Waiting
Processando Login

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

Engineering

Ionbyttermembraner til fremstilling af omvendt elektrodialyseanordning

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

Summary

Vi demonstrerer fremstillingen af en omvendt elektrodialyseanordning ved hjælp af en kationbyttermembran (CEM) og anionbyttermembran (AEM) til elproduktion.

Abstract

Omvendt elektrodialyse (RED) er en effektiv måde at generere strøm ved at blande to forskellige saltkoncentrationer i vand ved hjælp af kation-udveksling membraner (CEM) og anion-udveksling membraner (AEM). RED-stakken består af et vekslende arrangement af kationbyttermembranen og anionbyttermembranen. RED-enheden fungerer som en potentiel kandidat til at opfylde den universelle efterspørgsel efter fremtidige energikriser. Her demonstrerer vi i denne artikel en procedure for fremstilling af en omvendt elektrodialyseenhed ved hjælp af CEM og AEM i laboratorieskala til elproduktion. Det aktive område af ionbyttermembranen er 49 cm2. I denne artikel leverer vi en trinvis procedure til syntetisering af membranen efterfulgt af stakkens samling og effektmåling. Målebetingelserne og nettoeffektberegningen er også blevet forklaret. Desuden beskriver vi de grundlæggende parametre, der tages i betragtning for at opnå et pålideligt resultat. Vi leverer også en teoretisk parameter, der påvirker den samlede celleydelse i forbindelse med membranen og foderopløsningen. Kort sagt beskriver dette eksperiment, hvordan man samler og måler RØDE celler på samme platform. Den indeholder også det arbejdsprincip og den beregning, der anvendes til at estimere nettoeffekten af DEN RØDE stak ved hjælp af CEM- og AEM-membraner.

Introduction

Energihøst fra naturressourcer er en økonomisk metode, der er miljøvenlig og dermed gør vores planet grøn og ren. Flere processer er blevet foreslået indtil nu for at udvinde energi, men omvendt elektrodialyse (RED) har et enormt potentiale til at overvinde energikrisespørgsmålet1. Elproduktion fra Reverse elektrodialysis er et teknologisk gennembrud for dekarbonisering af den globale energi. Som navnet antyder, er RØD en omvendt proces, hvor det alternative cellerum fyldes med den højkoncentrerede saltopløsning og lavkoncentreret saltopløsning2. Det kemiske potentiale, der genereres af saltkoncentrationsforskellen på tværs af ionbytningsmembranerne, indsamlet fra elektroderne i rumenden.

Siden år 2000 er mange forskningsartikler blevet offentliggjort, hvilket giver indsigt i DEN RØDE teoretisk og eksperimentelt3,4. Systematiske undersøgelser af driftsbetingelserne og pålidelighedsundersøgelserne under stressforhold forbedrede stakarkitekturen og forbedrede den samlede celleydeevne. Flere forskergrupper har omdirigeret deres opmærksomhed mod RED's hybride ansøgning, såsom RED med afsaltning proces5, RØD med solenergi6, RØD med omvendt osmose (RO) proces5, RØD med mikrobielle brændselscelle7, og RØD med den radiative afkøling proces8. Som tidligere nævnt er der mange muligheder for at implementere RED's hybridapplikation til at løse energi- og rensevandsproblemet.

Flere metoder er blevet vedtaget for at forbedre RED cellens ydeevne og membranens ionbytningskapacitet. At skræddersy kationbyttermembranerne med forskellige typer ioner ved hjælp af sulmonsyregruppe (-SO3H), fosfonsyregruppe (-PO3H2) og karboxylsyregruppe (-COOH) er en af de effektive måder at ændre membranens fysiskkemiske egenskaber på. Anionbyttermembraner er skræddersyet til ammoniumgrupper ( Equation 1 )9. Den høje ioniske ledningsevne af AEM og CEM uden at forringe membranens mekaniske styrke er den afgørende parameter for at vælge en passende membran til enhedsapplikation. Den robuste membran under stressforhold giver mekanisk stabilitet til membranen og forbedrer enhedens holdbarhed. Her anvendes en unik kombination af højtydende fritstående sulfoneret poly (ether ether keton) (sPEEK) som kationbyttermembraner med FAA-3 som anionbyttermembraner i RED-applikationen. Figur 1 viser rutediagrammet over forsøgsproceduren.

