化不可能為blue能!滲透壓發電的新突破

說到臺灣的海洋能源,你第一個想到會是什麼?是起起落落的潮汐發電,還是穩定有力的黑潮洋流發電,又或是雖然用的是風力,但卻蓋在臺灣海峽上的離岸風電呢?

除了以上這些物理的發電方法,海洋能源還有一種靠化學來發電的方法──滲透壓發電 (Osmotic energy),又稱為藍能 (blue energy),今天就讓我們來介紹它的原理以及近期的新改變吧。

正負分兩邊,電力就出現

圖上W1表淡水,W2表示含有鹽分的海水,O為兩者間的滲透壓。圖/ Raster: Nein Arimasen; Vector: ZooFari [CC BY-SA 3.0]

介紹滲透壓發電之前,我們要說明「滲透」是什麼。化學上的「滲透」,指得是將濃度不一的兩個水溶液用只讓水分子通過的半透膜來分隔時,水分子就會由低濃度的溶液往高濃度去移動,使得兩者濃度變得接近現象。而當滲透作用達到平衡時,兩邊的水面高低不一,這之間的壓力差,就稱為「滲透壓」。

而新型的滲透壓發電,是利用特殊的透膜將正離子輸送至另一邊的水中,使得兩邊的水團各自帶著正負電,這時候只要有導電裝置存在就可藉此獲得電力。

滲透壓發電示意圖 紅點:正離子 綠點:負離子 黃色臉:電子
每當有一個正離子通過中間的透膜時,就會有一個電子從左方透過線路移動至右方。
截圖修改自科普影片:Water generates electricity (with a pinch of salt!)

來自瑞士的研究團隊在 2016 年時,發表了一種由二硫化鉬(MoS2)組成的薄膜1,讓發電效率大大地提升,達到每平方公尺有一百萬瓦特的功率。為了推廣藍能,他們也製作了下面這一部影片來介紹基本原理和他們的成果。

0:35-0:50 介紹滲透壓
1:15-1:40 介紹滲透壓發電

效率這麼低,藍能發電划算嗎?

事實上,目前全球也有好幾座滲透壓發電廠已被興建,但主要的問題都出在造價昂貴以及發電效率不高,而導致難以廣設。對此,科學家們仍然研究著如何改善現有的方法。

雖然藍能聽起來很不錯,但實際應用上嘛……圖/kiler129@flickr

2013 年,來自法國的研究團隊利用氮化硼奈米管 (boron nitride nanotubes,以下簡稱 BNNTs) 穿刺由氮矽化合物組成的薄膜,得到了一種高強度的新型透膜2。又因為 BNNTs 帶有負電,所以能夠只讓正離子通過,達到分離正負離子的效果。

研究員估算,若新的透膜每平方公分能具有一百萬個 BNNTs,每一平方公尺一年便可以產生 30,000 度的電能,若以臺灣平均一戶家庭每年 3600 度來算,該電量可以供應超過八個家庭的用電量。而 2018 年臺灣的用電量為 2332 億度,因此理論上(只)需要約7.7平方公里,也就是比中正區(7.6平方公里)再大一些些的新型透膜,就可以滿足全臺灣的用電。

然而,即便要製造出郵票大小的新型透膜,在當時也是一件不可能的任務,因為要使這麼多的 BNNTs 整齊地垂直於薄膜實在太過困難了。因此瑞士團隊才會在 2016 年選擇使用其他種材料,縱使最後他們採用的二硫化鉬薄膜的效率並沒有比較高。

法國團隊將BNNT刺入薄膜的步驟說明,但是一次只能裝上一根BNNT。
左列為示意圖,右列為電子顯微鏡影像。

時隔六年的解決之道:磁力

直到今年,博士生 Semih Cetindag 發表了該團隊如何辦到這項不可能的任務3,首先他們將 BNNTs 覆蓋上一層帶正電且分子夠大不會跑進管道內的塗料,接著再加上帶負電的鐵氧化合物顆粒,讓其附著在帶正電塗料上面。

之後再將 BNNTs 放入尚未凝固的聚合物薄膜中,這時候再通以磁場,因為鐵氧化合物帶有磁性,所以這時所有的 BNNTs 就會乖乖向著同一個方向排列,六年來的難題終於被破解啦(灑花)。

最後只要讓聚合物薄膜凝固,清除物質兩面的表層保證 BNNTs 的暢通,就可以得到每平方公分有一千萬條 BNNTs 的新型透膜!

縱使已經超越前人的成果,他們仍認為還可以更好,因為目前只有 2% 的BNNTs有確實打開通道,因此還有很大的進步空間。相信在不久的將來,藍能將迎來期待已久的大突破,就讓我們一起期待這天的到來吧!

 參考資料

  1. Feng, J., Graf, M., Liu, K., Ovchinnikov, D., Dumcenco, D., Heiranian, M., … & Radenovic, A. (2016). Single-layer MoS 2 nanopores as nanopower generators. Nature, 536(7615), 197.
  2. Siria, A., Poncharal, P., Biance, A. L., Fulcrand, R., Blase, X., Purcell, S. T., & Bocquet, L. (2013). Giant osmotic energy conversion measured in a single transmembrane boron nitride nanotube. Nature, 494(7438), 455.
  3. Cetindag, S., Pendse, A., Praino, R. F., Kim, S., & Shan, J. W. (2019). Enhanced Electrokinetic Energy Conversion {\&} Ion-Selective Transport in Macroscopic Vertically Aligned BNNT Membranes. Bulletin of the American Physical Society.
  4. Rivers could generate thousands of nuclear power plants worth of energy, thanks to a new ‘blue’ membrane.

看到這則訊息的你,已成為這場最終戰役的見證者!

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一位小小小小地科研究生

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