盐就是力量。这听起来像是炼金术，但在海水和淡水混合的地方，能源可以提供大量的可再生能源。斯坦福大学的研究人员已经开发出一种经济实惠、经久耐用的技术，可以利用这种所谓的蓝色能源。
位于洛杉矶圣莫尼卡湾的亥伯龙水回收厂是一个沿海废水处理项目的例子，该项目有可能从海水和处理过的废水的混合中回收能源。(图片来源:Doc Searls / Flickr)
这篇最近发表在美国化学学会的ACS Omega上的论文描述了这种电池，并建议使用它使沿海污水处理厂实现能源独立。
“蓝色能源是一种巨大的、尚未开发的可再生能源，”研究报告的合著者、斯坦福大学土木和环境工程博士后克里斯蒂安·杜布罗斯基(Kristian Dubrawski)说。“我们的电池是在没有薄膜、移动部件或能量输入的情况下，实现实际捕捉这种能量的重要一步。”
Dubrawski在该研究的合作者Craig Criddle的实验室工作，Craig Criddle是土木和环境工程教授，以节能技术的跨学科领域项目而闻名。开发一种利用盐梯度的电池的想法，最初是由材料科学与工程教授崔毅(音)和材料科学与工程博士后学者莫罗?将这一概念应用到沿海污水处理厂是克里德尔的创新之处，源于他长期开发污水处理技术的经验。
研究人员测试了这种电池的一个原型，监测它的能量生产，同时用帕洛阿尔托(Palo Alto)地区水质控制工厂每小时排放的废水与半月湾(Half Moon Bay)附近收集的海水交替进行冲洗。在180多次循环中，电池材料在捕获盐度梯度能量方面保持了97%的效率。
这项技术可以在任何淡水和盐水混合的地方使用，但废水处理厂提供了一个特别有价值的案例研究。废水处理是能源密集型的，约占美国总电力负荷的3%。这一过程对社区健康至关重要，但也容易受到电网关闭的影响。使废水处理厂实现能源独立不仅可以减少电力的使用和排放，还可以使它们不受停电的影响——这在加州等地是一个重大优势，最近的野火导致了大规模停电。
水的力量
每立方米淡水与海水混合产生的能量约为0.65千瓦时，足够美国家庭平均使用30分钟。从全球范围来看，沿海污水处理厂理论上可回收的能源约为180亿瓦，足以为1700多户家庭提供一年的电力。
斯坦福小组的电池并不是第一个成功捕获蓝色能量的技术，但它是第一个使用电池电化学而不是压力或薄膜的技术。如果大规模应用，这项技术将提供一个更简单、更可靠、更经济的解决方案。
这个过程首先将钠离子和氯离子从电池电极释放到溶液中，使电流从一个电极流向另一个电极。然后，废水与海水的快速交换使电极重新注入钠离子和氯离子，使电流反向流动。在淡水和海水冲洗过程中，能源都得到了回收，无需前期能源投资，也无需充电。这意味着电池在不需要任何能量输入的情况下不断地放电和充电。
耐用、经济实惠的技术
尽管实验室测试显示，每个电极区域的功率输出仍然很低，但由于其占地面积小、简单、不断产生能量、缺乏控制电荷和电压的膜或仪器，人们认为这种电池的放大潜力比以前的技术更可行。电极由普鲁士蓝和聚吡咯制成，普鲁士蓝被广泛用作颜料和药物，每千克成本不到1美元，聚吡咯被用于电池和其他设备的实验，批量销售的价格不到每千克3美元。
也不需要备用电池，因为材料相对坚固，聚乙烯醇和琥珀酸磺酸涂层保护电极免受腐蚀，而且不涉及移动部件。如果扩大规模，该技术可以为任何沿海处理厂提供足够的电压和电流。过剩的电力生产甚至可以转移到附近的工业生产，比如海水淡化厂。
杜布罗斯基说:“这是一个复杂问题的科学优雅的解决方案。“它需要大规模的测试，它没有解决在全球范围内开发蓝色能源的挑战——流入海洋的河流——但这是一个可以推动这些进展的良好起点。”
为了评估这种电池在城市污水处理厂的全部潜力，研究人员正在开发一种可伸缩的版本，以了解在多个电池同时工作的情况下，该系统是如何工作的。
要阅读有关斯坦福科学的所有故事，请订阅《斯坦福科学文摘》(Stanford science Digest)。
崔同时也是光子科学教授和Precourt能源研究所高级研究员。
其他合著者包括研究生叶孟(第一作者)，谢星，刘冲和徐建凯。
这项研究是由斯坦福大学研究所森林环境,斯坦福大学TomKat可持续能源中心的斯坦福基地国家科学基金会重振国家工程研究中心城市水利基础设施,跨学科研究生奖学金,Oronzio尼科洛·德和诺拉基金会和加拿大自然科学和工程研究委员会。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2019/07/29/generating-energy-wastewater/