Figure 1
Figur 1: Procedurediagram. Gennemstrømningsdiagrammet præsenterer den procedure, der er valgt til fremstilling af ionbytningsmembran efterfulgt af processen til måling af omvendt elektrodialyse. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Eksperimentelt krav

  1. Køb ionbytter ionomer polymer, E-550 sulfoneret-PEEK polymerfiber for at forberede CEM og FAA-3 til at forberede AEM. Sørg for, at alle ionomerpolymerer opbevares i et rent, tørt og støvfrit miljø før brug.
  2. Brug opløsningsmidler med høj renhed (>99%), herunder N-Methyl-2- pyrrolidone med molekylvægt 99,13 g mol-1 og N, N-Dimethylacetamide med molekylvægt 87,12, til fremstilling af homogen ionomeropløsning. Sørg for, at alle kemikalier og opløsningsmidler af analytisk kvalitet anvendes til membranpræparater som modtaget uden yderligere rensning.
  3. Efter membranernes aktiveringsproces nedsænkes straks alle membraner i en 0,5 M NaCl-opløsning for bedre ydeevne. Efter aktivering af begge membraner er tørring ikke påkrævet. Vand med resistivitet er 18,2 MΩ ved stuetemperatur blev brugt i hele syntesen af membranen.
  4. Karakterisere membranegenskaber ved hjælp af en tør membran. Den detaljerede beskrivelse af karakteriseringsteknikkerne og deres fysiskkemiske egenskaber som ionbytningskapacitet, ionledningsevne, tykkelse, termisk analyse og overflademorfologi er som præsenteret i litteraturerne10,11.
  5. Brug en fræser til at forme membranen til CEM og AEM til den røde stakstørrelse med et aktivt areal på 49 cm2, som vist i figur 2.
  6. Til RED-stakfremstillingen skal du lave et alternativt CEM- og AEM-arrangement adskilt af afstandsstykke og pakning. Et reelt billede af den arbejdende RØDE stak vises i figur 3a, og dets skematiske diagram over hvert lag er illustreret i figur 3b.
    1. Først skal du placere PMMA-pladen mod elektroden opad; Nu skal du placere gummipakningen og afstandsstykket på den og derefter placere CEM. Derefter skal du placere silikonepakningen med afstandsstykket på CEM og derefter placere AEM på den. På samme måde tilsættes siliciumpakningen og afstandsstykket på toppen af AEM efterfulgt af CEM. Placer nu end PMMA-pladen, gummipakningen og afstandsstykket efterfulgt af stramning ved hjælp af skrue- og møtrikbolte.
  7. Når du har samlet RØD-stakken, skal du kontrollere den frie strøm af højkoncentrationen (HC), lav koncentration (LC) og skylle opløsningerne en efter en. Enhver krydsstrøm eller lækage skal elimineres inden målingen.
  8. Før strøm- og spændingsmålingen skal du overvåge strømningshastigheden af saltopløsninger og trykmåleraflæsning og sørge for, at den stabiliseres. Sørg for, at alle forbindelser er på det nøjagtige sted, før målingen starter. Undgå at røre ved DEN RØDE stak og dens forbindelsesrør, mens målingen kører.
    BEMÆRK: HC- og LC-opløsningen strømmer fra deres rum for at kassere rum gennem henholdsvis en peristaltisk pumpe, trykmåler og RØD stak.
  9. Brug galvanostat metode til måling af strøm og spænding, kildemåler instrument forbundet til DEN RØDE stak gennem krokodille klip.

Figure 2
Figur 2: Den forberedte membrans, pakningens og afstandsstykkets størrelse og form til fremstilling af omvendt elektrodialyse. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Omvendt elektrodialysestak. (a) opsætning af omvendt elektrodialysestak med forbindelsesrør og (b) skematisk illustration af forskellige lag, herunder PMMA-slutplader, elektroder, pakning, afstandsstykke, CEM og AEM. Klik her for at se en større version af dette tal.

