微生物的海水淡化廠 — 微生物脫鹽電池

微生物的海水淡化廠 — 微生物脫鹽電池 (Microbial Desalination Cell)
國立臺灣大學環境工程學研究所 馬緻宇

近年來，因應全球石化工業與科技產業的快速發展而造成的龐大用水量需求，各國政府無不積極尋找替代水源之可行方法。台灣雖有豐沛的降雨量，但卻受限於地形與氣候等原因，使能使用之用水量僅為全球平均值的六分之一。而台灣四面環海，海水對於我們可說是最不虞匱乏的水資源，因此如何將海水有效地轉換成可供使用之水資源已經成為台灣政府與專業學者目前急需解決的課題。

根據經濟部水利署 103 年的統計資料顯示，目前台灣有 22 座的海水淡化廠且大多設置於發電廠周圍或是離島區域，主要是藉由 RO 逆滲透與蒸餾等技術進行海水淡化，但是高昂的操作與維護成本仍是使得海水淡化技術無法普及利用的主要原因。

圖一 微生物脫鹽電池示意圖。（本文作者馬緻宇繪製）

微生物脫鹽電池 (Microbial Desalination Cell, MDC) 為一項於 2009 年由相關研究學者提出的新興海水淡化方式，是一種能夠同時達到分解污染物、產電與去除高濃度鹽水之綠色生物電化學技術。而微生物脫鹽電池的構造與一般常見的為生物燃料電池不同，如圖一所示，是由陽極槽 (anode chamber)、脫鹽槽 (desalination chamber) 與陰極槽 (cathode chamber) 所構成之三槽式的反應器，並在在脫鹽槽兩側分別加上陰離子交換膜 (anion exchange membrane) 與陽離子交換膜 (cation exchange membrane)，可選擇性地僅讓陽離子或陰離子通過。

而微生物脫鹽電池的原理是透過陽極槽內的產電微生物降解廢水中的有機物同時向陽極液體中釋放出質子，由於陽極槽旁緊鄰著陰離子交換膜，使得產生的質子無法穿透薄膜並使正電荷於陽極槽內累積。另一方面，陽極槽中產生的電子透過外部迴路傳遞至陰極槽並消耗了陰極槽中的質子，使陰極槽內的氫氧根離子不斷增加，造成負電荷累積。因此藉由陰陽兩極槽的電荷不平荷與離子交換膜的選擇性，使其能在不施加外部壓力與電場下，讓脫鹽槽內的鈉離子向陰極槽移動、氯離子向陽極槽移動，進而達到海水淡化之目的。

而目前在實驗室內的試驗下，微生物脫鹽電池已能夠達到 90% 以上的脫鹽效率（溶液濃度多使用 35 g/L 之氯化鈉溶液），並且有良好的有機物降解能力。因此，微生物脫鹽電池具有污水淨化、無耗能的海水淡化並能同時產生電能等優點，是一項極具有發展潛力之海水淡化技術。但其操作過程中仍受限於薄膜積垢、pH 值不平衡與無法去除低濃度鹽水等問題，因此如何解決這些問題並提升微生物脫鹽電池於實場操作之應用性是現今研究學者努力的目標。

參考文獻

1. Cao, X., Huang, X., Liang, P., Xiao, K., Zhou, Y., Zhang, X., & Logan, B. E. (2009). A new method for water desalination using microbial desalination cells. Environmental science & technology, 43(18), 7148-7152.
2. Kim, Y., & Logan, B. E. (2013). Microbial desalination cells for energy production and desalination. Desalination, 308, 122-130.
3. Saeed HM, Husseini GA, Yousef S, Saif J, Al-Asheh S, Abu Fara A, Azzam S, Khawaga R, Aidan A: Microbial desalination cell technology: A review and a case study. Desalination 2015, 359(0):1-13.