BBC的紀錄片《藍色星球》讓我們領略了海洋的魅力，也再次警示人類要重視對海洋的保護。這個巨大的藍色寶庫，除了石油天然氣，還有許多可再生能源有待我們開發。大家估計已經聽過潮汐發電、波浪發電等技術，但曾否聽過一種叫鹽濃差能的發電技術呢？
前段時間，斯坦福大學的科學家在美國化學學會期刊ACS Omega發表文章，表示開發出了一種新型電池，可以更好地利用這種藍色能源。他們還表示，沿海污水處理廠是應用這項技術的理想場所，可以幫助污水廠實現能源自給。
海水淡水混合發電？
1954年，英國人Richard Pattle在《自然》期刊發文，首次提出在水電樁里混合海水和淡水發電的概念：假設我們有兩瓶濃度不同的鹽溶液，中間有一片薄膜將其隔開，這個半透膜可以讓水通過，鹽離子通不過，這樣水自然會從低濃度一側向高鹽一側流動，水流通過薄膜產生的壓力，可用來推動渦輪機發電。但直到20世紀70年代中期，半透膜才開始商業化應用，以色列的Sidney Loeb教授首次將這個理念變成現實。
圖1. 壓力阻尼滲透（PRO）原理圖 | 圖源：http://griffith.edu.au
但Loeb教授發明的裝置有個特點，就是流經薄膜的速度不是越快越好，因為流速過快會擠壓鹽水，阻礙大量淡水從膜另一側的流入。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是第一個實現PRO工程應用的團隊。2009年，他們在挪威Tofte落成第一個示范項目，發電規模很小，只有10kW。最初他們還計劃在2015年實現PRO技術的商業應用，但后來他們發現它入不敷出——它產生的電能還不能抵消建造、運行和維護的成本，最終難逃關門大吉的厄運。
圖2. 挪威Statkraft建造PRO示范項目外觀| 圖源：NewAtlas
反向電滲析技術
除了PRO，反向電滲析技術(Reverse Electrodialysis – RED)是一個有應用案例的鹽差能技術。 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，形成獨立的濃水室和淡水室。鹽度差推動離子的內部遷移，形成電流。
圖3. ED和RED系統的原理圖 | 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基于RED的示范項目，規模為50kW。但實際上這項技術仍處于不斷優化的研發階段，例如跟其他工藝結合（CAPMIX）等。
圖4. REDstack項目外觀 | 圖源：Wageningen Resource Magazine
斯坦福的新概念
“傳統”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。斯坦福的跨學科研究團隊就提出一種基于電池電化學的新技術。早在2011年，《納米快報（NANO Letters）》就曾報道一個由意大利和美國大學科學家組成的團隊聯合研制出一種叫混合熵電池（mixing entropy battery）的新型電池。參與科學家包括了美國斯坦福大學著名的材料科學家崔屹教授和賓夕法尼亞州立大學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
最近這項技術找到了和污水處理結合的契機：斯坦福大學的污水處理專家Craig Criddle教授認為崔屹教授團隊的電池鹽差能技術可以用于沿海污水處理廠。Criddle教授以研究跨學科的節能研究而出名。之前我們介紹過的CANDO脫氮工藝就有Criddle教授的參與。
簡單點說，這是一種通過淡水和海水混合回收能源的方法。在此前的概念驗證試驗中，他們已經使用污水廠的出水和海水對MEB電池進行測試。盡管能量回收率高達68%，但當時的系統存在幾個問題，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，它還需要一個充電的過程，所以需要外部電源，增加了運行的復雜度。
研究團隊在這基礎上對，開發了一款無需充電的MEB系統，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，同時形成反向電流。因為之前使用的陽離子電極電位都高于陰離子電位，因此整個MEB循環里的電壓為正，因此在第二步里電流從低電位流向高電位的時候需要外部電源。研究團隊發現，采用合適的電極材料就可以在第二步產生負電壓——普魯士藍（Prussian Blue）和聚吡咯(polypyrrole)就是合適的物質，它們分別作為陽極和陰極材料，而且成本更加低廉。優化后的MEB系統，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
研究人員設計了一個原型系統來測試其產能表現，污水出水和海水源自Palo Alto污水廠每小時排放的廢水與半月灣(Half Moon Bay)附近收集的海水。在180多次循環測試中，電池材料捕獲鹽差能的效率維持在97%左右。
圖7. Palo Alto污水廠以及周邊環境的鳥瞰圖 | 圖源：cleanbay.org
研究團隊認為，理論上該技術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特別值得投入應用的地點。這是因為處理污水需要消耗大量能源，有數據顯示污水處理約占美國總電力負荷的3%。污水處理廠若能實現能量自給，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——這對加州是一個很實在的優勢，近幾年的氣候變化使得加州森林野火頻發，經常導致了大規模停電。擺脫對供電的依賴，有利于污水處理廠的穩定運行。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生的能量剛好約為0.65千瓦時。研究團隊的計算顯示，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。
未來的研發計劃
研究結果顯示，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放在長期穩定性測試上，所以電池的產電性能還有較大的優化空間，例如使用導電性能更好的集電器，還有改善反應器的設計等。另外，他們認為該工藝由于工藝簡易，無需備用電源，因此在占地面積和規模化生產的潛力也有優勢；而且材料相對堅固，聚乙烯醇和琥珀酸磺酸涂層保護電極免受腐蝕。如果規模足夠大，該技術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生產，比如海水淡化廠。
為了更好地評估這種電池在城市污水處理廠的真正潛力，研究團隊正著手一個升級版本，以研究在多個電池同時工作的情況下，該系統的表現會如何。
參與該研究的Kristian Dubrawski博士表示:“我們在用一個科學上非常簡單明了的方案解決一個復雜的問題。但我們需要更大規模的測試，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這些技術發展的良好起點。”
圖8. 位于洛杉磯Santa Monica灣的Hyperion再生水廠是理想的中試場地 | 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