利用生物燃料電池進(jìn)行海水淡化

據(jù)估計(jì),未來(lái)20年內(nèi),人均清潔水供應(yīng)量將平均減少三分之一.海水淡化是從世界多個(gè)地區(qū)的微咸水和海水中生產(chǎn)可飲用水的一種選擇,但大多數(shù)海水淡化技術(shù)高耗能且高費(fèi)用.目前采用的海水淡化技術(shù)主要是反滲透、電滲析和蒸餾.海水淡化過(guò)程的不斷改進(jìn),特別是在過(guò)去的 10年里,已經(jīng)使得這些系統(tǒng)更加可靠,減少資金成本,但高能源需求始終還是在世界許多地方受到關(guān)注.人們愈來(lái)愈關(guān)注開(kāi)發(fā)海水淡化工藝中采用的可再生能源,如太陽(yáng)能及風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的電力.正在開(kāi)發(fā)的新型膜技術(shù)系統(tǒng)通過(guò)使用正向滲透來(lái)減少對(duì)高水壓的需求.然而,所有這些系統(tǒng)都需要熱源或電能輸入.例如反向滲透單位需要3～5kWh/m3來(lái)進(jìn)行海水淡化.

近年來(lái)出現(xiàn)了新的生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES),使用細(xì)菌來(lái)生產(chǎn)電力、氫和甲烷等形式的可再生能源.例如,一種微型燃料電池(MFC)通過(guò)使用細(xì)菌來(lái)分解有機(jī)物并產(chǎn)生電流來(lái)發(fā)電.正在開(kāi)發(fā)的MFCs可以通過(guò)去除水中有機(jī)物來(lái)處理生活廢水和工業(yè)廢水,同時(shí)產(chǎn)生電力.MFCs包括了1個(gè)陽(yáng)極和陰極,有時(shí)采用膜進(jìn)行分隔.在MFCs中已經(jīng)使用的各種膜包括了陽(yáng)離極性膜以及超濾膜.當(dāng)在陽(yáng)極室中的細(xì)菌氧化底物并將電子傳遞到陽(yáng)極時(shí),等量的質(zhì)子被釋放到水中.由于質(zhì)子在中性pH值處濃度低,通過(guò)CEM轉(zhuǎn)移的主要陽(yáng)離子種為為Na+和K+,導(dǎo)致H+在雙缸的MFCs的陽(yáng)極室中累積.當(dāng)使用AEMs的MFCs通常比帶CEMs的MFCs表現(xiàn)出更優(yōu)的性能.穿過(guò)AEM膜遷移的離子種類(lèi)主要是C1-、HCO3

-、FPO42-以及OH-.雖然離子失衡對(duì)MFCs的一般性運(yùn)作不利,但當(dāng)前這種通過(guò)膜進(jìn)行的離子運(yùn)動(dòng)對(duì)于在方式上改變水化學(xué)性提供了一種方法,對(duì)于有效實(shí)現(xiàn)海水淡化非常有用.

梁丹濤 譯自《Environmental Science and Technology》, September 15:7148-7152(2010)