Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Ters Elektrodiyaliz Cihazının İmalatı için İyon Değişimi Membranları

Published: July 20, 2021 doi: 10.3791/62309
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Mechanical Engineering, Energy Engineering Lab, Sogang University

Summary

Elektrik üretimi için katyon-değişim membranı (CEM) ve anion-exchange membran (AEM) kullanarak ters elektrodiyaliz cihazının imalatını gösteriyoruz.

Abstract

Ters elektrodiyaliz (RED), katyon-değişim membranları (CEM) ve anion-exchange membranları (AEM) kullanarak suda iki farklı tuz konsantrasyonunu karıştırarak güç üretmenin etkili bir yoludur. KIRMIZI yığın, katyon değişim membranının ve anion-exchange membranının alternatif bir düzenlemesinden oluşur. RED cihazı, gelecekteki enerji krizleri için evrensel talebi yerine getirmek için potansiyel bir aday olarak hareket eder. Burada, bu makalede, güç üretimi için laboratuvar ölçeğinde CEM ve AEM kullanarak ters elektrodiyaliz cihazı üretme prosedürünü gösteriyoruz. İyon değişim zarının aktif alanı 49 cm2'dir. Bu makalede, membranın sentezlenmesi için adım adım bir prosedür ve ardından yığının montajı ve güç ölçümü sunuyoruz. Ölçüm koşulları ve net güç çıkışı hesaplaması da açıklanmıştır. Ayrıca, güvenilir bir sonuç elde etmek için dikkate alınan temel parametreleri açıklıyoruz. Ayrıca membran ve yem çözeltisi ile ilgili genel hücre performansını etkileyen teorik bir parametre sunuyoruz. Kısacası, bu deney aynı platformda RED hücrelerinin nasıl birleştirılacağını ve ölçüldüklerini açıklar. Ayrıca, CEM ve AEM membranlarını kullanarak RED yığınının net güç çıkışını tahmin etmek için kullanılan çalışma prensibini ve hesaplamayı içerir.

Introduction

Doğal kaynaklardan enerji hasadı, çevre dostu, böylece gezegenimizi yeşil ve temiz hale getiren ekonomik bir yöntemdir. Şimdiye kadar enerji çıkarmak için çeşitli süreçler önerildi, ancak ters elektrodiyaliz (RED) enerji krizi sorununun üstesinden gelmek için muazzam bir potansiyele sahiptir1. Ters elektrodiyalizden elde edilen güç üretimi, küresel enerjinin karbonsuzlaştırılması için teknolojik bir atılımdır. Adından da anlaşılacağı gibi, RED, alternatif hücre bölmesinin yüksek konsantre tuz çözeltisi ve düşük konsantre tuz çözeltisi2ile doldurulduğu ters bir işlemdir. Bölme ucundaki elektrotlardan toplanan iyon değişimi zarları boyunca tuz konsantrasyonu farkının yarattığı kimyasal potansiyel.

2000 yılından bu yana, RED'e teorik ve deneysel olarak3,4. Stres koşullarındaki çalışma koşulları ve güvenilirlik çalışmaları üzerine yapılan sistematik çalışmalar, yığın mimarisini iyileştirmiş ve genel hücre performansını artırmıştır. Tuzdan arındırma işlemi5ile RED, güneş enerjisi 6 ile KIRMIZI, ters ozmos (RO) prosesi5ile KIRMIZI, mikrobiyal yakıt hücresi7ile RED ve radyal soğutma işlemi8ile RED gibi çeşitli araştırma grupları dikkatlerini RED'in hibrit uygulamasına yönelttirdi. Daha önce de belirtildiği gibi, enerji ve temiz su sorununu çözmek için RED'in hibrit uygulamasının uygulanmasında çok fazla kapsam vardır.