2. Ionbyttermembranpræparat

BEMÆRK: Mængden af prækursormateriale blev optimeret til at opnå en membran med en diameter på 18 cm og en tykkelse på ~50 μm.

  1. Kationbyttermembran
    1. Tag 5 wt% af sulfonerede-PEEK fibre i en 250 mL rund bundkolbe og opløse fibrene i Dimethylacetamide (DMAc) som et opløsningsmiddel med molekylvægt 87,12 g mol-1. Ryst kolben i 10 minutter, så alle ionomer polymerer slå sig ned.
    2. Der anbringes en magnetisk stang i kolben, hvorefter blandingen opbevares i siliciumoliebadet, efterfulgt af kraftig omrøring ved 500 omdrejninger i minuttet i 24 timer ved 80 °C for at opnå en homogen opløsning.
    3. Sulfoneret PEEK-opløsning filtreres gennem et 0,45 μm porestørrelse Polytetrafluorethylen (PTFE) filter.
    4. Derefter hældes den filtrerede opløsning på en cirkulær glasskål med en diameter på 18 cm. Sørg for, at alle luftbobler fjernes ved hjælp af en luftblæser, før petriskålen placeres i ovnen.
    5. Petriskålen anbringes i en ovn til udtørring af opløsningen ved 90 °C i 24 timer, hvilket resulterer i ~50 μm tyk fritstående membran. Gør dette for at udvinde fritstående membran: For at skrælle membranen af petriskålen skal du fylde petriskålen med varmt destilleret vand (~60 °C) og lade den stå i 10 minutter uberørt. Den fritstående membran kommer automatisk ud.
    6. Til membranaktivering nedsænkes den tilberedte fritstående membran i 1 M svovlsyre (H2SO4)vandig opløsning, dvs.
      BEMÆRK: Dette trin vil sikre fjernelse af fremmede partikler og andre kemikalier såsom opløsningsmidler, der vil reducere muligheden for membran fra begroning.
    7. Vask den gennemblødte membran med 1 L destilleret vand i 10 minutter, mindst tre gange ved stuetemperatur.
  2. Anion-udveksling membran
    1. FAA-3 ionomeropløsningen opløses 10 wt.% i N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) opløsningsmiddel.
    2. Hold opløsningen til omrøring ved stuetemperatur i 2 timer ved ~ 500 omdrejninger i minuttet.
    3. Derefter filtreres opløsningen ved hjælp af masken med 100 μm porestørrelse.
    4. Hæld ~ 30 ml filtreret opløsning i en cirkulær glas petriskål med en diameter på 18 cm. Sørg for, at alle luftbobler blev fjernet ved hjælp af en luftblæser, før du placerer glasset Petri parabol i ovnen. Tørringsprocessen foregår ved 100 °C i 24 timer.
    5. For at opnå en fritstående membran hældes varmt destilleret vand i glasset Petri skål og holde det i mindst 10 min. Nu skal du skrælle membranerne af og placere i 1 liter natriumhydroxidopløsning (NaOH) (koncentration 1M og molekylvægt 40 g mol-1)i 2 timer.
    6. Vask derefter membranen grundigt med 1 L destilleret vand i 10 minutter, mindst tre gange i omgivende tilstand.
      BEMÆRK: Alle forberedte membraner blev opbevaret i 0,5 M NaCl-opløsningen natten over, før de blev brugt i DEN RØDE stak. Således at membranens ledningsevne forbedres og kan opnå stabiliseret outputydelse under målingen af DEN RØDE stak. Tabel 1 beskriver membranegenskaberne10,11.
Specifikation Enhed CEM AEM
Hævelse grad % 5±1 1±0,5
Opladningstæthed eller ionbytningskapacitet meq/g 1.8 ~1,6
Mekaniske egenskaber
(Trækstyrke)		 Mpa >40 40-50
Forlængelse til Break % ~42 30-50
Unge Modulus (MPa) 1500±100 1000-1500
Ledningsevne ved stuetemperatur S/cm ~0,03 ~0,025
Permselectivity % 98-99 94-96
Tykkelse μm 50±2 50±3
Opløsningsmiddel - Dimethylacetamide (DMAc) N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)

Tabel 1: Membranegenskaber. Resumé af både kation-udveksling og anion-udveksling membran egenskaber.

