸水中90%的盐份,而不是全部去除的原因。然而,如果海水的盐份去除90%,那么我们可以得到每升含盐度为3.5克的咸水,这种水的咸度已经相当淡了,而人们可以接受的有咸味的水的含盐度为每升0.5克。

    目前,这种电池设计的一个问题在于,随着一个电极正电荷的发生,和在另一极负电的消耗,极区逐渐变得越来越酸化或者碱化。当电池的水被释放的时候,两个极区的溶液如果能够充分混合,将会产生中性的、带有咸味的水,所以,当被净化后的污水再被倾倒入咸水或者海水中的时候,电极区内产生的酸性或者碱性不会对环境产生影响。

    在这个试验中,研究者在某一时间段使用了PH缓冲来避免酸碱性问题,但是如果要生产很大数量的淡化水,这个问题还是需要考虑的。

    沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王大学(KingAbdullahUniversityofScienceandTechnology,

    SaudiArabia)和中华人民共和国科学技术部也参加和支持了这项研究。














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