أغشية التبادل الأيوني لتصنيع جهاز التحليل الكهربائي العكسي
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.
Protocol
Representative Results
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 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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. , (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. , (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. Upscaling reverse electrodialysis. Environmental Science & Technology. 52, 10856-10863 (2018).
- 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).
