Summary
نحن نثبت تصنيع جهاز التحليل الكهربائي العكسي باستخدام غشاء تبادل cation (CEM) وغشاء تبادل أنيون (AEM) لتوليد الطاقة.
Abstract
التحليل الكهربائي العكسي (RED) هو وسيلة فعالة لتوليد الطاقة عن طريق خلط تركيزين مختلفين من الملح في الماء باستخدام أغشية تبادل التشجير (CEM) وأغشية تبادل الأيونات (AEM). يتكون المكدس الأحمر من ترتيب متناوب لغشاء تبادل cation وغشاء تبادل الأيونات. يعمل الجهاز RED كمرشح محتمل لتلبية الطلب العالمي على أزمات الطاقة في المستقبل. هنا، في هذه المقالة، ونحن نظهر إجراء لتصنيع جهاز التحليل الكهربائي العكسي باستخدام CEM على نطاق المختبر و AEM لإنتاج الطاقة. المنطقة النشطة من غشاء التبادل الأيوني هي 49 سم2. في هذه المقالة، ونحن نقدم إجراء خطوة بخطوة لتجميع الغشاء، تليها التجميع المكدس وقياس الطاقة. كما تم شرح شروط القياس وحساب صافي ناتج الطاقة. وعلاوة على ذلك، فإننا نصف المعايير الأساسية التي تؤخذ في الاعتبار من أجل الحصول على نتيجة موثوقة. كما نقدم معلمة نظرية تؤثر على الأداء الكلي للخلية فيما يتعلق بالغشاء ومحلول التغذية. باختصار، تصف هذه التجربة كيفية تجميع وقياس الخلايا الحمراء على نفس المنصة. كما يحتوي على مبدأ العمل والحساب المستخدم لتقدير صافي إنتاج الطاقة من المكدس الأحمر باستخدام أغشية CEM و AEM.
Introduction
إن حصاد الطاقة من الموارد الطبيعية هو أسلوب اقتصادي صديق للبيئة، مما يجعل كوكبنا أخضر ونظيفا. وقد اقترحت عدة عمليات حتى الآن لاستخراج الطاقة، ولكن عكس التحليل الكهربائي (RED) لديه إمكانات هائلة للتغلب على أزمة الطاقة القضية1. إنتاج الطاقة من التحليل الكهربائي العكسي هو طفرة تكنولوجية لإزالة الكربون من الطاقة العالمية. كما يوحي الاسم، RED هو عملية عكسية، حيث تمتلئ مقصورة الخلية البديلة بمحلول الملح عالي التركيز ومحلول الملح منخفض التركيز2. الإمكانات الكيميائية الناتجة عن فرق تركيز الملح عبر أغشية التبادل الأيوني ، التي تم جمعها من الأقطاب الكهربائية في نهاية المقصورة.
منذ عام 2000 ، وقد نشرت العديد من المقالات البحثية ، وتوفير نظرة ثاقبة RED نظريا وتجريبيا3،4. الدراسات المنهجية على ظروف التشغيل ودراسات الموثوقية في ظل ظروف الإجهاد تحسين بنية المكدس وتعزيز الأداء الكلي للخلية. حولت العديد من المجموعات البحثية انتباهها نحو تطبيق RED الهجين ، مثل RED مع عملية تحلية المياه5، RED مع الطاقة الشمسية6، RED مع عملية التناضح العكسي (RO)5، RED مع خلية الوقود الميكروبية7، وRED مع عملية التبريد الإشعاعي8. كما ذكر سابقا، هناك الكثير من المجال في تنفيذ تطبيق RED الهجين لحل مشكلة الطاقة والمياه النظيفة.
وقد اعتمدت عدة طرق لتعزيز أداء الخلية الحمراء وقدرة الغشاء على تبادل الأيونات. تكييف أغشية تبادل cation مع أنواع مختلفة من الأيونات باستخدام مجموعة حمض الكبريتيك (-SO3H)، مجموعة حمض الفوسفونيك (-PO3H2)،ومجموعة حمض كاربوكسيليك (-COOH) هي واحدة من الطرق الفعالة لتغيير الخصائص الفيزيائية الكيميائية للغشاء. صممت أغشية تبادل أنيون مع مجموعات الأمونيوم ( 
)9. الموصلية الأيونية العالية ل AEM و CEM دون تدهور القوة الميكانيكية للغشاء هي المعلمة الأساسية لاختيار غشاء مناسب لتطبيق الجهاز. يوفر الغشاء القوي في ظل ظروف الإجهاد الاستقرار الميكانيكي للغشاء ويعزز متانة الجهاز. هنا، يتم استخدام مزيج فريد من البولي السلفونات القائم بذاته عالي الأداء (إيثر إيثر كيتون) (sPEEK) كأغشية تبادل cation مع FAA-3 كأغشية تبادل الأنيون في تطبيق RED. ويبين الشكل 1 مخطط تدفق الإجراء التجريبي.
