發電新技術：用淡水與鹽水交匯產生能量

賓夕法尼亞州立大學的研究者提出了一種新型混合技術，能在鹽水和淡水交匯處產生前所未有的電能。

該大學環境工程助理教授Christopher Gorski說道：「這項技術的目標是從江河入海處產生電力，是基於兩種水源的鹽濃度差異實現的。」

這種鹽濃度差異具有產生滿足全球40%需求電量的潛力。雖然現在已經有方法能從中產生能量，但最成功的兩個方法——壓力阻尼滲透(PRO)和反向電滲析(RED)都遠遠不夠。

PRO是最常見的系統，選擇性地使水通過半滲透膜，同時拒絕鹽分通過。通過這一過程得到的滲透壓隨後被轉換為能量。

Gorski說道：「PRO在產能方面是目前最好的技術，主要的問題是過濾水的薄膜會淤塞，細菌就會生長，粒子也會卡在表面上，從而不再能傳輸水了。」

這是由於薄膜孔洞非常細小，因而很容易被堵塞。此外，PRO也無法承受超級鹹水的壓力。

credit: 辛苦為科學文配圖的煎蛋畫師六翼

第二種技術RED利用電化學梯度產生離子交換膜兩側的電壓。

Gorski解釋道：「離子交換膜只允許正離子或負離子通過，因此只有溶解鹽才能通過，水是不行的。」

在這種方法中，當氯化物或者鈉離子由於離子選擇傳輸作用被阻止穿越離子交換膜時，就會產生能量。離子交換膜不需要水穿過，因此不像PRO那樣容易阻塞，但這種方法的問題在於無法產生大量電力。

第三種方法叫做電容混合(CapMix)，是一種相對較新的方法。電容混合法是一種基於電極的技術，當兩個一樣的電極依次浸沒於兩種不同鹽濃度的水中時，比如淡水和海水，就會產生電壓，從而轉換為能量。與RED類似，電容混合法的缺陷是無法產生足用的電量。

Gorski與環境工程教授Evan Pugh以及博士後研究員Taeyoung Kim一起發現了針對上述問題的解決方案，將RED和電容混合技術結合到電化學液流電池中。

Gorski說道：「通過結合這兩種方法，能得到更多的能量。」

該團隊構建了一種定製建造液流電池，其中兩個通道被陰離子交換薄膜分離。然後在每個通道放置六氰合鐵酸銅電極，利用石墨箔作為集電器。然後用螺栓螺母和端板密封該電池。建好後，其中一個通道就被灌滿合成海水，另一個通道被灌滿合成河水。周期性切換水流的流動路徑使得電池可以充電並進一步產生電力。由此研究者研究了用於切換流動路徑、外電阻以及鹽濃度的截止電壓如何影響最大和平均電力產出的。

Gorski說道：「其中會發生兩件事情，其一鹽分流向電極，其二氯化物通過薄膜。由於兩者均會產生電壓，因此就結合電極和薄膜間的電壓。」

為了確定不同類型薄膜和鹽濃度差產生的電壓，研究團隊以15毫升每分鐘的速度灌入兩種溶液，並記錄開環電池電壓。由此研究者確認堆疊多個電池的確會影響電力產出。該技術能量密度達到了史無前例的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裡去了，並且還不存在堵塞問題。

雖然該結果很有前景，但研究者還想做更多關於電極長時穩定性的研究，希望了解海水中其他元素，比如鎂和硫酸鹽，對電池性能的影響。

Gorski說道：「追求可再生能源非常重要，如果能得到碳中性能源，那就應該去做。」

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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