3. Fremstilling af omvendt elektrodialyse

  1. Samling af RØD stak
    1. Der fremstilles en modelopløsning med 0,6 M NaCl til høj koncentration (HC) og 0,01 M NaCl til rum med lav koncentration (LC)12.
      BEMÆRK: Her betragtes flodvand som en saltopløsning med lav koncentration, og havvand er repræsenteret som en saltopløsning med høj koncentration.
    2. Forbered 5 L høj koncentration og lav koncentrationsopløsning i en stor beholder forbundet med rørene. Sørg for, at opløsningerne omrøres under omgivende forhold (stuetemperatur) i mindst 2 timer, før de anvendes i RØD-stakken.
    3. Forbered blandingen af 0,05 M af [Fe (CN)6]-3/ [Fe (CN)6]-4 og 0,3 M NaCl i 500 ml vand som skylleopløsning til RØD.
    4. Tilslut alle tre løsningsbeholdere med RØD stak ved hjælp af gummirør gennem den peristaltiske pumpe og trykmålere. Brug røret i størrelse L/S 16 til skylleopløsning, og brug røret i størrelse L/S 25 til HC- og LC-opløsning.
    5. For at lave en RØD stak, tage to endplates bestående af polymethyl methacrylat (PMMA). Tilslut begge endeplader vandret ansigt til ansigt med møtrikker, bolte og skiver ved hjælp af 25 Nm kraft ved hjælp af en digital skruenøgle driver. Tykkelsen af PMMA endeplader 3 cm, og stien til flow kanaler blev designet i plader til HC, LC, og skylleopløsning af en driller2.
    6. Placer to mesh elektroder lavet af metal Titanium (Ti) belagt med en blanding af Iridium (Ir) og Ruthenium (Ru) i en 1:1 ratio og sted i slutningen af PMMA plader. Begge endeelektroder er forbundet med kildemålerens krokodilleklip.
      BEMÆRK: Begge PMMA endeplader er udstyret med mesh elektroder, begge elektroder blev lagdelt med en firkantet form afstandsstykke, og PMMA endplate dækket med en gummipakning vender indeni. Derefter placeres CEM og AEM alternativt adskilt af silikonepakning og afstandsstykke som vist i figur 3.
    7. Installer siliciumpakninger, polymer afstandsstykke og ionbyttermembraner (CEM og AEM) lag for lag, som præsenteret i det skematiske diagram Figur 4 og Figur 5. Sørg for, at det aktive område af elektroder, både membraner, ydre og indre afstandsstykke, ydre og indre pakning er 7 x 7 = 49 cm2.
    8. Passerer højkoncentrations- og lavkoncentrationsopløsninger fra de respektive rum med peristaltiske pumper, som vist i det skematiske diagram i figur 4.
    9. Skylningsopløsningen cirkuleres i de ydre elektrode- og membranrum i recirkuleringstilstand ved hjælp af peristaltiske pumper. Den strømningshastighed, der anvendes til skylleopløsningen, er 50 mlmin -1.
    10. Fast strømningshastighed bruges til at analysere hver membrans ydeevne. I dette eksperiment har vi brugt 100 mL min-1 gennem en peristaltisk pumpe.

Figure 4
Figur 4: Skematisk repræsentation af rørforbindelsen med omvendt elektrodialysestak. Tilslutning af omvendt elektrodialyse med peristaltiske pumper, højkoncentrationsopløsningsbeholder, lavkoncentrationsopløsningsbeholder, skylleopløsningsbeholder og kassere løsningsbeholder. Det viser også afstandsstykkets tilpasning til både en anionbyttermembran (AEM) og kationbyttermembran (CEM). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Skematisk diagram over forskellige lag i opsætningen af omvendt elektrodialyse. Andre komponenter såsom elektroder, ydre og indre pakninger, ydre og indre afstandsstykke, kation-udveksling membran, og anion-udveksling membran. b) Forfra af stakken, som viser en opløsnings strømningsretning. Klik her for at se en større version af dette tal.