RED hücresinin performansını ve zarın iyon değişim kapasitesini artırmak için çeşitli yöntemler benimsenmiştir. Katyonik asit grubu (-SO 3 H), fosfonik asit grubu(-PO3 H2)ve karboksilik asit grubu (-COOH) kullanılarak katyon değişimi membranlarının farklı iyon türleriyle uyarlanması, zarın fizikokimyasal özelliklerini değiştirmenin etkili yollarından biridir. Anion-exchange membranlar amonyum grupları ile uyarlanmıştır ( Equation 1 )9. AEM ve CEM'in membranın mekanik mukavemetini bozmadan yüksek iyonik iletkenliği, cihaz uygulaması için uygun bir membran seçmek için gerekli parametredir. Stres koşullarındaki sağlam membran, membrana mekanik stabilite sağlar ve cihazın dayanıklılığını artırır. Burada, RED uygulamasında faa-3 ile katyon değişim membranları olarak yüksek performanslı serbest duran sülfonated polinin (eter eter ketonu) (sPEEK) benzersiz bir kombinasyonu kullanılmaktadır. Şekil 1 deneysel prosedürün akış şemasını göstermektedir.

Figure 1
Şekil 1: Yordam çizelgesi. Akış şeması, iyon değişim zarının hazırlanması için benimsenen prosedürü ve ardından ters elektrodiyaliz ölçümü için süreci sunar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Deneysel gereksinim

  1. AEM hazırlamak için CEM ve FAA-3 hazırlamak için iyon değişimi iyonomer polimer, E-550 sülfonated-PEEK polimer elyaf satın alın. Tüm iyonomer polimerlerin kullanımdan önce temiz, kuru ve tozsuz bir ortamda depolandığından emin olun.
  2. Homojen iyonomer çözeltisi hazırlamak için moleküler ağırlıklı 99.13 g mol -1 ve N, moleküler ağırlıklı N-Dimetilsetamamid87.12 içeren N-Metil-2- pirrolidon dahil olmak üzere yüksek saflıkta (%>99) çözücüler kullanın. Daha fazla saflaştırma yapılmadan alınan membran hazırlama için tüm analitik sınıf kimyasalların ve çözücülerin kullanıldığından emin olun.
  3. Membranların aktivasyon işleminden sonra, daha iyi performans için tüm membranları hemen 0,5 M NaCl çözeltiye daldırın. Her iki zarın aktivasyonundan sonra, kurutma gerekli değildir. Membran sentezi boyunca oda sıcaklığında dirençli su 18,2 MΩ'dur.
  4. Kuru bir membran kullanarak membran özelliklerini karakterize edin. İyon değişim kapasitesi, iyon iletkenliği, kalınlık, termal analiz ve yüzey morfolojisi gibi karakterizasyon tekniklerinin ve fizikokimyasal özelliklerinin ayrıntılı açıklaması literatürlerde10,11.
  5. CEM ve AEM membranını Şekil 2'degösterildiği gibi 49 cm2aktif alana sahip KIRMIZI yığın boyutuna şekillendirmek için bir kesici kullanın.
  6. KIRMIZI yığın imalatı için, ara ve conta ile ayrılmış alternatif bir CEM ve AEM düzenlemesi yapın; Çalışan KIRMIZI yığının gerçek bir resmi Şekil 3a'da sunulur ve her katmanın şematik diyagramı Şekil 3b'de gösterilmiştir.
    1. İlk olarak, PMMA plakasını elektrota bakan baş aşağı yerleştirin; Şimdi, üzerine kauçuk conta ve aralayıcı yerleştirin, sonra CEM'i yerleştirin. Bundan sonra, silikon contayı aralayıcı ile CEM'e yerleştirin ve ardından AEM'yi üzerine yerleştirin. Benzer şekilde, AEM'nin üstüne silikon conta ve aralayıcıyı ve ardından CEM'i ekleyin. Şimdi, uç PMMA plakasını, kauçuk contayı ve ara çubuğu vida ve somun cıvataları kullanarak sıkma ile takip edin.
  7. KIRMIZI yığını monte ettikten sonra, yüksek konsantrasyonlu (HC), düşük konsantrasyonlu (LC) serbest akışını kontrol edin ve çözeltileri tek tek durulayın. Ölçümden önce herhangi bir çapraz akış veya sızıntının giderilmesi gerekir.
  8. Akım ve voltaj ölçümünden önce tuz çözeltilerinin akış hızını ve basınç göstergesi okumasını izleyin ve stabilize olduğundan emin olun. Ölçüm başlamadan önce tüm bağlantıların tam yerinde olduğundan emin olun. Ölçüm çalışırken KIRMIZI yığına ve bağlantı tüplerine dokunmaktan kaçının.
    NOT: HC ve LC çözeltisi, bölmeyi sırasıyla peristaltik pompa, basınç göstergesi ve KIRMIZI yığından atmak için bölmelerinden akar.
  9. Timsah klipsleri aracılığıyla KIRMIZI yığına bağlı kaynak sayaç cihazı olan akım ve voltaj ölçümü için galvanostat yöntemini kullanın.

