科學家發明新方法,收集淡水與鹽水交匯處的能量

河流與大海交匯處蘊藏大量能量

美國賓州州立大學(Pennsylvania State University)的科學家們成功利用河海交匯處淡水和鹽水的鹽濃度差異,設計了一種新的能量收集方法。與已有方式相比,這種新方法效率更高,前景良好。

理論上,淡水與海水的鹽濃度差異中蘊含的能量可以滿足全球 40% 的電量需求。過去雖然已經有方法收集這種能量,但即便是其中最成功的兩種——壓力延遲滲透(pressure retarded osmosis,PRO)和反向電滲析(reverse electrodialysis,RED),也遠未達到實用的要求。

收集鹽濃度差異中的能量

壓力延遲滲透(PRO)是目前最常用的方法,它使用一種半透膜,讓水分流通並排斥鹽分。該過程產生的滲透壓通過渦輪轉動轉化為能量。

單看能量收集效率的話,PRO 是目前最好的技術。但 PRO 有兩個問題:第一,PRO 用到的半透膜上面的孔非常小,很容易堵塞,並滋生細菌。第二,PRO 不能在鹽度太高的水體中使用。

反向電滲析(RED)利用電化學梯度,在離子交換膜兩側產生電壓。離子交換膜只允許陽離子或陰離子通過,因此只有溶解的鹽才能通過,水本身不能。由於膜的選擇性通透性,當氯離子或鈉離子被阻擋時,能量就會產生。

離子交換膜不透水,因此不像 PRO 的半透膜那樣容易堵塞,但 RED 的不足之處在於產能有限。

第三種方法,稱為電容混合(capacitive mixing,CapMix),是相對較新的一種方法。將兩塊相同的電極依次置於兩種不同鹽濃度的液體中,產生電壓。

與反向電滲析一樣,電容混合的問題也是收集能量的效率不高。

試驗中測試的最新技術(圖:Penn State News)

集合優點,設計新方法

賓州州立大學的環境工程學教授 Christopher Gorski ,與 Evan Pugh 教授和博士後學者 Taeyoung Kim 合作,成功結合 RED 和 CapMix 兩種技術,設計了一種電化學流通池,可以更高效地收集鹽濃度差中的能量。

這種流通池有兩個通道,之間以陰離子交換膜隔開。每個通道中都置有六氰合鐵酸銅電極,然後利用石墨箔收集電流。

運作時,一個通道連接鹽水,另一個連接淡水。周期性交換水流通路,讓裝置再次充電,再次產能。

Gorski 解釋,首先是讓鹽通過電極,其次是讓氯離子通過膜。這兩個過程都會產生電壓,因此最後獲得的是電極和膜上的合成電壓。

實驗結果表明,這種新的電化學流通池的功率密度可以與 PRO 比肩,並遠高於單獨使用 RED 或 CapMix。

技術前景

雖然結果前景良好,研究人員計劃繼續研究電極的穩定性,了解海水中其他元素,如鎂和硫酸鹽對流通池的影響。

可以肯定的是,如果這一技術投入使用,遍布世界的河海交匯口將為全球帶來大量清潔能源。正像 Gorski 所說:「如果我們可以獲得碳平衡的能源,我們就應該使用它。」

 

參考資料:

  1. Matthews, J. (2017, May). Where the rivers meet the sea: Harnessing the energy generated when freshwater meets saltwater. Penn State News.
舒超
實習編輯,科大生命科學學院研究生,目前努力畢業中。做實驗之餘,喜歡讀書寫字,學習語言。鐘情中國古典文學。希望有朝一日走遍天下,增廣見聞。