BBC的紀(jì)錄片《藍(lán)色星球》讓我們領(lǐng)略了海洋的魅力，也再次警示人類要重視對(duì)海洋的保護(hù)。這個(gè)巨大的藍(lán)色寶庫，除了石油天然氣，還有許多可再生能源有待我們開發(fā)。大家估計(jì)已經(jīng)聽過潮汐發(fā)電、波浪發(fā)電等技術(shù)，但曾否聽過一種叫鹽濃差能的發(fā)電技術(shù)呢？
　　前段時(shí)間，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家在美國化學(xué)學(xué)會(huì)期刊ACS Omega發(fā)表文章，表示開發(fā)出了一種新型電池，可以更好地利用這種藍(lán)色能源。他們還表示，沿海污水處理廠是應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的理想場(chǎng)所，可以幫助污水廠實(shí)現(xiàn)能源自給。
　　海水淡水混合發(fā)電？
　　1954年，英國人Richard Pattle在《自然》期刊發(fā)文，首次提出在水電樁里混合海水和淡水發(fā)電的概念：假設(shè)我們有兩瓶濃度不同的鹽溶液，中間有一片薄膜將其隔開，這個(gè)半透膜可以讓水通過，鹽離子通不過，這樣水自然會(huì)從低濃度一側(cè)向高鹽一側(cè)流動(dòng)，水流通過薄膜產(chǎn)生的壓力，可用來推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。但直到20世紀(jì)70年代中期，半透膜才開始商業(yè)化應(yīng)用，以色列的Sidney Loeb教授首次將這個(gè)理念變成現(xiàn)實(shí)。
　　
　　圖1. 壓力阻尼滲透（PRO）原理圖 | 圖源：http://griffith.edu.au
　　但Loeb教授發(fā)明的裝置有個(gè)特點(diǎn)，就是流經(jīng)薄膜的速度不是越快越好，因?yàn)榱魉龠^快會(huì)擠壓鹽水，阻礙大量淡水從膜另一側(cè)的流入。這就是所謂的壓力阻尼滲透（Pressure Retarded Osmosis - PRO）。
　　挪威國家電力公司Statkraft是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)PRO工程應(yīng)用的團(tuán)隊(duì)。2009年，他們?cè)谂餐ofte落成第一個(gè)示范項(xiàng)目，發(fā)電規(guī)模很小，只有10kW。最初他們還計(jì)劃在2015年實(shí)現(xiàn)PRO技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用，但后來他們發(fā)現(xiàn)它入不敷出——它產(chǎn)生的電能還不能抵消建造、運(yùn)行和維護(hù)的成本，最終難逃關(guān)門大吉的厄運(yùn)。
　　
　　圖2. 挪威Statkraft建造PRO示范項(xiàng)目外觀| 圖源：NewAtlas
　　反向電滲析技術(shù)
　　除了PRO，反向電滲析技術(shù)(Reverse Electrodialysis – RED)是一個(gè)有應(yīng)用案例的鹽差能技術(shù)。 它基本原理和電滲析脫鹽剛好相反，它有陽極、陰極以及在中間交替排列的陰、陽離子交換膜疊堆而成。這些陰、陽離子交換膜由隔板隔開，形成獨(dú)立的濃水室和淡水室。鹽度差推動(dòng)離子的內(nèi)部遷移，形成電流。
　　
　　圖3. ED和RED系統(tǒng)的原理圖 | 圖源：ResearchGate
　　位于荷蘭萊瓦頓的水研究中心WETSUS就是這方面的技術(shù)代表。他們有一家名為REDstack的衍生子公司在2013年在荷蘭 Afsluitdijk攔海大壩建造了一個(gè)基于RED的示范項(xiàng)目，規(guī)模為50kW。但實(shí)際上這項(xiàng)技術(shù)仍處于不斷優(yōu)化的研發(fā)階段，例如跟其他工藝結(jié)合（CAPMIX）等。
　　
　　圖4. REDstack項(xiàng)目外觀 | 圖源：Wageningen Resource Magazine
　　斯坦福的新概念