4. Måling af omvendt elektrodialyse

  1. Strømberegning
    1. Lad den høje koncentration, lav koncentration og skylleopløsningen løbe gennem stakken mindst i 5 minutter. Mål DEN RØDE outputydelse med en kildemåler, som er forbundet med begge elektroder i DEN RØDE stak13.
    2. Den røde staks strømspændingsegenskaber beregnes ud fra effekttætheden ved hjælp af galvaniskringsmetoden.
      BEMÆRK: I galvanostatmetoden påføres en konstant strøm på tværs af elektroder og måler den resulterende strøm. Den resulterende strøm er den strøm, der genereres på grund af den elektrokemiske reaktion i stakken. Målingen udføres under 0,05 V statisk spænding med en fast fejestrøm, der er 10 mA.
    3. Den maksimale effekttæthed for RØD stakken måles ved hjælp af følgende ligning 1.
      Equation 2(1)
      Her er Pmax den maksimale effekttæthed af DEN RØDE stak (Wm-2),U-stakken er spændingen (V), der produceres af membranen i stakken, jegstabler er den registrerede strøm (A), og Amem er det aktive område af membranerne (m2).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Nettoeffekt
RØD celle genererer generelt elektrisk energi fra saltopløsningens saltopløsnings saltgradient, dvs. For at samle RED-stakken korrekt skal man justere alle lagene, herunder elektroder, pakninger, membraner og afstandsstykke i stakken omhyggeligt, som det fremgår af det skematiske diagram i figur 4 og figur 5. Hvis stakken ikke er perfekt justeret, kan der opstå to problemer: (i) Der kan opstå krydsflow af HC- og LC-opløsning i stakken, og (ii) der kan opstå lækage af opløsningen i stakken. Det er nødvendigt at fjerne begge problemer, før du starter den faktiske måling af effekt. Andre parametre skal rettes, herunder HC- og LC-løsningens strømningshastighed, pumpetryk og anvendt spænding for at opnå effektiv effekt. For at estimere DEN RØDE staks nettoeffekt skal man trække det hydrodynamiske strømtab fra opnået nettoeffekt10. Den maksimale effekt opnås fra DEN RØDE stak ved at multiplicere den opnåede spænding og strøm. I modsætning hertil skal det aktive område og antallet af membranpar opdeles for at opnå stakkens faktiske effekttæthed, som angivet ved ligning 114,15. Den samlede effekt opnået fra DEN RØDE stak trækkes fra af et hydrodynamisk strømtab eller pumpeeffekttab genereret af pumpen og givet ved den følgende ligning 2.

Equation 3(2)

Her er Ptab et hydrodynamisk pumpeeffekttab (W m-2),der produceres i DEN RØDE stak ved internt tab. Pmax er den maksimale effekt (W m-2), der opnås ved forsøget. Den højeste nettoeffekt, der rapporteres for RED, er 1,2 W m-2 ved hjælp af flodvand og havvand af Vermaas16. Strømtab er repræsenteret som en forskel i tryk ved indløb og udløb af HC og LC opløsning på stakken og givet ved trykfald (ΔP), strømningshastighed (Q), og pumpeeffektivitet (ηpumpe)17,18.

Equation 4(3)

Her er QH og QL strømningshastigheden (mL mim-1)af en højkoncentrationsopløsning og lav koncentrationsopløsning i mL min-1, og ΔPH og ΔPL er trykfaldet ved højkoncentrationssiden og lav koncentrationsrummet i Pa. Her er det målte trykfald fra trykmåleren for HC-rummet 11.790 Pa, og LC-rummet er 11.180 Pa. Det beregnede pumpeeffekttab(P-tab)er 0,038 W m-2.