الشكل 1: مخطط الإجراءات. يعرض مخطط التدفق الإجراء المعتمد لإعداد غشاء التبادل الأيوني متبوعا بعملية قياس التحليل الكهربائي العكسي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. شرط تجريبي
- شراء البوليمر الأيونات التبادل، E-550 سلفونات-PEEK ألياف البوليمر لإعداد CEM و FAA-3 لإعداد AEM. تأكد من تخزين جميع البوليمرات الأيونومية في بيئة نظيفة وجافة وخالية من الغبار قبل الاستخدام.
- استخدام المذيبات عالية النقاء (>99٪)، بما في ذلك N-ميثيل-2- بيروليدون مع الوزن الجزيئي 99.13 غرام مول-1 ون، N-Dimethylacetamide مع الوزن الجزيئي 87.12، لإعداد حل أيونومر متجانسة. ضمان استخدام جميع المواد الكيميائية والمذيبات التحليلية الجودة لإعداد الأغشية كما وردت دون أي تنقية أخرى.
- بعد عملية تنشيط الأغشية، قم بغمر جميع الأغشية على الفور في محلول NaCl 0.5 M للحصول على أداء أفضل. بعد تنشيط كلا الغشاءين ، لا يلزم التجفيف. الماء مع المقاومة هو 18.2 MΩ في درجة حرارة الغرفة كان يستخدم في جميع أنحاء توليف الغشاء.
- تميز خصائص الغشاء باستخدام غشاء جاف. وصف مفصل لتقنيات التوصيف وخصائصها الفيزيائية الكيميائية مثل القدرة على التبادل الأيوني، التوصيلية الأيونية، سمك، التحليل الحراري، ومورفولوجيا السطح، كما هو معروض في الأدبيات10،11.
- استخدام القاطع لتشكيل الغشاء لCEM و AEM لحجم المكدس الأحمر مع مساحة نشطة من 49 سم2، كما هو معروض في الشكل 2.
- لتصنيع المكدس الأحمر، وجعل ترتيب CEM و AEM بديل، مفصولة المسافة والحشايا؛ يتم تقديم صورة حقيقية للكومة RED العمل في الشكل 3a، ويتضح الرسم التخطيطي لكل طبقة في الشكل 3b.
- أولا، ضع لوحة PMMA التي تواجه القطب رأسا على عقب. الآن، ضع طوقا مطاطيا ومتباعدا عليه، ثم ضع CEM. بعد ذلك ، ضع طوقا السيليكون مع المتباعد على CEM ثم ضع AEM عليه. وبالمثل، إضافة طوقا السيليكون والمتباعد على الجزء العلوي من AEM تليها CEM. الآن، ضع لوحة PMMA نهاية، طوقا المطاط، والمتباعد تليها تشديد باستخدام مسامير المسمار والجوز.
- بعد تجميع المكدس الأحمر، تحقق من التدفق الحر للتركيز العالي (HC)، وانخفاض التركيز (LC)، وشطف الحلول واحدا تلو الآخر. أي تدفق متقاطع أو تسرب مطلوب للتخلص منه قبل القياس.
- قبل قياس التيار والجهد، ومراقبة معدل تدفق حلول الملح والضغط قياس القراءة وتأكد من ثباته. تأكد من أن جميع الاتصالات في المكان المحدد قبل بدء القياس. تجنب لمس مكدس RED وأنابيب توصيله أثناء تشغيل القياس.
ملاحظة: تدفق محلول HC وLC من مقصوراتهما لتجاهل المقصورة من خلال مضخة عمودية، وقياس الضغط، وكومة RED، على التوالي. - استخدام طريقة galvanostat لقياس التيار والجهد، وأداة متر المصدر متصلة المكدس الأحمر من خلال مقاطع التماسيح.
الشكل 2: حجم وشكل الغشاء المعد ، طوقا ، والمتباعد لتصنيع التحليل الكهربائي العكسي. (أ) طوقا السيليكون الخارجي ، (ب) المسافة الخارجية والمتباعد الداخلي ، (ج) طوقا السيليكون الداخلية ، (د) غشاء تبادل cation ، (ه) غشاء تبادل الأيونات ، و (و) طوقا وتجميع الغشاء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: عكس مكدس التحليل الكهربائي. (أ) إعداد مكدس التحليل الكهربائي العكسي مع أنابيب الربط، و (ب) التوضيح التخطيطي لطبقات مختلفة، بما في ذلك لوحات نهاية PMMA، والأقطاب الكهربائية، طوقا، فاصل، CEM، و AEM. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. أيون تبادل إعداد الغشاء
ملاحظة: تم تحسين كمية المواد السليفة للحصول على غشاء بقطر 18 سم وسمك ~ 50 ميكرومتر.
-
غشاء تبادل Cation
- خذ 5 wt٪ من ألياف SULFONATED-PEEK في قارورة قاع مستديرة سعة 250 مل وحل الألياف في Dimethylacetamide (DMAc) كمذيب له وزن جزيئي 87.12 غرام مول-1. يهز قارورة لمدة 10 دقيقة بحيث تستقر جميع البوليمرات الأيونومير.