Figure 2
Şekil 2: Ters elektrodiyaliz imalatı için hazırlanan membran, conta ve aralayıcının boyutu ve şekli. (a) dış silikon conta, (b) dış boşluk ve iç aralayıcı, (c) iç silikon conta, (d) katyon-değişim zarı, (e) anion-exchange membran ve (f) conta ve membran montajı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Ters elektrodiyaliz yığını. (a) bağlantı tüpleri ile ters elektrodiyaliz yığınının kurulumu ve (b) PMMA uç plakaları, elektrotlar, conta, ara parça, CEM ve AEM dahil olmak üzere farklı katmanların şematik çizimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. İyon değişimi membran hazırlığı

NOT: Öncü malzeme miktarı, 18 cm çapında ve ~50 μm kalınlığında bir membran elde etmek için optimize edilmiştir.

  1. Katyon değişim membran
    1. 250 mL yuvarlak alt şişede sülfonated-PEEK liflerinin% 5'ini alın ve dimetilsetamid (DMAc) liflerini moleküler ağırlığa sahip bir çözücü olarak çözün 87.12 g mol-1. Şişeyi 10 dakika sallayın, böylece tüm iyonomer polimerleri yerleşir.
    2. Şişeye manyetik bir çubuk yerleştirin ve ardından karışımı silikon yağ banyosunda tutun, ardından homojen bir çözelti elde etmek için 80 ° C'de 24 saat boyunca 500 rpm'de kuvvetlice karıştırın.
    3. Sülfonated-PEEK çözeltisini 0,45 μm gözenek boyutunda Politetrafloroetilen (PTFE) filtre ile filtreleyin.
    4. Bundan sonra, filtrelenmiş çözeltiyi 18 cm çapında dairesel bir cam kabın üzerine dökün. Petri kabını fırına yerleştirmeden önce tüm hava kabarcıklarının bir hava üfleyici kullanılarak çıkarıldığından emin olun.
    5. Petri kabını çözeltiyi 90 °C'de 24 saat boyunca kurutmak için bir fırının içine yerleştirin, böylece ~50 μm kalınlığında serbest duran membran elde edin. Serbest duran membranın çıkarılması için bunu yapın: Membranı Petri kabından soymak için Petri kabını ılık damıtma suyu (~60 °C) ile doldurun ve el değmeden 10 dakika bekletin. Serbest duran membran otomatik olarak çıkacaktır.
    6. Membran aktivasyonu için, hazırlanan serbest duran membranı 1 M sülfürik aside (H2SO4)sulu çözeltiye, yani 98,08 g'a, damıtılmış suyun 1 L'sinde daldırın ve 80 °C'de 2 saat kuluçkaya yayalım.
      NOT: Bu adım, yabancı parçacıkların ve membranın kirlenme olasılığını azaltacak çözücüler gibi diğer kimyasalların uzaklaştırılmasını sağlayacaktır.
    7. Islatılmış zarı oda sıcaklığında en az üç kez 1 L damıtılmış su ile 10 dakika yıkayın.
  2. Anion değişim membran
    1. N-Metil-2-pirrolidon (NMP) çözücüde FAA-3 iyonomer çözeltisi 10 wt.% çözün.
    2. Oda sıcaklığında karıştırmak için çözeltiyi ~500 rpm'de 2 saat tutun.
    3. Bundan sonra, çözeltiyi 100 μm gözenek boyutuna sahip ağı kullanarak filtreleyin.
    4. 18 cm çapında dairesel bir cam Petri kabına ~ 30 mL filtreli çözelti dökün. Cam Petri kabını fırına yerleştirmeden önce tüm hava kabarcıklarının bir hava üfleyici kullanılarak çıkarıldığından emin olun. Kurutma işlemi 24 saat boyunca 100 °C'de gerçekleşir.
    5. Serbest duran bir zar elde etmek için, cam Petri kabına sıcak damıtılmış su dökün ve en az 10 dakika saklayın. Şimdi zarları soyun ve 2 saat boyunca 1 litre sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisine (konsantrasyon 1M ve moleküler ağırlık 40 g mol-1)yerleştirin.
    6. Daha sonra, membranı 1 L damıtılmış su ile 10 dakika boyunca, ortam durumunda en az üç kez iyice yıkayın.
      NOT: Hazırlanan tüm membranlar, RED yığınında kullanmadan önce bir gecede 0,5 M NaCl çözeltisinde depolandı. Böylece membran iletkenliği artar ve RED yığınının ölçümü sırasında stabilize çıkış performansı elde edebilir. Tablo 1 membran özelliklerini açıklar10,11.
Şartname Birim CEM AEM
Şişlik derecesi % 5±1 1±0,5
Şarj yoğunluğu veya İyon değişim kapasitesi meq/g 1.8 ~1.6
Mekanik özellikler
(Çekme mukavemeti)		 Mpa >40 40-50
Kırılmak için Uzama % ~42 30-50
Genç Modül (MPa) 1500±100 1000-1500
Oda sıcaklığında iletkenlik S/cm ~0,03 ~0,025
Çok Kişi Seçimlilik % 98-99 94-96
Kalınlık μm 50±2 50±3
Çözücü - Dimetilsetamid (DMAc) N-metil-2-pirrolidone (NMP)

