微生物脫鹽電池驅動薄膜電容去離子裝置應用於產電-脫鹽技術之研究

Development of Microbial Desalination Cell Driven Membrane Capacitive Deionization for Energy Production and Desalination

馬緻宇(Chih-Yu Ma)

指導教授 ： 侯嘉洪

國立臺灣大學/工學院/環境工程學研究所/碩士(2016年)

https://doi.org/10.6342/NTU201603590

摘要

隨著全球人口快速增加與對經濟發展的追求，於近年來社會大眾對於水資源之需求日益遽增。另一方面，水淡化過程中需耗損大量能源，造成水淡化技術成本居高不下。因此，如何開發具有永續性之水處理技術，已成為現今研究學者所熱切關注之議題。微生物脫鹽電池(Microbial Desalination Cell, MDC)是以微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)為基礎而衍生之新興生物電化學系統，因具有可同時產電、廢水處理與脫鹽之效能，因此被視為一項具發展潛力之生物脫鹽技術。此外，電容去離子技術(Capacitive Deionization, CDI) 為一項新穎之水處理技術，以電極/溶液界面之電雙層為運行原理，利用電吸附程序去除溶液中之無機離子，具有無二次性污染、低能量消耗以及可逆性等優勢。
電極材料對生物電化學系統之產電效能佔有重要影響，而透過奈米碳管改質之三維立體結構碳電極，除了擁有良好的導電性能與高比表面積外，還能增加基質與電極間之接觸面積，並提供陽極內微生物聚集或附著所需要的空間，加速電子之傳遞，進而大幅的提升系統電能輸出，因此於近幾年開始受到廣泛關注。本研究結合微生物脫鹽電池與薄膜電容去離子技術各自特點，以微生物脫鹽電池作為能源驅動電吸附程序，發展具有廢水處理與脫鹽之永續性水淡化系統。並進一步以奈米碳管複合材料製備之三維孔洞電極作為MDC電極使用，探討電極改良對於MDC產電效能與脫鹽成效之提升。結果顯示：(1) 於MDC系統中，脫鹽率接近99%，COD去除率達到90%；(2) 以電吸附程序處理MDC脫鹽槽出流水，於批次實驗下，其溶液導電度能降至15 μS/cm以下；(3) 使用三維孔洞電極之MDC系統驅動CDI裝置，於濃度為5 mM NaCl 溶液中進行電吸附實驗，因MDC輸出電壓增加，使CDI移除效率可達到84.14%，較使用商用電極MDC系統之CDI移除效率(43.14%)提升約一倍。本研究結果證實：MDC-CDI系統作為一項多功能之水處理技術，擁有良好之處理效果與永續發展之可能性。而三維孔洞電極應用於微生物脫鹽電池中，則可有效提升系統效能，並增加其運用於其他電化學處理程序之應用潛力。

關鍵字

薄膜電容去離子技術 ； 微生物脫鹽電池 ； 微生物燃料電池 ； 三維孔洞電極 ； 海綿 ； 電吸附

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membrane capacitive deionization ； microbial desalination cell ； microbial fuel cell ； three-dimension porous electrode ； sponge ； electrosorption

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