鄭茲瑀、許皓翔、劉柏逸、洪仁陽 / 工研院材化所
全球能源消耗不斷增加，導致可再生能源的需求日益增長，鹽差發電藉由兩種不同濃度溶液之間的鹽度梯度轉換成電能，為一種無污染的可再生能源，越來越受到科學界的關注。鹽差發電技術包含壓力遲滯滲透膜法(PRO)、反向電透析法(RED)、電容混合法(CAPMIX)、電容唐納電位法(CDP)和混合熵電池(MEB)，其中RED、CAPMIX、CDP和MEB為具新穎潛力之技術，因此本文將針對這四種鹽差發電技術進行運作原理介紹，並著重於RED的發展歷程，包含模組系統設計和操作條件之影響產電效能關鍵的研究；最後，介紹RED試驗工廠案例與RED的應用，例如：RED/脫鹽系統、使用熱解溶液的RED、微生物反向電透析電池。
【內文精選】
鹽差發電技術原理
1. 反向電透析(RED)
反向電透析為目前最常見且發展最為成熟的鹽差發電技術之一，其利用之薄膜及模組設計與電透析(Electrodialysis; ED)相同，但操作方式與電透析相反。相對於電透析需消耗電力以克服電動勢，誘發離子遷移達到脫鹽目的；反向電透析的電壓低於電動勢，離子在濃度梯度下遷移以產生離子流，透過轉換產出電能。
從RED衍伸出另一技術，電容反向電透析(Capacitive Reverse Electrodialysis;CRED)，其系統如同RED，亦由一至多組陰/陽離子交換膜所構成之膜單元堆疊而成，每個膜單元包含了陰離子交換膜、陽離子交換膜，以及分別通入濃水與淡水之濃/淡室。透過週期性交換濃水與淡水通路，使離子在濃度梯度驅動下通過具有選擇性之薄膜，並在每個膜單元上產生電位差，再利用累積之電位差來發電。
CRED與RED不同之處在於兩端電極，CRED改用具電容特性之多孔性材料電極(例如：活性碳)，電極上的孔洞提供離子吸附空間，而電極之導電特性可將所吸附之淨電荷轉換成電流，於外部電路產出電能。由於不需透過氧化還原反應將離子能轉換為電能，CRED相較RED能避免有害化學物質於氧化還原反應中產出以及水電解造成之能源效益降低，且能達到與RED相近之產電效益，因此CRED被認為是具高性能、節淨與安全之鹽差發電技術。
工研院材料與化工研究所團隊依過去豐富倒極式電透析(Electrodialysis Reverse; EDR)及電容去離子(CapacitiveDeionization; CDI)之經驗與技術能量，已投入CRED鹽差發電技術之先期研究，如圖四所示，透過整合電透析膜材及電容特性之多孔性電極材料，針對CRED之兩大關鍵材料進行產電效益評估測試與優化，以期未來可達到商業化之目標。
圖四、工研院材化所CRED技術能量
4. 混合熵電池(MEB)
史丹佛大學研究團隊研發出一種不用薄膜的鹽差發電電池—混合熵電池，其工作原理為淡水交換、淡水充電、海水交換與海水放電四步驟，將鹽差能轉換成電能，如圖七所示。於電極中利用海水和淡水交替沖洗，在交換的同時，水中Na+和Cl- 離子會遷移進出電極，進而驅動電極內的氧化還原變化，並通過外部電路將電子從一個電極轉移到另一個電極。MEB電極使用的是電池用電極，研究學者初期以鈉鎂氧化物(Sodium Manganese Oxide; NMO)作為陽離子電極、Ag/AgCl作為陰離子電極來製作MEB系統，雖獲得高能量回收效率(68%)，但電極成本太高，後續他們改用價格較低的Prussian Blue (PB)電極和Polypyrrole (PPy)電極，也有不錯的能量回收效率，但發電量(<0.1 W/m2)仍遠低於薄膜型鹽差發電技術。
圖七、MEB產電機制
RED發展歷程與現況
隨著RED模組改善、發電效能優化至一定程度，RED研究範圍迅速擴大，學者們致力於探討RED結垢問題以及RED應用發展，例如W. Li等人擬RED與RO單元串接配置，可有效降低RO能耗、提升水回收率，或用於能量儲存並供給其他技術使用，以及同時進行發電與去除污染物等應用。另外，2014和2016年分別於荷蘭及義大利建立了RED試驗工廠，為大規模實際應用邁向一大步，然而目前還沒有大規模的RED實廠。
RED的應用
2. 脫鹽/儲能混合RED系統
除了單獨使用RED產電外，許多研究團隊亦朝脫鹽/儲能混合RED系統(Hybrid RED System for Desalination/Energy Storage)開發，將RED與不同的脫鹽技術串接，例如逆滲透(RO)、電透析(ED)和電容去離子(CDI)，搭配出不同組合以同時達到產電儲能與脫鹽，效益高且應用領域更廣泛---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。