Tablo 1: Membran özellikleri. Hem katyon değişimi hem de anion-exchange membran özelliklerinin özeti.

3. Ters elektrodiyaliz imalatı

  1. KIRMIZI yığının montajı
    1. Yüksek konsantrasyon (HC) için 0,6 M NaCl ve düşük konsantrasyon (LC) bölmeleri için 0,01 M NaCl kullanarak bir model çözümü hazırlayın12.
      NOT: Burada, nehir suyu düşük konsantrasyonlu bir tuz çözeltisi olarak kabul edilir ve deniz suyu yüksek konsantrasyonlu bir tuz çözeltisi olarak temsil edilir.
    2. Tüplere bağlı büyük bir kapta 5 L yüksek konsantrasyonlu ve düşük konsantrasyonlu çözelti hazırlayın. Çözeltileri KIRMIZI yığında kullanılmadan önce ortam koşullarında (oda sıcaklığı) en az 2 saat karıştırmaya devam edin.
    3. 0,05 M [Fe (CN) 6 ]-3/ [Fe (CN) 6 ]-4ve 0,3 M NaCl karışımını RED için durulama çözeltisi olarak 500 mL suda hazırlayın.
    4. Peristaltik pompa ve basınç göstergeleri aracılığıyla kauçuk borular kullanarak üç çözelti kabını da RED yığınına bağlayın. Durulama çözeltisi için L/S 16 boyutunda tüpü kullanın ve HC ve LC çözümü için L/S 25 boyutunda tüpü kullanın.
    5. KIRMIZI yığın yapmak için polimetil methakrilitten (PMMA) oluşan iki uç plaka alın. Dijital anahtar sürücüsü kullanarak 25 Nm kuvvet kullanarak her iki uç plakayı da somunlar, cıvatalar ve pullarla yatay olarak yüz yüze bağlayın. PMMA uç plakalarının kalınlığı 3 cm ve akış kanallarının yolu bir delici tarafından HC, LC ve durulama çözeltisi için plakalarda tasarlanmıştır2.
    6. Metal Titanyumdan (Ti) yapılmış iki örgü elektrodu Iridium (Ir) ve Ruthenium (Ru) karışımı ile kaplanmış olarak 1:1 oranında yerleştirin ve PMMA plakalarının sonuna yerleştirin. Her iki uç elektrot da kaynak sayacın timsah klipsi ile bağlantılıdır.
      NOT: Her iki PMMA uç plakası da ağ elektrotları ile donatılmıştır, her iki elektrot da kare şekilli bir ara parça ile katmanlanmıştır ve PMMA uç plakası içine bakan bir kauçuk conta ile kaplanmıştır. Bundan sonra, CEM ve AEM, Şekil 3'tegösterildiği gibi silikon conta ve aralayıcı ile ayrılmış alternatif olarak yerleştirilir.
    7. Şematik diyagram Şekil 4 ve Şekil 5'tegösterildiği gibi, silikon contaları, polimer aralayıcıları ve iyon değişimi membranlarını (CEM ve AEM) katman katman takın. Elektrotların aktif alanının, hem membranlar, hem dış hem de iç ara parça, dış ve iç contanın 7 x 7 = 49 cm2olduğundan emin olun.
    8. Şekil 4'tekişematik şemada gösterildiği gibi peristaltik pompalarla ilgili bölmelerden yüksek konsantrasyonlu ve düşük konsantrasyonlu çözeltileri geçirin.
    9. Durulama çözeltisini peristaltik pompalar kullanarak devridaim modunda dış elektrot ve membran bölmelerinde dolaştırin. Durulama çözeltisi için kullanılan akış hızı 50 mL min-1 'dir.
    10. Sabit akış hızı, her zarın performansını analiz etmek için kullanılır. Bu deneyde peristaltik bir pompadan 100 mL dk-1 kullandık.

