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鹽差能(Salinity gradient energy or Salinity gradient power, SGP)為一種無污染的可再生能源，近年來逐漸受到科學界的關注。鹽差發電是指將兩種不同鹽濃度溶液之化學電位差轉換成電能，常見狀況是利用海水(高鹽度)和河水(低鹽度)之濃度差進行發電，後續衍伸至工業廢水、生活污水及其他天然水源等，只要有兩股具有鹽度差之水源即可產生鹽差能，如圖1所示[1]。鹽差能是世界第二大的能源，理論上利用全球的各種鹽度梯度可以產生巨大電力 (1.4~2.6 TW/年)，總發電量預估可以滿足全球電力需求(2 TW)或目前總能源消耗的 16%。

圖1   各類水循環提供鹽差發電之可能性[1]

反向電透析(Reverse electrodialysis, RED)為目前最常見且發展最為成熟的鹽差發電技術之一，其利用的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，驅動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 [2]。機制如圖2所示[3]。反向電透析利用陰/陽離子交換膜隔成濃室(例如:海水)與淡室(例如:河水)，並以濃度梯度作為驅動力，使陽離子與陰離子分別通過陽離子交換膜(CEM)與陰離子交換膜(AEM)，產生與電場相反之離子流。完整的RED系統由多組濃室及淡室堆疊而成，兩端則為電極(惰性電極，例如:鈦、石墨)，透過電極端發生氧化還原反應將離子能轉化為外部電流，藉以達到發電目的 [4]。

圖2  RED產電機制 [3]

鹽差發電的概念由Pattle在1954年首次提出[5]，他使用 47 對 8 cm²的薄膜堆疊組成小型模組，並於 39 °C 下分別通入淡水和海水，可獲得0.2 W/m²的功率輸出和 3.1 V 的電動勢。直到20年後，才陸續有研究團隊針對RED理論模型、操作條件等進行探討，早期雖有許多開創性的研究發表，證實了RED發電具有替代其他能源的可能性，但仍有產電的效能不佳，功率密度低 [6]、能量轉換效率低 [7]等問題需被克服。2007年因化石燃料價格飆升，對再生能源需求增加，RED又開始被廣泛的研究，此時薄膜市場需求同時興起，薄膜效能獲得改善，RED技術亦快速進展。相關文獻研究方向與數量統計如 圖3所示 [2]。

圖3   RED文獻研究方向與數量統計[2]

電容反向電透析(Capacitive reverse electrodialysis, CRED)為RED所衍伸出的另一技術，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。圖4為最少膜單元之CRED機制圖[8]，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離子交換膜來產生電位差，再利用電位差來發電。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。

工研院材化所研究團隊依過去豐富之倒極式電透析(Electrodialysis reverse, EDR)及電容去離子(Capacitive deionization, CDI)之經驗及技術能量，已投入CRED鹽差發電技術之先期研究，透過整合電透析膜材及電容特性之多孔性材料電極材料，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4   CRED產電機制 [8]

參考文獻
[1] R. A. Tufa, S. Pawlowski, J. Veerman, K. Bouzek, E. Fontananova, G. di Profiod, S. Velizarov, J. G. Crespo, K. Nijmeijer, E. Curcio, Progress and prospects in reverse electrodialysis for salinity gradient energy conversion and storage, Applied Energy 225 (2018) 290-331.
[2] Y. Mei, C. Y. Tang, Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: A review, Desalination 425 (2018) 156-174.
[3] G. Z. Ramon, B. J. Feinberg, E. M.V. Hoek, Membrane-based production of salinity-gradient power, Energy & environmental science 4.11 (2011) 4423-4434.
[4] D. A. Vermaas, Energy generation from mixing salt water and fresh water, Smart Flow Strategies for Reverse Electrodialysis (2013).
[5] R. Pattle, Production of electric power by mixing fresh and salt water in the hydroelectric pile, Nature 174 (1954) 660.
[6] R. Audinos, Reverse electrodialysis. Study of the electric energy obtained by mixing two solutions of different salinity, J. Power Sources 10 (1983) 203-217.
[7] H. Ohya, Dialytic Battery Convertible Free Energy of Mixing of Sea Water and River Water, Organized by Korean Inst of Chemical Engineers (1983) 451-456.
[8] D. A. Vermaas, Clean energy generation using capacitive electrodes in reverse electrodialysis, Energy & environmental science 6.2 (2013) 643-651.

撰寫人：鄭茲瑀/許皓翔
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