　　“傳統(tǒng)”的鹽差能主要基于壓力和膜滲透，但這也給了它各種局限性。斯坦福的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)就提出一種基于電池電化學(xué)的新技術(shù)。早在2011年，《納米快報(bào)（NANO Letters）》就曾報(bào)道一個(gè)由意大利和美國大學(xué)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研制出一種叫混合熵電池（mixing entropy battery）的新型電池。參與科學(xué)家包括了美國斯坦福大學(xué)著名的材料科學(xué)家崔屹教授和賓夕法尼亞州立大學(xué)的微生物燃料電池專家Bruce E Logan。
　　
　　圖5. 混合熵電池原理圖 | 圖源：acs.org
　　最近這項(xiàng)技術(shù)找到了和污水處理結(jié)合的契機(jī)：斯坦福大學(xué)的污水處理專家Craig Criddle教授認(rèn)為崔屹教授團(tuán)隊(duì)的電池鹽差能技術(shù)可以用于沿海污水處理廠。Criddle教授以研究跨學(xué)科的節(jié)能研究而出名。之前我們介紹過的CANDO脫氮工藝就有Criddle教授的參與。
　　簡(jiǎn)單點(diǎn)說，這是一種通過淡水和海水混合回收能源的方法。在此前的概念驗(yàn)證試驗(yàn)中，他們已經(jīng)使用污水廠的出水和海水對(duì)MEB電池進(jìn)行測(cè)試。盡管能量回收率高達(dá)68%，但當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)存在幾個(gè)問題，首先是使用的Ag/AgCl(陰離子電極)和鈉錳氧化物(陽離子電極)兩種電極都不便宜，而且前者還溶于海水，后者的比容率較低。更重要的是，它還需要一個(gè)充電的過程，所以需要外部電源，增加了運(yùn)行的復(fù)雜度。
　　研究團(tuán)隊(duì)在這基礎(chǔ)上對(duì)，開發(fā)了一款無需充電的MEB系統(tǒng)，而且采用了更便宜的替代電極材料。如下圖所示，該工藝分為四步，首先是污水廠出水和海水的快速交換(以淡水為主)，然后鈉離子和氯離子從電池電極釋放至溶液中，形成電流。第三步是海水和污水廠出水的快速交換(以海水為主)，最后在第四步里，電極重新吸收鈉、氯離子，同時(shí)形成反向電流。因?yàn)橹笆褂玫年栯x子電極電位都高于陰離子電位，因此整個(gè)MEB循環(huán)里的電壓為正，因此在第二步里電流從低電位流向高電位的時(shí)候需要外部電源。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，采用合適的電極材料就可以在第二步產(chǎn)生負(fù)電壓——普魯士藍(lán)（Prussian Blue）和聚吡咯(polypyrrole)就是合適的物質(zhì)，它們分別作為陽極和陰極材料，而且成本更加低廉。優(yōu)化后的MEB系統(tǒng)，無需前期電力投資——電池在無需外接電源的情況下不斷地放電和充電。
　　

　　圖6. MEB四步原理圖和工作表現(xiàn)
　　研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)原型系統(tǒng)來測(cè)試其產(chǎn)能表現(xiàn)，污水出水和海水源自Palo Alto污水廠每小時(shí)排放的廢水與半月灣(Half Moon Bay)附近收集的海水。在180多次循環(huán)測(cè)試中，電池材料捕獲鹽差能的效率維持在97%左右。
　　
　　圖7. Palo Alto污水廠以及周邊環(huán)境的鳥瞰圖 | 圖源：cleanbay.org