Figure 4
Şekil 4: Ters elektrodiyaliz yığını ile tüp bağlantısının şematik gösterimi. Ters elektrodiyalizin peristaltik pompalar, yüksek konsantrasyonlu çözelti kabı, düşük konsantrasyonlu çözelti kabı, durulama çözelti kabı ve atma çözelti kabı ile bağlantısı. Ayrıca aralayıcının hem anion değişim membranı (AEM) hem de katyon değişim membranı (CEM) ile hizalamasını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Ters elektrodiyaliz kurulumunda farklı katmanların şematik diyagramı. (a) Ters elektrodiyalizin şematik bir illüstrasyonunun kesit görünümü, yüksek konsantrasyonlu çözeltinin, düşük konsantrasyonlu çözeltinin ve elektrot durulama çözeltisinin akış yönünü gösterir. Elektrotlar, dış ve iç contalar, dış ve iç ara parça, katyon değişim membranın ve anion-exchange membran gibi diğer bileşenler. (b) Bir çözeltinin akış yönünü gösteren yığının ön görünümü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

4. Ters elektrodiyaliz ölçümü

  1. Güç hesaplaması
    1. Yüksek konsantrasyon, düşük konsantrasyon ve durulama çözeltisinin yığında en az 5 dakika çalışmasına izin verin. RED çıkış performansını, RED yığınının her iki elektrotlarına bağlı bir kaynak ölçerle ölçün13.
    2. Galvanostat yöntemini kullanarak GÜÇ yoğunluğu açısından RED yığınının akım gerilimi özelliklerini hesaplayın.
      NOT: Galvanostat yönteminde elektrotlar arasında sabit bir akım uygulanır ve ortaya çıkan akımı ölçen bir akım uygulanır. Ortaya çıkan akım, yığındaki elektrokimyasal reaksiyon nedeniyle oluşan akımdır. Ölçüm, 10 mA olan sabit bir süpürme akımı ile 0,05 V statik voltaj altında gerçekleştirilir.
    3. KIRMIZI yığın için maksimum güç yoğunluğu aşağıdaki denklem 1 yardımıyla ölçülür.
      Equation 2(1)
      Burada, Pmax KIRMIZI yığının maksimum güç yoğunluğudur (Wm-2), Uyığını, yığındaki zar tarafından üretilen voltajdır (V),ben istiflenen akımdır (A) ve Amem membranların aktif alanıdır (m2).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Net güç çıkışı
KIRMIZI hücre genellikle tuz çözeltisinin tuzluluk gradyanından, yani iyonların membran yoluyla ters yönde hareketinden elektrik enerjisi üretir. KIRMIZI yığını doğru bir şekilde birleştirmek için, Şekil 4 ve Şekil 5'tekişematik diyagramda gösterildiği gibi, yığındaki elektrotlar, contalar, membranlar ve ara parçalar da dahil olmak üzere tüm katmanları dikkatlice hizalamak gerekir. Yığın mükemmel hizalanmamışsa, iki sorun ortaya çıkabilir: (i) Yığında HC ve LC çözeltisi çapraz akışı oluşabilir ve (ii) yığındaki çözeltinin sızıntısı oluşabilir. Güç çıkışının gerçek ölçümüne başlamadan önce her iki sorunu da ortadan kaldırmak gerekir. Verimli güç çıkışı elde etmek için HC ve LC çözeltisinin akış hızı, pompalama basıncı ve uygulanan voltaj dahil olmak üzere diğer parametrelerin sabitlenilmesi gerekir. RED yığınının net gücünü tahmin etmek için, elde edilen net güç10'danhidrodinamik güç kaybının düşülmesi gerekir. Elde edilen gerilim ve akım çarpılarak RED yığınından maksimum güç çıkışı elde edilir. Buna karşılık, aktif alan ve membran çiftlerinin sayısı, denklem 114,15tarafından verildiği gibi, yığının gerçek güç yoğunluğunu elde etmek için bölünmelidir. KIRMIZI yığından elde edilen toplam güç, pompa tarafından üretilen ve aşağıdaki denklem 2 tarafından verilen hidrodinamik güç kaybı veya pompalama güç kaybı ile çıkarılır.

