清华与美国大学合作研究用微生物脱盐电池把咸水淡化
2014-05-13 19:17:00
admin
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据生物通2009年8月17日讯 来自Eurekalert的消息，中国和美国的科学家组成的一个国际研究团队利用一个净化污水并发电的过程可以去除咸水或海水中90%的盐。这一研究成果公布在《环境科学与技术》杂志上。
在世界的一些地方，用于饮用、洗涤和工业用途的清洁的水是稀缺的资源。它在未来的可用性将面临更大的问题。许多地方已经用逆渗透过程（在高压下让水通过只能让水但不能让盐通过的膜）或电渗析过程（借助电力用膜把盐离子从水中分离）为水脱盐。这些方法都需要大量的能源。
“通过使用一种有机物来源作为淡化水的燃料，水脱盐可以在不需要电能输入或高压的情况下实现”，“它的吸引人之处在于目前淡化水需要大量的电能，而利用微生物脱盐电池，我们确实能够在从污水中去除有机物的同时淡化水并发电，”宾夕法尼亚州立大学Kappe教席环境工程教授Bruce Logan说。
该研究组修改了一种微生物燃料电池——这是一种使用自然出现的细菌把污水转换净水同时产生电能的装置——从而让它可以把咸水淡化。
“我们的主要目的是证明我们可以使用细菌制造足够的电流从而实现它，”Logan说。“然而，需要用200毫升人工污水——含乙酸的水——才能为3毫升咸水脱盐。这目前还不是一个实用的系统，因为它不够优化，但是这验证了概念。”
一个典型的微生物燃料电池由两个腔组成，其中一个装填污水或其他营养物质，而另一个装水，每个腔都有一个电极。污水里的自然产生的细菌消耗有机物并产生电能。
这组科学家还包括北京清华大学的Xiaoxin Cao、Xia Huang、Peng Liang、Kang Xiao、Yinjun Zhou 和Xiaoyuan Zhang，他们在两个现有的腔中间加入了第三个腔，并且在中心腔和正负电极之间放入了对某些离子具有特异性的膜（这些膜允许正离子或负离子通过，但是不允许这两种离子都通过），从而改变了这种微生物燃料电池。将要进行淡化的咸水放在中心腔内。
每升海水含有大约35克盐，而每升咸水含有5克盐。盐在水中不仅会溶解，它还离解成为正负离子。当这种电池中的细菌消耗污水的时候，它会向水中放出带电离子——质子。这些质子无法穿过这种阴离子膜，因此阴离子从咸水中运动到了污水腔。质子在另一个电极上被消耗，因此带正电的离子从咸水中运动到了另一个电极腔，把中间腔的水淡化。
这种脱盐水电池把离子释放到了外围腔中，与微生物燃料电池相比，它帮助改善了发电的效率。
“当我们设法使用微生物燃料电池发电的时候，污水的导电率非常低，”Logan说。“如果我们可以加入盐，它就能工作得更好。然而，与仅仅加入盐不同，在咸水或海水丰富的地方，我们可以使用这个过程额外地进行咸水淡化，清洁污水并把它排放，而让盐重新回到海洋。
由于水中的盐帮助这种电池发电，随着中央腔的盐度下降，导电率下降，而发电量也下降，这就是只能去除90%的盐的原因。然而，海水中减少90%的盐将产生含有每升3.5克盐的水，这比咸水的盐度更低。每升咸水将只含有0.5克盐。
目前的电池的另一个问题在于随着在一个电极产生质子而在另一个电极消耗质子，这些腔将变得具有更强的酸性和碱性。当排放的时候把来自这两个腔的水混合起来，将重新产生中性的咸水，因此，如果净化的污水被排入了咸水或海水中，这种酸和碱就不是一个环境问题。然而，让这种电池运行的细菌可能在面临在高度酸性环境下生存的问题。
为了这个实验，这组科学家定期加入pH缓冲液，从而避免这个酸性问题，但是如果要让这个系统制造合理数量的淡化水，就需要考虑到这个问题。