　　研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，理論上該技術(shù)可以用于任何有淡水和鹽水混合的地方，但污水處理廠是一個(gè)特別值得投入應(yīng)用的地點(diǎn)。這是因?yàn)樘幚砦鬯枰拇罅磕茉矗袛?shù)據(jù)顯示污水處理約占美國總電力負(fù)荷的3%。污水處理廠若能實(shí)現(xiàn)能量自給，不僅可以減少能耗和溫室氣體的排放，還可使其免受停電的影響——這對(duì)加州是一個(gè)很實(shí)在的優(yōu)勢(shì)，近幾年的氣候變化使得加州森林野火頻發(fā)，經(jīng)常導(dǎo)致了大規(guī)模停電。擺脫對(duì)供電的依賴，有利于污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行。美國處理一噸污水的單位能耗約為0.4-0.65kwh/m3，而每立方米淡水與海水混合產(chǎn)生的能量剛好約為0.65千瓦時(shí)。研究團(tuán)隊(duì)的計(jì)算顯示，全球沿海污水處理廠理論上可回收的能源約為180億瓦，足以為1500萬多戶家庭提供一年的電力。
　　未來的研發(fā)計(jì)劃
　　研究結(jié)果顯示，目前這些電池的單位功率（16mW/㎡），還低于基于膜的PRO和RED工藝。但他們稱這次研究的重點(diǎn)放在長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試上，所以電池的產(chǎn)電性能還有較大的優(yōu)化空間，例如使用導(dǎo)電性能更好的集電器，還有改善反應(yīng)器的設(shè)計(jì)等。另外，他們認(rèn)為該工藝由于工藝簡(jiǎn)易，無需備用電源，因此在占地面積和規(guī)模化生產(chǎn)的潛力也有優(yōu)勢(shì)；而且材料相對(duì)堅(jiān)固，聚乙烯醇和琥珀酸磺酸涂層保護(hù)電極免受腐蝕。如果規(guī)模足夠大，該技術(shù)可以為任何沿海污水廠提供足夠的電壓電力。過剩的電能甚至可以供給附近的工業(yè)生產(chǎn)，比如海水淡化廠。
　　為了更好地評(píng)估這種電池在城市污水處理廠的真正潛力，研究團(tuán)隊(duì)正著手一個(gè)升級(jí)版本，以研究在多個(gè)電池同時(shí)工作的情況下，該系統(tǒng)的表現(xiàn)會(huì)如何。
　　參與該研究的Kristian Dubrawski博士表示:“我們?cè)谟靡粋€(gè)科學(xué)上非常簡(jiǎn)單明了的方案解決一個(gè)復(fù)雜的問題。但我們需要更大規(guī)模的測(cè)試，雖然目前還無法靠它處理河水，但我們相信污水處理廠是推動(dòng)這些技術(shù)發(fā)展的良好起點(diǎn)?！?br>　　
　　圖8. 位于洛杉磯Santa Monica灣的Hyperion再生水廠是理想的中試場(chǎng)地 | 圖源:Doc Searls / Flickr
　　參考資料
　　https://web.stanford.edu/group/evpilot/
　　https://resource.wur.nl/en/show/A-touch-of-Wageningen-in-the-national-icon-Blue-Energy.htm
　　http://cleanbay.org/regional-water-quality-control-plant/regional-water-quality-control-plant
　　https://www.wetsus.nl/home/wetsus-news/harvesting-blue-energy-with-the-breathing-cell/1
　　https://research-repository.griffith.edu.au/bitstream/handle/10072/61191/90903_1.pdf;jsessionid=58A5AC07F01F74985D55BAA3D5BEC3ED?sequence=1
　　https://newatlas.com/statkraft-osmotic-power/13451/
　　https://en.wikipedia.org/wiki/Osmotic_power#cite_note-1
　　https://www.researchgate.net/figure/Principle-of-electrodialysis-ED-and-reverse-electrodialysis-RED-Note-that-the_fig1_297751628
　　https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nl200500s?rand=pbk5f3b7