Equation 3(2)

Burada Pkaybı, iç kayıpla RED yığınında üretilen hidrodinamik bir pompalama güç kaybıdır (W m-2). Pmax, deneyden elde edilen maksimum güçtür (W m-2). RED için bildirilen en yüksek net güç çıkışı, Vermaas 16 tarafından nehir suyu ve deniz suyu kullanılarak1,2 W m -2'dir. Güç kaybı, yığındaki HC ve LC çözeltisinin giriş ve çıkışlarında basınç farkı olarak temsil edilir ve basınç düşüşü (ΔP),akış hızı (Q) ve pompa verimliliği (ηpompa)17,18ile verilir.

Equation 4(3)

Burada, QH ve QL, yüksek konsantrasyonlu bir çözeltinin akış hızıdır (mL mim-1)ve mL min-1 ve ΔPH ve ΔPL'deki düşük konsantrasyon çözeltisi, Pa'daki yüksek konsantrasyonlu tarafta ve düşük konsantrasyon bölmesinde basınç düşüşüdür. Burada, HC bölmesi için basınç göstergesinden ölçülen basınç düşüşü 11.790 Pa ve LC bölmesi 11.180 Pa'dır. Hesaplanan pompalama güç kaybı (Pkaybı)0.038 W m-2 'dir.

Teorik parametre tahmini
Temel olarak, RED sistemi iki farklı iyon değişim zarı, conta, pompa, ara parça ve elektrottan oluşur. KIRMIZI yığın boyunca basınç düşüşü teorik olarak Darcy-Weisbach denklemi kullanılarak tahmin edilir11,19. İdeal bir RED sisteminde, basınç düşüşünü hesaplamak için sonsuz geniş bir homojen kanaldaki laminer bir çözelti akışı kullanılır.

Equation 5(4)

Burada, dh (m) kanalın hidrolik çapıdır, sonsuz geniş bir kanalın hidrolik çapı ise 2h'dir. Diğer parametreler suyun viskozitesidir (Pa·s), t res ikamet süresidir(ler), L membran uzunluğudur (cm). KIRMIZI yığında, CEM olarak sPEEK ve AEM olarak FAA-3 kullanılır ve her iki zar arasındaki mesafe, profilli membran durumunda hidrolik çapın değeriyle doğru orantılı olan b terimiyle,"h" ise intermembran mesafesi (m) ile verilir, denklem 520ile verilir.

Equation 6(5)

Sonsuz geniş bir kanal için, denklem 6'dan hesaplanan değer genellikle sonlu geniş kanalın değerinden çok daha düşüktür. Elde edilen değerlerin büyüklüğü düşüktür, bu da yem çözeltilerinin giriş ve çıkış homojenliğinden kaynaklanmaktadır. Ara ağ ağı, ara gölge etkisi nedeniyle sulu tuz çözeltilerinin akışını kısıtlar ve pompalama gücünde bir artışa neden olarak sonuçlanır. Ara ağ örgüsünün yüzeyin hacim (Ssp/ V sp ) oranından elde edilen değeri   formüle yerleştirmek, ε gözenekliliktir, 6 21,22denkleminden ara parça dolu kanalların kalınlığını tahmin edebilirsiniz.

