Ionenuitwisselingsmembranen voor de fabricage van omgekeerde elektrodialyse-apparaten
Summary
We demonstreren de fabricage van een omgekeerd elektrodialyseapparaat met behulp van een kationenuitwisselingsmembraan (CEM) en anion-uitwisselingsmembraan (AEM) voor energieopwekking.
Abstract
Omgekeerde elektrodialyse (RED) is een effectieve manier om stroom op te wekken door twee verschillende zoutconcentraties in water te mengen met behulp van kationenuitwisselingsmembranen (CEM) en anionuitwisselingsmembranen (AEM). De RED stack bestaat uit een afwisselende opstelling van het kationenuitwisselingsmembraan en het anion-uitwisselingsmembraan. Het RED-apparaat fungeert als een potentiële kandidaat om te voldoen aan de universele vraag naar toekomstige energiecrises. Hier, in dit artikel, demonstreren we een procedure om een omgekeerd elektrodialyseapparaat te fabriceren met behulp van CEM en AEM op laboratoriumschaal voor energieproductie. Het actieve gebied van het ionenuitwisselingsmembraan is 49 cm2. In dit artikel bieden we een stapsgewijze procedure voor het synthetiseren van het membraan, gevolgd door de assemblage en vermogensmeting van de stapel. Ook de meetcondities en de berekening van het nettovermogen zijn toegelicht. Verder beschrijven we de fundamentele parameters waarmee rekening wordt gehouden om tot een betrouwbaar resultaat te komen. We bieden ook een theoretische parameter die de algehele celprestaties met betrekking tot het membraan en de voedingsoplossing beïnvloedt. Kortom, dit experiment beschrijft hoe je RODE cellen op hetzelfde platform kunt assembleren en meten. Het bevat ook het werkingsprincipe en de berekening die worden gebruikt voor het schatten van het nettovermogen van de RED-stack met behulp van CEM- en AEM-membranen.
Introduction
Energiewinning uit natuurlijke hulpbronnen is een economische methode die milieuvriendelijk is, waardoor onze planeet groen en schoon wordt. Tot nu toe zijn verschillende processen voorgesteld om energie te winnen, maar omgekeerde elektrodialyse (RED) heeft een enorm potentieel om het probleem van de energiecrisis te overwinnen1. Energieproductie uit omgekeerde elektrodialyse is een technologische doorbraak voor het koolstofvrij maken van wereldwijde energie. Zoals de naam al doet vermoeden, is RED een omgekeerd proces, waarbij het alternatieve celcompartiment wordt gevuld met de hooggeconcentreerde zoutoplossing en zoutarme oplossing2. Het chemische potentieel dat wordt gegenereerd door het zoutconcentratieverschil tussen de ionenuitwisselingsmembranen, verzameld uit de elektroden aan het uiteinde van het compartiment.
Sinds het jaar 2000 zijn veel onderzoeksartikelen gepubliceerd, die inzicht geven in het RED theoretisch en experimenteel3,4. Systematische studies naar de bedrijfsomstandigheden en betrouwbaarheidsstudies onder stressomstandigheden verbeterden de stackarchitectuur en verbeterden de algehele celprestaties. Verschillende onderzoeksgroepen hebben hun aandacht gericht op de hybride toepassing van RED, zoals ROOD met ontziltingsproces5,ROOD met zonne-energie6,ROOD met omgekeerde osmose (RO) proces5, ROOD met de microbiële brandstofcel7en ROOD met het radiatieve koelproces8. Zoals eerder vermeld, is er veel ruimte bij het implementeren van red’s hybride applicatie om het energie- en schoonwaterprobleem op te lossen.
Verschillende methoden zijn gebruikt om de prestaties van de RODE cel en de ionenuitwisselingscapaciteit van het membraan te verbeteren. Het afstemmen van de kationenuitwisselingsmembranen met verschillende soorten ionen met behulp van sulfonzuurgroep (-SO3H), fosfonzuurgroep (-PO3H2)en carboxylzuurgroep (-COOH) is een van de effectieve manieren om de fysisch-chemische eigenschappen van het membraan te veranderen. Anion-uitwisselingsmembranen zijn afgestemd op ammoniumgroepen ( 
)9. De hoge ionische geleidbaarheid van AEM en CEM zonder de mechanische sterkte van het membraan te verslechteren, is de essentiële parameter voor het selecteren van een geschikt membraan voor toepassing van het apparaat. Het robuuste membraan onder spanningsomstandigheden zorgt voor mechanische stabiliteit van het membraan en verbetert de duurzaamheid van het apparaat. Hier wordt een unieke combinatie van hoogwaardige vrijstaande gesulfoneerde poly (etheretherketon) (sPEEK) als kationenuitwisselingsmembranen met FAA-3 als anion-uitwisselingsmembranen gebruikt in de RED-toepassing. Figuur 1 toont het stroomschema van de experimentele procedure.
Figuur 1: Procedureschema. Het stroomschema geeft de procedure voor de bereiding van het ionenuitwisselingsmembraan, gevolgd door het proces voor de meting van omgekeerde elektrodialyse. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het werkingsprincipe van het RED wordt voornamelijk gedomineerd door de fysisch-chemische eigenschappen van het membraan, wat een cruciaal onderdeel is van het RED-systeem, zoals geïllustreerd in figuur 3. Hier beschrijven we de fundamentele kenmerken van het membraan voor het leveren van een hoogwaardig RED-systeem. De specifieke ionendoorlaatbaarheid van het membraan zorgt ervoor dat het één type ionen door hun polymeernanokanaal passeert. Zoals de naam al doet vermoeden, kan CEM kation…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Research Foundation of Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (MEST) (nr. NRF-2017R1A2A2A05001329). De auteurs van het manuscript zijn de Sogang University, Seoul, Republiek Korea dankbaar.
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).