Teoretisk parameterestimat
Dybest set består et RØDT-system af to forskellige typer ionbyttermembraner, pakning, pumpe, afstandsstykke og elektrode. Trykfaldet på tværs af RED stakken anslås teoretisk ved hjælp af Darcy-Weisbach ligning11,19. I et ideelt RED-system anvendes en laminar flow af opløsning i en uendelig bred ensartet kanal til beregning af trykfaldet.

Equation 5(4)

Her er dh (m) kanalens hydrauliske diameter, mens den hydrauliske diameter for en uendelig bred kanal er 2 timer. Andre parametre er viskositeten af vand (Pa· s), t res eropholdstiden (r), L er længden af membranen (cm). I RØD stak anvendes sPEEK som CEM og FAA-3 som AEM, og afstanden mellem begge membraner angives med udtrykket b, som er direkte proportional med den hydrauliske diameters værdi i tilfælde af den profilerede membran, og"h" er intermembraneafstanden (m), er angivet ved ligning 520.

Equation 6(5)

For en uendelig bred kanal er den værdi, der beregnes ud fra ligning 6, normalt meget lavere end den begrænsede brede kanals værdi. De opnåede værdier er lave i størrelse, hvilket skyldes den manglende ensartethed af indløb og udløb af foderopløsninger. Afstandsmasken begrænser strømmen af vandige saltopløsninger på grund af afstandsskyggeeffekten, hvilket resulterer i en forøgelse af pumpekraften. Placering af værdien opnået fra forholdet mellem overflade til volumen (Ssp   / V sp) af afstandsmaske i formlen, ε er porøsiteten, kan man estimere tykkelsen af afstandsfyldte kanaler fra ligning 621,22.

Equation 7(6)

Afstandstykkelsen og de andre parametre, herunder åbent forhold, netåbning og tråddiametre, holdes konstante i alle rum. Både HC- og LC-rum brugte den samme opløsning (NaCl) med forskellige koncentrationer. Derfor er det let at initialisere parametrene, og teoretisk pumpetab kan gives ved ligning 723.

Equation 8(7)

Hvor, A er det aktive membranområde i m2 og Q foderopløsningsopløsningshastighed i m3 s-1. Her er μ viskositeten af vand målt i Pa· s, L er længden af membranen givet af cm, og tres er en opholdstilladelse tid i sekundet.

Den røde staks ydeevne
DEN RØDE staks outputydelse blev undersøgt ved hjælp af et cellepar med en fast strømningshastighed på 100 mL min-1. Foderopløsningens koncentration blev også holdt fast for en højere koncentration (0,6 M) og en lavere koncentration (0,01 M) fremstillet af NaCl-salt. Det bemærkes , at den maksimale effekttæthed er 0,69 W m-2 ved 100 mL min-1, og nettoeffekttætheden er 0,66 W m-2 som vist i figur 6. Højere strømningshastighed og høj ionbyttekapacitet spiller en væsentlig rolle med hensyn til at opnå bedre celleydeevne, fordi ioners transport er mere aktiv med en højere strømningshastighed. På den anden side reducerer det diffusions-grænse-lag-modstanden ved grænsefladen. Forskellen i saltkoncentrationens saltkoncentrations saltgradient giver anledning til spændingen i det åbne kredsløb, som det fremgår af figur 6. Denne spænding afhænger af den interne modstand af RED-stakken og andre parametre. Det bemærkes, at efterhånden som den nuværende tæthed stiger, falder spændingsstarten, mens cellens effekttæthed i første omgang øger opnåelsen af maxima ved en bestemt strømtæthedsværdi og derefter falder ned. Dette fald i effekttætheden skyldes en stigning i stakkens indre modstand, som vist i figur 6.