- ضع شريط مغناطيسي في القارورة ثم احتفظ بالخليط في حمام زيت السيليكون، يليه التحريك بقوة عند 500 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة عند 80 درجة مئوية للحصول على محلول متجانس.
- تصفية حل SULFONATED-PEEK من خلال 0.45 ميكرومتر حجم المسام Polytetrafluoroethylene (PTFE) مرشح.
- بعد ذلك، صب الحل المصفاة على طبق زجاجي دائري بقطر 18 سم. تأكد من إزالة جميع فقاعات الهواء باستخدام منفاخ الهواء قبل وضع طبق بيتري في الفرن.
- ضع طبق بيتري داخل فرن لتجفيف المحلول عند 90 درجة مئوية لمدة 24 ساعة ، مما أدى إلى غشاء قائم بذاته سمكه ~ 50 ميكرومتر. القيام بذلك لاستخراج غشاء قائم بذاته: لتقشير الغشاء من طبق بيتري، وملء طبق بيتري مع ماء التقطير الدافئ (~ 60 درجة مئوية) والسماح لها بالوقوف لمدة 10 دقيقة لم يمسها. سوف يخرج الغشاء القائم بذاته تلقائيا.
- لتنشيط الغشاء، تزج الغشاء القائم بذاته المعدة في 1 M حمض الكبريتيك (H2SO4)محلول مائي، أي 98.08 غرام، في 1 لتر من الماء المقطر، واحتضان لمدة 2 ساعة في 80 درجة مئوية.
ملاحظة: هذه الخطوة سوف تضمن إزالة الجسيمات الأجنبية وغيرها من المواد الكيميائية مثل المذيبات التي من شأنها أن تقلل من إمكانية الغشاء من قاذورات. - غسل الغشاء المنقوع مع 1 لتر من الماء المقطر لمدة 10 دقائق، على الأقل ثلاث مرات في درجة حرارة الغرفة.
- غشاء تبادل أنيون
- حل حل أيونمر FAA-3 10 wt.٪ في N-ميثيل-2-بيروليدون (NMP) المذيبات.
- الحفاظ على الحل لتحريك في درجة حرارة الغرفة لمدة 2 ساعة في ~ 500 دورة في الدقيقة.
- بعد ذلك، قم بتصفية الحل باستخدام الشبكة بحجم مسام 100 ميكرومتر.
- صب ~ 30 مل تصفية الحل في طبق بيتري الزجاج الدائري مع قطرها 18 سم. تأكد من إزالة جميع فقاعات الهواء باستخدام منفاخ الهواء قبل وضع طبق بيتري الزجاجي في الفرن. تتم عملية التجفيف عند 100 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
- للحصول على غشاء قائم بذاته، صب الماء المقطر الساخن في طبق بيتري الزجاج والاحتفاظ بها لمدة 10 دقيقة على الأقل. الآن قشر قبالة الأغشية ومكان في 1 لتر من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) حل (تركيز 1M والوزن الجزيئي 40 غرام مول-1)لمدة 2 ساعة.
- ثم غسل الغشاء جيدا مع 1 لتر من الماء المقطر لمدة 10 دقائق، على الأقل ثلاث مرات في حالة المحيطة.
ملاحظة: تم تخزين جميع الأغشية المعدة في محلول NaCl 0.5 M بين عشية وضحاها قبل استخدامه في كومة RED. بحيث يحصل على تعزيز الموصلية الغشاء ويمكن تحقيق أداء الناتج استقرت أثناء قياس المكدس الأحمر. يصف الجدول 1 خصائص الغشاء10،11.
| مواصفات | وحدة | CEM | AEM |
| درجة تورم | % | 5±1 | 1±0.5 |
| كثافة الشحن أو سعة تبادل الأيونات | ميك / غ | 1.8 | ~1.6 |
| الخصائص الميكانيكية (قوة الشد) |
الكروب الذهنيه | >40 | 40-50 |
| استطالة لكسر | % | ~ 42 | 30-50 |
| مودولو الشباب (MPa) | 1500±100 | 1000-1500 | |
| الموصلية في درجة حرارة الغرفة | S/سم | ~0.03 | ~ 0.025 |
| الانتقائية | % | 98-99 | 94-96 |
| سمك | ميكرومتر | 50±2 | 50±3 |
| المذيبات | - | ديميثيليستاميد (DMAc) | N-ميثيل-2-بيروليدون (NMP) |
الجدول 1: خصائص الأغشية. ملخص لكل من خصائص غشاء تبادل cation وتبادل أنيون.
3. تصنيع التحليل الكهربائي العكسي
-
تجميع مكدس أحمر
- إعداد حل نموذج باستخدام 0.6 M NaCl لتركيز عالي (HC) و 0.01 M NaCl لمقصورات التركيز المنخفض (LC)12.
ملاحظة: هنا، تعتبر مياه النهر محلول ملح منخفض التركيز، ويتم تمثيل مياه البحر كمحلول ملح عالي التركيز. - إعداد 5 لتر من تركيز عال وانخفاض تركيز الحل في حاوية كبيرة متصلة مع الأنابيب. الحفاظ على الحلول اثارة في الظروف المحيطة (درجة حرارة الغرفة) لمدة 2 ساعة على الأقل قبل أن يتم استخدامه في كومة الأحمر.
- إعداد خليط من 0.05 M من [في (CN)6]-3/ [في (CN)6]-4 و 0.3 M NaCl في الماء 500 مل كحل شطف لRED.
- قم بتوصيل حاويات الحلول الثلاثة بمكدس RED باستخدام أنابيب مطاطية من خلال المضخة العاكسة ومقاييس الضغط. استخدم أنبوب مقاس L/S 16 لحل الشطف، واستخدم أنبوب مقاس L/S 25 لحل HC وLC.
- لجعل كومة الأحمر، واتخاذ اثنين من لوحات النهاية المصنوعة من الميثاكريل polymethyl (PMMA). قم بتوصيل اللوحتين الأماميتين أفقيا وجها لوجه بالمكسرات والبراغي والغسالات باستخدام قوة 25 نيوتن متر باستخدام برنامج تشغيل مفتاح رقمي. سمك لوحات نهاية PMMA 3 سم، وتم تصميم مسار قنوات التدفق في لوحات لHC، LC، وشطف الحل من قبل الحفار2.
- وضع اثنين من أقطاب شبكة مصنوعة من التيتانيوم المعدنية (تي) المغلفة مع خليط من الإيريديوم (Ir) وروثينيوم (رو) في نسبة 1:1 ومكان في نهاية لوحات PMMA. يتم توصيل كل من أقطاب نهاية مع مقطع التماسيح من متر المصدر.
ملاحظة: تم تجهيز كل من لوحات نهاية PMMA بأقطاب كهربائية شبكية ، وتم وضع كلا القطبين مع فاصل شكل مربع ، ولوحة نهاية PMMA مغطاة بطوق مطاطي مواجه للداخل. بعد ذلك ، يتم وضع CEM و AEM بدلا من ذلك ، مفصولين بحشية السيليكون والمتباعد ، كما هو موضح في الشكل 3. - تثبيت طوقا السيليكون، والفواصل البوليمر، والأغشية التبادل الأيوني (CEM و AEM) طبقة طبقة، كما هو معروض في الرسم التخطيطي الشكل 4 والشكل 5. ضمان المنطقة النشطة من الأقطاب الكهربائية، كل من الأغشية، الخارجي والداخلي المتباعد، طوقا الخارجي والداخلي هو 7 × 7 = 49 سم2.
- تمرير عالية التركيز ومنخفضة تركيز المحاليل من المقصورات المعنية من قبل مضخات التجبير، كما هو معروض في الرسم التخطيطي في الشكل 4.
- تعميم حل شطف في القطب الخارجي ومقصورات الغشاء في وضع إعادة التدوير باستخدام مضخات العتمة. معدل التدفق المستخدم لحل الشطف هو 50 مل دقيقة-1.
- يستخدم معدل التدفق الثابت لتحليل أداء كل غشاء. في هذه التجربة، استخدمنا 100 مل دقيقة-1 من خلال مضخة التجسيم.
- إعداد حل نموذج باستخدام 0.6 M NaCl لتركيز عالي (HC) و 0.01 M NaCl لمقصورات التركيز المنخفض (LC)12.
الشكل 4: تمثيل تخطيطي للاتصال أنبوب مع كومة التحليل الكهربائي العكسي. اتصال التحليل الكهربائي العكسي مع مضخات التجبير، حاوية محلول عالي التركيز، حاوية محلول منخفض التركيز، وعاء حل الشطف، وحاوية محلول التخلص. كما يظهر محاذاة المتباعد مع كل من غشاء تبادل أنيون (AEM) وغشاء تبادل cation (CEM). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5:الرسم التخطيطي للطبقات المختلفة في إعداد التحليل الكهربائي العكسي. (أ) عرض مقطع عرضي لرسم تخطيطي للتحليل الكهربائي العكسي يظهر اتجاه تدفق محلول التركيز العالي ، محلول التركيز المنخفض ، ومحلول شطف القطب الكهربائي. مكونات أخرى مثل الأقطاب الكهربائية، طوقا الخارجي والداخلي، الفواصل الخارجية والداخلية، غشاء تبادل cation، وغشاء تبادل أنيون. (ب) عرض أمامي للكدسة، والذي يظهر اتجاه تدفق الحل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
4. قياس التحليل الكهربائي العكسي
-
حساب الطاقة
- السماح للتركيز العالي، وانخفاض التركيز، وشطف الحل، تشغيل من خلال كومة على الأقل لمدة 5 دقائق. قياس أداء الإخراج RED بواسطة مقياس المصدر، الذي يرتبط بكل من الأقطاب الكهربائية للكومة الحمراء13.
- احسب خصائص الجهد الحالي للكدسة الحمراء من حيث كثافة الطاقة باستخدام طريقة galvanostat.
