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美开发出两用微生物电池 净化废水同时可发电
- 时间：2013-09-05 11:41
- 来源：节能科技网
据英国《自然》杂志网站报道，美国科学家结合两种可再生能源技术开发出一种新技术——微生物逆向电渗析电池（MRC）。该技术不仅能净化废水，又能利用废水发电。相关研究发表在3月2日出版的《科学》杂志上。
该研究的领导者、宾夕法尼亚州立大学氢能中心和工程能源与环境研究所主任布鲁斯·罗根表示，废水中蕴含有大量以有机物形式存在的能量。生活废水包含的化学能源是处理它们所需能量的10倍。生活废水加上家畜和食品生产产生的废水中蕴含的能量几乎足以维持全美水利基础设施的运行。
新方法使用的一种技术是微生物燃料电池（MFC），其能将废水中的化学能转化为可使用的电能并净水。MFC使用微生物群来分解和氧化有机物，此过程会释放出向阳极移动的电子。与此同时，水中的氢离子会通过质子交换膜并进入独立的阴极区。电子通过一个电路从阳极被吸引到阴极，从而产生电流。氢离子也与周围的氧相结合，形成清洁的水。
为获得更高的能量密度，罗根团队使用了另一种名为逆向电渗析（RED，使用清洁水和海水之间的盐度梯度来发电）的技术当“帮手”。使用RED技术时，两种不同来源的水被泵压通过一对膜，这对膜与带相反电荷的电极相连，会让正负电荷分别朝不同的方向行进，当离子朝它们各自的电极移动时，就会产生电流。但这一方法需要使用很多膜，因此成本很高。
罗根团队集合上述两者之长而研发的新系统名为微生物逆向电渗析电池，该系统包含一个由几对膜组成的RED堆，其位于一个MFC的阴极和阳极室之间，质子交换膜也位于MFC上。来自于这两个系统的液流被分开，独立操作但一起提高能量密度：RED堆会增加MFC的电流，与此同时，MFC电极之间的电压能使RED堆使用更少的膜进行操作。
这一系统能运转的一个关键是在RED堆中用碳酸氢铵溶液代替海水。这会提高能量密度，碳酸氢铵也能在堆内再生，使该堆成为一个封闭系统。新系统已被证明能获得每平方米3瓦的最大能量密度。新系统每立方米有机水能产生电能0.94千瓦时，而传统的废水处理方法处理每立方米水会消耗约1.2千瓦时的电能。“最新方法不仅让我们获得更多能量，也让我们能更快更好地净化废水。”罗根说。
加州大学伯克利传感器和执行器中心的联合主任林立伟（音译）表示，新系统也存在一个缺陷，有证据表明，一些氮气会从RED堆进入MFC的阳极室内，这会消耗碳酸氢铵的供应；而且，废水中的污物也可能堆积在膜上并堵塞RED堆。罗根解释道，使用碳酸氢铵溶液能避免污物堆积在与微生物室毗邻的膜上；另外，通过在与阳极最近的膜堆内使用更低浓度的离子溶液或使用仅允许离子在一个方向通过从而预防氮气回流到阳极室的双极膜，可以解决氮气越界的问题。
该研究的领导者、宾夕法尼亚州立大学氢能中心和工程能源与环境研究所主任布鲁斯·罗根表示，废水中蕴含有大量以有机物形式存在的能量。生活废水包含的化学能源是处理它们所需能量的10倍。生活废水加上家畜和食品生产产生的废水中蕴含的能量几乎足以维持全美水利基础设施的运行。
新方法使用的一种技术是微生物燃料电池（MFC），其能将废水中的化学能转化为可使用的电能并净水。MFC使用微生物群来分解和氧化有机物，此过程会释放出向阳极移动的电子。与此同时，水中的氢离子会通过质子交换膜并进入独立的阴极区。电子通过一个电路从阳极被吸引到阴极，从而产生电流。氢离子也与周围的氧相结合，形成清洁的水。
为获得更高的能量密度，罗根团队使用了另一种名为逆向电渗析（RED，使用清洁水和海水之间的盐度梯度来发电）的技术当“帮手”。使用RED技术时，两种不同来源的水被泵压通过一对膜，这对膜与带相反电荷的电极相连，会让正负电荷分别朝不同的方向行进，当离子朝它们各自的电极移动时，就会产生电流。但这一方法需要使用很多膜，因此成本很高。
罗根团队集合上述两者之长而研发的新系统名为微生物逆向电渗析电池，该系统包含一个由几对膜组成的RED堆，其位于一个MFC的阴极和阳极室之间，质子交换膜也位于MFC上。来自于这两个系统的液流被分开，独立操作但一起提高能量密度：RED堆会增加MFC的电流，与此同时，MFC电极之间的电压能使RED堆使用更少的膜进行操作。
这一系统能运转的一个关键是在RED堆中用碳酸氢铵溶液代替海水。这会提高能量密度，碳酸氢铵也能在堆内再生，使该堆成为一个封闭系统。新系统已被证明能获得每平方米3瓦的最大能量密度。新系统每立方米有机水能产生电能0.94千瓦时，而传统的废水处理方法处理每立方米水会消耗约1.2千瓦时的电能。“最新方法不仅让我们获得更多能量，也让我们能更快更好地净化废水。”罗根说。
加州大学伯克利传感器和执行器中心的联合主任林立伟（音译）表示，新系统也存在一个缺陷，有证据表明，一些氮气会从RED堆进入MFC的阳极室内，这会消耗碳酸氢铵的供应；而且，废水中的污物也可能堆积在膜上并堵塞RED堆。罗根解释道，使用碳酸氢铵溶液能避免污物堆积在与微生物室毗邻的膜上；另外，通过在与阳极最近的膜堆内使用更低浓度的离子溶液或使用仅允许离子在一个方向通过从而预防氮气回流到阳极室的双极膜，可以解决氮气越界的问题。
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