Equation 7(6)

Aralayıcı kalınlığı ve açık oran, ağ açıklığı ve tel çapları da dahil olmak üzere diğer parametreler tüm bölmelerde sabit tutulur. Hem HC hem de LC bölmeleri farklı konsantrasyonlarda aynı çözeltiyi (NaCl) kullandı. Bu nedenle, parametrelerin başlatılması kolaydır ve teorik pompalama kaybı denklem 723ile verilebilir.

Equation 8(7)

Nerede, A m2'deki aktif membran alanı ve m 3 s-1'dekiQ besleme çözeltisi akış hızıdır. Burada Pa·s'da ölçülen suyun viskozitesi μ, L cm ile verilen zar uzunluğudur ve tres ikinci olarak ikamet süresidir.

KIRMIZI yığının performansı
RED yığınının çıkış performansı, 100 mL min-1sabit akış hızında bir hücre çifti kullanılarak araştırıldı. Yem çözeltisinin konsantrasyonu da daha yüksek bir konsantrasyon (0,6 M) ve NaCl tuzundan hazırlanan daha düşük bir konsantrasyon (0,01 M) için sabit tutuldu. Maksimum güç yoğunluğunun 100 mL dk -1'de0,69 W m-2,Şekil 6'da sunulduğu gibi net güç yoğunluğunun ise 0,66 W m-2 olduğu gözlenmektedir. İyonların taşınması daha yüksek bir akış hızında daha aktif olduğu için daha yüksek akış hızı ve yüksek iyon değişim kapasitesi daha iyi hücre performansı elde etmede önemli bir rol oynar. Öte yandan, arayüzdeki difüzyon-sınır katmanı direncini azaltır. Tuz konsantrasyonunun tuzluluk gradyanındaki fark, Şekil 6'dagösterildiği gibi açık devre voltajı ortaya verir. Bu gerilim, RED yığınının ve diğer parametrelerin iç direncine bağlıdır. Akım yoğunluğu arttıkça voltaj başlangıcının azaldığı, başlangıçta hücrenin güç yoğunluğunun belirli bir akım yoğunluk değerinde maxima elde etmeyi artırdığı ve daha sonra düştüğü belirtilir. Güç yoğunluğundaki bu azalma, Şekil 6'dagösterildiği gibi yığının iç direncindeki artışa bağlı.

Figure 6
Şekil 6: Ters elektrodiyaliz cihazının çıkış performansı: (a) değişen akıma sahip çıkış voltajının değişimi ve (b) RED yığınının değişen akım yoğunluğu ile net güç yoğunluğu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

RED'in çalışma prensibi esas olarak Şekil 3'tegösterildiği gibi RED sisteminin önemli bir parçası olan membran fizikokimyasal özellikleri tarafından baskındır. Burada, yüksek performanslı bir RED sistemi sunmak için membranın temel özelliklerini açıklıyoruz. Membran'ın spesifik iyon geçirgenliği, polimer nanokanellerinden bir tür iyon geçirmesini sağlar. Adından da anlaşılacağı gibi, CEM katyondan diğerine geçebilir ve anionu kısıtlarken, AEM anion geçirebilir ve katyonu kısıtlar. Şekil 2'degösterildiği gibi, tüm membranlar akış çözeltisi için giriş ve çıkış geçişi içeren RED yığın boyutuna şekillendirilmişti. Membrandan değiştirilen iyon miktarı, membran iletkenliği ve bu nedenle yığının güç çıkışı24ile doğru orantılıdır. İyon değişim zarındaki iyonların hareketi Donnan dışlama prensibi25üzerinde çalışır. Polimer omurga ile tutturulmuş şarj grubu, çözeltide bulunan aynı yükü iter. Bu nedenle, daha yüksek şarj yoğunluğu, genellikle perm seçiciliğine bağlı olan itme olacaktır. Genellikle, KIRMIZI hücrelerde, iyonların hareketi membrandan daha yüksek konsantrasyondan çözeltinin daha düşük konsantrasyonuna kadar gerçekleşir. Bu iyon taşıma bir bölmeden diğerine membran yoluyla açık devre voltajı ve akım değerleri verir, bu da hücrenin net güç çıkışını hesaplamak için kullanılır26.