ملاحظة: في طريقة galvanostat، يتم تطبيق تيار ثابت عبر الأقطاب الكهربائية ويقيس التيار الناتج. التيار الناتج هو التيار المتولد بسبب التفاعل الكهروكيميائية في المكدس. يتم إجراء القياس تحت الجهد الثابت 0.05 V مع تيار اكتساح ثابت 10 mA. - يتم قياس كثافة الطاقة القصوى للكدسة الحمراء بمساعدة المعادلة التالية 1.
(1)
هنا، Pماكس هو الحد الأقصى لكثافة الطاقة من المكدس الأحمر (WM-2)،يو كومة هو الجهد (V) التي تنتجها الغشاء في المكدس، وأناكومة هو التيار المسجل (A)،وميم هو المنطقة النشطة من الأغشية (م2).
(1)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
صافي إنتاج الطاقة
تولد الخلية الحمراء بشكل عام طاقة كهربائية من تدرج الملوحة لمحلول الملح ، أي حركة الأيونات في الاتجاه المعاكس من خلال الغشاء. لتجميع المكدس الأحمر بشكل صحيح ، يحتاج المرء إلى محاذاة جميع الطبقات ، بما في ذلك الأقطاب الكهربائية والحشايا والأغشية والفواصل في المكدس بعناية ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي في الشكل 4 والشكل 5. إذا لم يتم محاذاة المكدس تماما، قد تنشأ مشكلتين: (1) HC و LC حل التدفق المتبادل قد تحدث في المكدس و (2) تسرب الحل في المكدس قد يحدث. من الضروري القضاء على كل من المشاكل قبل البدء في القياس الفعلي لإخراج الطاقة. هناك معايير أخرى تحتاج إلى إصلاح، بما في ذلك معدل تدفق HC وLC الحل، وضغط الضخ، والجهد التطبيقي، للحصول على كفاءة انتاج الطاقة. لتقدير الطاقة الصافية للكومة الحمراء ، يحتاج المرء إلى خصم فقدان الطاقة الهيدروديناميكية من صافي الطاقة10الذي تم الحصول عليه. يتم الحصول على أقصى قدر من انتاج الطاقة من المكدس الأحمر عن طريق ضرب الجهد التي تم الحصول عليها والتيارات. في المقابل، يجب تقسيم المنطقة النشطة وعدد أزواج الأغشية للحصول على كثافة الطاقة الفعلية للكومة، كما هو معطى من المعادلة1 14،15. يتم طرح إجمالي الطاقة التي تم الحصول عليها من المكدس الأحمر عن طريق فقدان الطاقة الهيدروديناميكية أو فقدان الطاقة الضخ التي تولدها المضخة والمعطى من المعادلة التالية 2.
(2)
هنا،P الخسارة هي فقدان الطاقة ضخ الهيدروديناميكية (W م-2)المنتجة في المكدس الأحمر عن طريق الخسارة الداخلية. فالحد الأقصى هو أقصى قدر من الطاقة (W م-2)التي تم الحصول عليها من التجربة. أعلى صافي إنتاج الطاقة المبلغ عنها لRED هو 1.2 واط م-2 باستخدام مياه النهر ومياه البحر من قبل فيرماس16. ويمثل فقدان الطاقة كاختلاف الضغط في مدخل ومنفذ من HC وLC الحل في المكدس ونظرا لانخفاض الضغط (ΔP),معدل التدفق (Q), وكفاءة مضخة (ηمضخة)17,18.
(3)
هنا، QH و QL هي معدل التدفق (mLmim-1)من محلول عالي التركيز ومحلول تركيز منخفض في mL دقيقة-1 و ΔPH و ΔPL هو انخفاض الضغط في جانب التركيز العالي ومقصورة التركيز المنخفض في Pa. هنا، وانخفاض الضغط المقاس من مقياس الضغط لمقصورة HC هو 11790 السلطة الفلسطينية وحجيرة LC هو 11180 السلطة الفلسطينية. إن خسارة طاقة الضخ المحسوبة(خسارةP) هي 0.038 واط م-2.
تقدير المعلمة النظرية
في الأساس ، يتكون نظام RED من نوعين مختلفين من أغشية التبادل الأيوني ، طوقا ، مضخة ، فاصلات ، وقطب كهربائي. ويقدر انخفاض الضغط عبر المكدس الأحمر نظريا باستخدام معادلة دارسي ويسباخ11،19. في نظام RED مثالي ، يتم استخدام تدفق صفح من الحل في قناة موحدة واسعة لا نهائية لحساب انخفاض الضغط.
(4)
هنا، dh (m) هو القطر الهيدروليكي للقناة، في حين أن القطر الهيدروليكي لقناة واسعة لا نهائية هو 2h. المعلمات الأخرى هي لزوجة الماء (Pa·s)، tres هو وقت الإقامة (ق)، L هو طول الغشاء (سم). في المكدس الأحمر، sPEEK كما CEM و FAA-3 كما يتم استخدام AEM، والمسافة بين كلا الأغشية تعطى من قبل مصطلح ب، الذي يتناسب مباشرة مع قيمة القطر الهيدروليكي في حالة الغشاء لمحة، و"ح" هو المسافة بين اللمبران (م)، وتعطى من المعادلة 520.
