@ 2017.06.07 , 13:30

发电新技术:用淡水与盐水交汇产生能量

宾夕法尼亚州立大学的研究者提出了一种新型混合技术,能在盐水和淡水交汇处产生前所未有的电能。

该大学环境工程助理教授Christopher Gorski说道:“这项技术的目标是从江河入海处产生电力,是基于两种水源的盐浓度差异实现的。”

这种盐浓度差异具有产生满足全球40%需求电量的潜力。虽然现在已经有方法能从中产生能量,但最成功的两个方法——压力阻尼渗透(PRO)和反向电渗析(RED)都远远不够。

PRO是最常见的系统,选择性地使水通过半渗透膜,同时拒绝盐分通过。通过这一过程得到的渗透压随后被转换为能量。

Gorski说道:“PRO在产能方面是目前最好的技术,主要的问题是过滤水的薄膜会淤塞,细菌就会生长,粒子也会卡在表面上,从而不再能传输水了。”

这是由于薄膜孔洞非常细小,因而很容易被堵塞。此外,PRO也无法承受超级咸水的压力。

发电新技术:用淡水与盐水交汇产生能量
credit: 辛苦为科学文配图的煎蛋画师六翼

第二种技术RED利用电化学梯度产生离子交换膜两侧的电压。

Gorski解释道:“离子交换膜只允许正离子或负离子通过,因此只有溶解盐才能通过,水是不行的。”

在这种方法中,当氯化物或者钠离子由于离子选择传输作用被阻止穿越离子交换膜时,就会产生能量。离子交换膜不需要水穿过,因此不像PRO那样容易阻塞,但这种方法的问题在于无法产生大量电力。

第三种方法叫做电容混合(CapMix),是一种相对较新的方法。电容混合法是一种基于电极的技术,当两个一样的电极依次浸没于两种不同盐浓度的水中时,比如淡水和海水,就会产生电压,从而转换为能量。与RED类似,电容混合法的缺陷是无法产生足用的电量。

Gorski与环境工程教授Evan Pugh以及博士后研究员Taeyoung Kim一起发现了针对上述问题的解决方案,将RED和电容混合技术结合到电化学液流电池中。

Gorski说道:“通过结合这两种方法,能得到更多的能量。”

该团队构建了一种定制建造液流电池,其中两个通道被阴离子交换薄膜分离。然后在每个通道放置六氰合铁酸铜电极,利用石墨箔作为集电器。然后用螺栓螺母和端板密封该电池。建好后,其中一个通道就被灌满合成海水,另一个通道被灌满合成河水。周期性切换水流的流动路径使得电池可以充电并进一步产生电力。由此研究者研究了用于切换流动路径、外电阻以及盐浓度的截止电压如何影响最大和平均电力产出的。

Gorski说道:“其中会发生两件事情,其一盐分流向电极,其二氯化物通过薄膜。由于两者均会产生电压,因此就结合电极和薄膜间的电压。”

为了确定不同类型薄膜和盐浓度差产生的电压,研究团队以15毫升每分钟的速度灌入两种溶液,并记录开环电池电压。由此研究者确认堆叠多个电池的确会影响电力产出。该技术能量密度达到了史无前例的12.6瓦特每平方米,比先前RED的2.9瓦特每平方米和PRO的9.2瓦特每平方米高到不知哪里去了,并且还不存在堵塞问题。

虽然该结果很有前景,但研究者还想做更多关于电极长时稳定性的研究,希望了解海水中其他元素,比如镁和硫酸盐,对电池性能的影响。

Gorski说道:“追求可再生能源非常重要,如果能得到碳中性能源,那就应该去做。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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