RED yığınının performansı esas olarak CEM ve AEM tabanlı membranların iyon değişim kapasitesine ve şişme yoğunluğuna bağlıdır27. CEM ve AEM'nin iyon değişim kapasitesi ne kadar yüksekse iletkenliğin de o kadar iyi olduğu gözlenmektedir. Bununla birlikte, membranın daha yüksek iyon değişim kapasitesi, membranın mekanik mukavemetini kolayca bozarak yüksek şişmeye yol açar. Bu nedenle, daha iyi ve güvenilir hücre performansı için şişlik yoğunluğunu ve zarların iletkenliğini optimize etmek önemlidir. Öte yandan, her iki bölmede de besleme çözeltisinin akışının işlevi ile yığın direncini optimize etmek de çok önemlidir. Akış hızı arttıkça, yığın direnci azalır ve çıkış hücresi performansı artar. Teorik olarak, KIRMIZI yığın direnci denklem 8 ile verilir.

Equation 9(8)

N hücre çiftlerinin sayısıdır (anion ve katyon-değişim membranlarının alternatif düzenlemesi), A her iki zarın da etkili alanıdır (m2), RA anion değişim membran direncidir (Ω m2),RC katyon değişimi membran direncidir (Ω m2), dc konsantre çözelti (m) ile bölmenin kalınlığıdır, kc iyonik iletkenliğidir (S m-1), dd seyreltilmiş çözeltili bölmenin kalınlığıdır (m), kd iyonik iletkenliğidir (S m-1) ve Re elektrot direncidir (Ω). Yığın direncini azaltmak, net çıkış gücünü artırmak için önemli bir faktördür, ancak diğer faktörler de hücre performansını etkiler28Ayrıca dikkate alınması gerekir. Ara gölge etkisi, besleme çözeltisinin akışı, bölme genişliği ve besleme çözeltisinin konsantrasyonu, RED hücresinin şematik çizimi Şekil 5'tesunulmuştur.

RED hücrelerinde, membran sınırlayıcı bir faktör olarak hareket etti ve istikrarlı bir yüksek iletken membran gerektiriyordu. Bunun dışında, hücrenin verimli ve optimize edilmiş bir güç çıkışı üretebilmesi için hem CEM hem de AEM'nin benzer iyon iletken özelliklere sahip olması gerekir. Güvenilir RED performansı için iyon değişim kapasitesinin ve tuz birikiminin bozulması da dikkate alınmalıdır. Yeni membran malzemesi ve son teknoloji cihaz mimarisi, önümüzdeki gelecekte hücre performansını daha da artırabilir ve gelecekteki araştırma yönü için bir yol açacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan eder.

Acknowledgments

Bu çalışma Kore hükümeti (MEST) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibesi tarafından desteklenmiştir (Hayır. NRF-2017R1A2A2A05001329). Makalenin yazarları Sogang Üniversitesi, Seul, Kore Cumhuriyeti'ne minnettardır.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Kim, D., Kwon, K., Kim, D. H., Li, L. Energy Generation Using Reverse Electrodialysis: Principles, Implementation, and Applications. , Springer. (2019).
  3. Mei, Y., Tang, C. Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: A review. Desalination. 425, 156-174 (2018).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Brauns, E. Salinity gradient power by reverse electrodialysis: effect of model parameters on electrical power output. Desalination. 237, 378-391 (2009).
  7. Cusick, R. D., Kim, Y., Logan, B. E. Energy capture from thermolytic solutions in microbial reverse-electrodialysis cells. Science. 335, 1474-1477 (2012).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. Doubled power density from salinity gradients at reduced intermembrane distance. Environmental Science & Technology. 45, 7089-7095 (2011).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Batchelor, C. K., Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. , Cambridge University Press. (2000).
  20. Schock, G., Miquel, A. Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules. Desalination. 64, 339-352 (1987).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Moreno, J., Grasman, S., van Engelen, R., Nijmeijer, K. Upscaling reverse electrodialysis. Environmental Science & Technology. 52, 10856-10863 (2018).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).

Tags

Mühendislik Sayı 173 membran ters elektrodiyaliz iletkenlik akım yoğunluğu güç yoğunluğu
Ters Elektrodiyaliz Cihazının İmalatı için İyon Değişimi Membranları
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Singh, R., Hong, S. H., Kim, D.… More

Singh, R., Hong, S. H., Kim, D. Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device. J. Vis. Exp. (173), e62309, doi:10.3791/62309 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter