余嘉誠、顏嘉亨、邵信、劉柏逸 / 工研院材化所
微生物脫鹽電池是一種依靠微生物反應驅動的多功能電化學程序，透過微生物分解廢水中所含之有機污染物同時完成廢水處理、發電和海水淡化，其可發電又可產出淡水資源的技術定位勢必將取代高能耗的傳統海淡技術。微生物脫鹽電池技術架構可以充分體現出水–電重要的連結概念，同時被看好未來具有應用於海水淡化、廢水處理、有價物質回收與水質軟化之潛力。本文將針對微生物脫鹽電池技術原理、近期發展與相關應用範疇進行詳細探討。
【內文精選】
微生物脫鹽電池技術原理
微生物脫鹽電池技術在電化學技術中被歸類為生物電化學系統(Bio-Electro-chemical System; BES)，MDC技術最早為2009年北京清華大學Cao等人所提出，其將鹽水利用MDC模組進行脫鹽並同時產生電力。MDC的開發起源是從微生物燃料電池機制所改良衍生而成，兩者最明顯的差異在於硬體的組成：MFC通常是以陰極、陽極二腔室所組成；而典型的MDC則是以三腔室所組成，MDC於陰極、陽極腔室間多了一脫鹽腔室。MDC反應機制與模組照片詳參圖一。於反應機制中，MDC的脫鹽動力是取決於電子生成菌(Exoelectrogens)的活性，電子生成菌於陽極腔室中分解廢水所含的有機污染物質，並將產生的質子、陽極腔室中的電子轉移至電極上以獲得能量。此時陽極腔室內的質子受到累積，藉此吸引帶負電之離子從脫鹽腔室中跨膜遷移至陽極腔室以平衡電荷，陽極電極所轉移的電子經由外部線路傳遞，通過可減少氧化的外部電阻後進入陰極腔室，於陰極上牽引帶正電的陽離子從淡化室進入陰極腔室完成平衡電荷。通過這一系統性反應過程可同步達成廢水處理、發電與海水淡化等目的。
圖一、三腔室MDC (a)實驗機制圖；(b)模組照片
微生物脫鹽電池發展現況
2016年美國威斯康辛大學Lu提出四腔室單流式MDC，可同時處理廢水與淡化鹽水。其中將陽極電解液循環於陽極腔室與脫鹽腔室，解決了典型MDC陽極腔室會釋放出高鹽度廢水的問題，使陽極排放廢水導電度由1.45 mS/cm下降至0.75 mS/cm，符合廢水排放管制標準。
2020年阿曼蘇丹卡博斯大學Jafary開發新式管狀MDC，如圖四所示，此型式於反應中可控制pH條件，因此以陰–陽離子複合膜材於管狀槽體內分隔成兩腔室。陰–陽離子複合膜材以內之內層稱作為脫鹽腔室，通入海水進行脫鹽程序；外層為通入有機廢水作為電極腔室，其中陰極、陽極電極同在此腔室中進行反應。微生物於降解代謝出氫離子可快速與氧氣還原的氫氧根反應形成水分，避免累積造成pH不平衡。
圖四、新式管狀MDC模組照片
微生物脫鹽電池應用範疇
1. 海水淡化
2018年起開始有研究針對MDC投入實際海水淡化進行探討，在脫鹽淡化過程中海水複雜的離子組成對系統產生影響。於實際海水中離子具高導電度，因此起始MDC可以展現出較高的脫鹽效率。然而在另一項研究中發現海水所含複雜的離子，會在離子交換膜表面形成沉積，導致結垢現象發生。海水中除了鈉與氯離子外，其他多價離子例如：硫酸根離子、鎂離子、鈣離子等去除率可達75%。另有研究是利用人工配置海水進行MDC脫鹽效益評估，實驗驗證了在不同溫度條件下對於NaCl也可展現良好的脫鹽效益，其中於45˚ C條件下，MDC可獲得較好的離子遷移速率。
2. 廢水處理和有價化學品回收
於技術發展初期，研究探討與驗證MDC可同時處理廢水、海水淡化與回收生質能源(例如：生物電與生質氫能)。近年來MDC經過改良精進後，開始有研究將MDC導入應用於回收酸劑、鹼劑、化學品、廢水中營養素、去除水中含氮污染物與硬水軟化等多元應用。
目前文獻資料對於微生物電化學系統要邁向商業化的目標，普遍認為須達成高體積能量輸出(~1 kW/m3)的水準。但目前在各種MDC研究報告中，展現最大體積功率輸出的是2018年伊朗Babol Noshirvani University of Technology的Ebrahimi所發表的生物陰電極MDC，其輸出功率為32.6 W/m3；次高的是2011年美國威斯康辛大學Jacobson等人所發表的UMDC，其輸出功率為30.8 W/m3。但是，這些輸出功率都比MDC商業化所需的目標功率低了33倍，顯示MDC還具有許多待改善精進的空間---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》427期，更多資料請見下方附檔。