(5)
بالنسبة لقناة واسعة لا نهائية، تكون القيمة المحسوبة من المعادلة 6 أقل بكثير من قيمة القناة العريضة المحدودة. القيم التي تم الحصول عليها منخفضة الحجم، وهو ما يرجع إلى عدم توحيد مدخل ومنفذ حلول التغذية. شبكة المسافة يحد من تدفق حلول الملح المائي بسبب تأثير الظل المتباعد، مما أدى إلى زيادة في قوة الضخ. وضع القيمة التي تم الحصول عليها من نسبة السطح إلى الحجم (Ssp / V sp) من شبكة المسافة في الصيغة ، ε هو المسامية ، يمكن للمرء تقدير سمك القنوات المليئة بالمسافة من المعادلة 621،22.
(6)
سمك المسافة والمعلمات الأخرى، بما في ذلك نسبة مفتوحة، وفتح شبكة، وأقطار الأسلاك، يتم الاحتفاظ ثابتة في جميع المقصورات. استخدمت كل من مقصورات HC و LC نفس المحلول (NaCl) بتركيزات مختلفة. لذلك، فمن السهل تهيئة المعلمات، ويمكن إعطاء فقدان الضخ النظري من المعادلة 723.
(7)
حيث، A هي منطقة الغشاء النشط في M2 و Q تغذية معدل تدفق الحل في م3 ق-1. هنا، μ هو لزوجة الماء تقاس Pa·s، L هو طول الغشاء الذي قدمه سم، و tres هو وقت الإقامة في الثانية.
أداء المكدس الأحمر
تم التحقيق في أداء إخراج المكدس الأحمر باستخدام زوج خلية واحدة بمعدل تدفق ثابت قدره 100 مل دقيقة-1. كما تم الاحتفاظ بتركيز محلول التغذية ثابتا لتركيز أعلى (0.6 م)، وتركيز أقل (0.01 م) تم إعداده من ملح NaCl. ويلاحظ أن كثافة الطاقة القصوى هي 0.69 واط م-2 في 100 مل دقيقة-1،وصافي كثافة الطاقة هو 0.66 واط م-2 كما هو معروض في الشكل 6. ارتفاع معدل التدفق وارتفاع قدرة تبادل الأيونات تلعب دورا هاما في الحصول على أداء أفضل للخلية لأن نقل الأيونات هو أكثر نشاطا بمعدل تدفق أعلى. من ناحية أخرى ، فإنه يقلل من مقاومة طبقة الحدود الانتشار في الواجهة. الفرق في تدرج الملوحة لتركيز الملح يؤدي إلى الجهد الدائرة المفتوحة، كما هو موضح في الشكل 6. هذا الجهد يعتمد على المقاومة الداخلية للكومة الحمراء والمعلمات الأخرى. ويلاحظ أنه مع زيادة الكثافة الحالية ، يبدأ الجهد في الانخفاض في حين أن كثافة الطاقة في الخلية تزداد في البداية في الحصول على الحد الأقصى عند قيمة كثافة تيار معينة ثم تنخفض. ويرجع هذا الانخفاض في كثافة الطاقة إلى زيادة المقاومة الداخلية للكومة، كما هو موضح في الشكل 6.
الشكل 6: أداء إخراج جهاز التحليل الكهربائي العكسي: (أ) اختلاف الجهد الناتج مع تيار متفاوتة، و (ب) كثافة الطاقة الصافية مع كثافة الحالية متفاوتة من المكدس الأحمر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ويهيمن أساسا على مبدأ العمل الأحمر من قبل خصائص الغشاء الفيزيائية الكيميائية، والتي هي جزء حاسم من النظام RED، كما هو موضح في الشكل 3. هنا، ونحن نصف الخصائص الأساسية للغشاء لتقديم نظام RED عالية الأداء. نفاذية الغشاء الأيونية المحددة تجعله يمرر نوعا واحدا من الأيونات من خلال قناة البوليمر النانوية الخاصة بهم. كما يوحي الاسم، يمكن أن تمر CEM cation من جانب إلى آخر ويقيد أنيون، في حين أن AEM يمكن تمرير أنيون ويقيد cation. كما هو مبين في الشكل 2، تم تشكيل جميع الأغشية في حجم مكدس أحمر يحتوي على مدخل ومنفذ ممر لحل التدفق. كمية الأيونات المتبادلة من خلال الغشاء تتناسب بشكل مباشر مع موصلية الغشاء ، وبالتالي ، فإن إخراج الطاقة من المكدس24. حركة الأيونات في غشاء التبادل الأيوني يعمل على مبدأ استبعاد دونان25. مجموعة الشحن المرفقة مع العمود الفقري البوليمر يصد نفس التهمة الموجودة في الحل. وبالتالي، فإن ارتفاع كثافة الشحنة أكبر يكون التنافر، والذي يعتمد عادة على الانتقائية بيرم. عموما، في الخلايا الحمراء، حركة الأيونات يحدث من خلال الغشاء من تركيز أعلى إلى تركيز أقل من المحلول. هذا النقل الأيوني من حجرة إلى أخرى من خلال الغشاء يعطي الجهد الدائرة المفتوحة والقيم الحالية، والذي يستخدم لحساب صافي انتاج الطاقة من الخلية26.