Figure 6
Figur 6: Outputydelsen for den omvendte elektrodialyseanordning: (a) variation i udgangsspænding med varierende strøm og (b) nettoeffekttæthed med en varierende strømtæthed af RØD stakken. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

RED's arbejdsprincip er hovedsageligt domineret af membranens fysiskkemiske egenskaber, som er en afgørende del af RED-systemet, som illustreret i figur 3. Her beskriver vi membranens grundlæggende egenskaber ved at levere et højtydende RED-system. Membranens specifikke iongennemtrængelighed får den til at passere en type ioner gennem deres polymer nanokanal. Som navnet antyder, kan CEM videregive fra den ene side til den anden og begrænser anion, mens AEM kan passere anion og begrænser kation. Som vist i figur 2blev alle membraner formet til en RØD stakstørrelse, der indeholder indløbs- og udløbspassage til flowopløsning. Mængden af ion, der udveksles gennem membranen, er direkte proportional med membranens ledningsevne og derforstakkens effekt 24. Bevægelsen af ioner i ionbytningsmembranen arbejder på Donnan-udelukkelsesprincippet25. Den ladegruppe, der er fastgjort med polymer backbone, afviser den samme ladning, der findes i opløsningen. Således højere ladningstætheden større vil være frastødning, som normalt afhænger af perm selektivitet. Generelt foregår i RØD celler ioners bevægelse gennem membranen fra højere koncentration til lavere koncentration af opløsningen. Denne iontransport fra et rum til et andet gennem membranen giver en åben kredsløbsspænding og strømværdier, som bruges til at beregne celle26'snettoeffekt .

RED-stakkens ydeevne afhænger hovedsageligt af ionbytningskapaciteten og hævelsestætheden af CEM- og AEM-baserede membraner27. Det bemærkes, at jo højere CEM's og AEM's ionbyttekapacitet er, desto bedre er ledningsevnen. Membranens højere ionbytningskapacitet fører imidlertid til høj hævelse, hvilket let forværrer membranens mekaniske styrke. Det er derfor vigtigt at optimere hævelsestætheden og membranernes ledningsevne for bedre og pålidelig celleydelse. På den anden side er det også afgørende at optimere stakmodstanden med funktionen af foderopløsningens flow i begge rum. Efterhånden som strømningshastigheden øges, formindskes stakmodstanden, og outputcellens ydeevne øges. Teoretisk set er RØD stakmodstand givet ved ligning 8.

Equation 9(8)

N er antallet af cellepar (alternativt arrangement af anion- og kationbyttermembraner), A er det effektive område for begge membraner (m2), RA er anionbytterens membranmodstand (Ω m2), RC er kationbyttermembranmodstanden (Ω m2), dc er tykkelsen af rummet med den koncentrerede opløsning (m), kc er dets ioniske ledningsevne (S m-1 ),d d er tykkelsen af rummet med den fortyndede opløsning (m), kd er dets ioniske ledningsevne (S m-1), og Re er elektrodemodstanden (Ω). Reduktion af stakmodstanden er en vigtig faktor for at øge nettoeffekten, men andre faktorer påvirker også cellens ydeevne28, som også skal overvejes. Afstandsskyggeeffekten, strømmen af foderopløsning, rumbredde og koncentration af foderopløsning, den skematiske illustration af den RØDE celle er præsenteret i figur 5.

I RED-celler fungerede membranen som en begrænsende faktor og krævede en stabil høj ledende membran. Derudover skal både CEM og AEM have sammenlignelige ionledende egenskaber, så cellen kan producere en effektiv og optimeret effekt. Der skal også tages hensyn til forringelse af ionbytningskapaciteten og saltakkumulering for at opnå pålidelig RØD ydeevne. Nyt membranmateriale og den nyeste enhedsarkitektur kan yderligere forbedre celleydeevnen i den kommende fremtid og vil bane vejen for fremtidig forskningsretning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af National Research Foundation of Korea (NRF) tilskud finansieret af Koreas regering (MEST) (Nr. NRF-2017R1A2A2A05001329). Forfatterne af manuskriptet er taknemmelige for Sogang University, Seoul, Republikken Korea.

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

Teknik Problem 173 membran omvendt elektrodialyse ledningsevne strømtæthed effekttæthed
Ionbyttermembraner til fremstilling af omvendt elektrodialyseanordning
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