يعتمد أداء المكدس الأحمر بشكل رئيسي على قدرة التبادل الأيوني وكثافة التورم للأغشية المستندة إلى CEM و AEM27. ويلاحظ أنه كلما زادت قدرة التبادل الأيوني للكومينات والتبادل الأيوني، كلما كان التوصيلية أفضل. ومع ذلك ، فإن قدرة التبادل الأيوني الأعلى للغشاء تؤدي إلى تورم مرتفع ، مما يؤدي بسهولة إلى تدهور القوة الميكانيكية للغشاء. وبالتالي ، من الضروري تحسين كثافة التورم وموصلية الأغشية لأداء أفضل وموثوق به للخلايا. من ناحية أخرى ، من المهم أيضا تحسين مقاومة المكدس مع وظيفة تدفق محلول التغذية في كل من المقصورات. كلما زاد معدل التدفق، تقل مقاومة المكدس، ويزيد أداء خلية الإخراج. نظريا، يتم إعطاء مقاومة المكدس الأحمر بواسطة المعادلة 8.
(8)
N هو عدد أزواج الخلايا (ترتيب بديل لأغشية تبادل أنيون و cation)، A هو المجال الفعال لكل من الأغشية (m2)،RA هو مقاومة غشاء تبادل أنيون (Ω m2)،RC هو مقاومة غشاء تبادل cation (Ω m2)، دج هو سمك المقصورة مع محلول مركزة (م)، كج هو الموصلية الأيونية (S m-1)، د د هو سمك المقصورة مع محلول مخفف (م)، كد هو الموصلية الأيونية (S m-1)،وRه هو مقاومة القطب الكهربائي (Ω). الحد من مقاومة المكدس هو عامل أساسي لتعزيز صافي قوة الانتاج، ولكن عوامل أخرى تؤثر أيضا على أداء الخلية28،والتي تحتاج أيضا إلى النظر فيها. يتم عرض تأثير الظل المسافة ، وتدفق حل التغذية ، وعرض المقصورة ، وتركيز حل التغذية ، والرسوم التوضيحية التخطيطية للخلية الحمراء في الشكل 5.
في الخلايا الحمراء ، كان الغشاء بمثابة عامل محدود ويتطلب غشاء مستقرا عالي التوصيل. وبصرف النظر عن ذلك، يطلب من كل من CEM و AEM أن يكون لديهما خصائص مماثلة لإجراء أيون بحيث يمكن للخلية إنتاج مخرج طاقة فعال ومحسن. كما ينبغي أن يؤخذ في الاعتبار تدهور قدرة التبادل الأيوني وتراكم الملح من أجل الأداء الموثوق به للأحمر الضمحل. قد تؤدي مواد الأغشية الجديدة والهندسة المعمارية للأجهزة الحديثة إلى زيادة تحسين أداء الخلايا في المستقبل القريب وستمهد الطريق لتوجيه الأبحاث في المستقبل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ولا يعلن صاحبا البلاغ عن وجود تضارب في المصالح.
Acknowledgments
وقد تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) منحة ممولة من الحكومة الكورية (MEST) (رقم. NRF-2017R1A2A2A05001329). إن مؤلفي المخطوطة ممتنون لجامعة سوغانغ، سيول، جمهورية كوريا.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AEM based membrane | Fumion | P1810-194 | Ionomer |
| CEM based membrane | Fumion | E550 | Ionomer |
| Digital torque wrench | Torqueworld | WP2-030-09000251 | wrench |
| Labview software | Natiaonal Instrument | - | Software |
| Laptop | LG | - | PC |
| Magnetic stirrer | Lab Companion | - | MS-17BB |
| N, N-Dimethylacetamide | Sigma aldrich | 271012 | Chemical |
| N-Methyl-2- pyrrolidone | Daejung | 872-50-4 | Chemical |
| Peristaltic pump | EMS tech Inc | - | EMP 2000W |
| Potassium hexacyanoferrate(II) trihydrate | Sigma aldrich | P3289 | Chemical |
| Potassium hexacyanoferrate(III) | Sigma aldrich | 244023 | Chemical |
| Pressure Gauge | Swagelok | - | Guage |
| Reverse electrodialysis setup | fabricated in lab | - | Device |
| RO system pure water | KOTITI | - | Water |
| Rotary evaporator | Hitachi | YEFO-KTPM | Induction motor |
| Sodium Chloride | Sigma aldrich | S9888 | Chemical |
| Sodium Hydroxide | Merk | 1310-73-2 | Chemical |
| Source meter | Keithley | - | 2410 |
| Spacer | Nitex, SEFAR | 06-250/34 | Spacer |
| Sulfuric acid | Daejung | 7664-93-9 | Chemical |
| Tube | Masterflex tube | 96410-25 | Rubber tube |
References
- Dlugolecki, P., Gambier, A., Nijmeijer, K., Wessling, M. Practical potential of reverse electrodialysis as process for sustainable energy generation. Environmental Science & Technology. 43, 6888-6894 (2009).
- Kim, D., Kwon, K., Kim, D. H., Li, L. Energy Generation Using Reverse Electrodialysis: Principles, Implementation, and Applications. , Springer. (2019).
- Mei, Y., Tang, C. Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: A review. Desalination. 425, 156-174 (2018).
- Yip, N. Y., Brogioli, D., Hamelers, H. V. M., Nijmeijer, K. Salinity gradients for sustainable energy: primer, progress, and prospects. Environmental Science & Technology. 50, 12072-12094 (2016).
- Li, W., et al. A novel hybrid process of reverse electrodialysis and reverse osmosis for low energy seawater desalination and brine management. Applied Energy. 104, 592-602 (2013).
- Brauns, E. Salinity gradient power by reverse electrodialysis: effect of model parameters on electrical power output. Desalination. 237, 378-391 (2009).
- Cusick, R. D., Kim, Y., Logan, B. E. Energy capture from thermolytic solutions in microbial reverse-electrodialysis cells. Science. 335, 1474-1477 (2012).
- Kim, D. H., Park, B. H., Kwon, K., Li, L., Kim, D. Modeling of power generation with thermolytic reverse electrodialysis for low-grade waste heat recovery. Applied Energy. 189, 201-210 (2017).
- Hong, J. G., et al. Potential ion exchange membranes and system performance in reverse electrodialysis for power generation: A review. Journal of Membrane Science. 486, 71-88 (2015).
- Choi, S. -Y., et al. Controlling fuel crossover in open electrochemical cells by tuning the water nanochannel for power generation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 8, 8613-8623 (2020).
- Shah, S. A., et al. Modified single-wall carbon nanotube for reducing fouling in perfluorinated membrane-based reverse electrodialysis. International Journal of Hydrogen Energy. 45, 30703-30719 (2020).
- Kwon, K., Han, J., Park, B. H., Shin, Y., Kim, D. Brine recovery using reverse electrodialysis in membrane-based desalination processes. Desalination. 362, 1-10 (2015).
- Kwon, K., Park, B. H., Kim, D. H., Kim, D. Parametric study of reverse electrodialysis using ammonium bicarbonate solution for low-grade waste heat recovery. Energy Conversion and Management. 103, 104-110 (2015).
- Hatzell, M. C., Ivanov, I., Cusick, R. D., Zhu, X., Logan, B. E. Comparison of hydrogen production and electrical power generation for energy capture in closed-loop ammonium bicarbonate reverse electrodialysis systems. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 1632-1638 (2014).
- Zhu, X. P., He, W. H., Logan, B. E. Reducing pumping energy by using different flow rates of high and low concentration solutions in reverse electrodialysis cells. Journal of Membrane Science. 486, 215-221 (2015).
- Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. Doubled power density from salinity gradients at reduced intermembrane distance. Environmental Science & Technology. 45, 7089-7095 (2011).
- Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water. Journal of Membrane Science. 327, 136-144 (2009).
- Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. Electrical power from sea and river water by reverse electrodialysis: a first step from the laboratory to a real power plant. Environmental Science & Technology. 44, 9207-9212 (2010).
- Batchelor, C. K., Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. , Cambridge University Press. (2000).
- Schock, G., Miquel, A. Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules. Desalination. 64, 339-352 (1987).
- Da Costa, A. R., Fane, A. G., Wiley, D. E. Spacer characterization and pressure drop modelling in spacer-filled channels for ultrafiltration. Journal of Membrane Science. 87, 79-98 (1994).
- Vermaas, D. A., Veerman, J., Saakes, M., Nijmeijer, K. Influence of multivalent ions on renewable energy generation in reverse electrodialysis. Energy & Environmental Science. 7, 1434-1445 (2014).
- Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. Enhanced mixing in the diffusive boundary layer for energy generation in reverse electrodialysis. Journal of Membrane Science. 453, 312-319 (2014).
- Moreno, J., Grasman, S., van Engelen, R., Nijmeijer, K.
- Sarkar, S., SenGupta, A. K., Prakash, P. The donnan membrane principle: opportunities for sustainable engineered processes and materials. Environmental Science & Technology. 44, 1161-1166 (2010).
- Kim, H. -K., et al. High power density of reverse electrodialysis with pore-filling ion exchange membranes and a high-open-area spacer. Journal of Materials Chemistry A. 3, 16302-16306 (2015).
- Długołęcki, P., Nymeijer, K., Metz, S., Wessling, M. Current status of ion exchange membranes for power generation from salinity gradients. Journal of Membrane Science. 319, 214-222 (2008).
- Geise, G. M., Curtis, A. J., Hatzell, M. C., Hickner, M. A., Logan, B. E. Salt concentration differences alter membrane resistance in reverse electrodialysis stacks. Environmental Science & Technology Letters. 1, 36-39 (2014).
