Membranes échangeuses d’ions pour la fabrication d’un dispositif d’électrodialyse inverse
Summary
Nous démontrons la fabrication d’un dispositif d’électrodialyse inverse utilisant une membrane échangeuse de cations (CEM) et une membrane échangeuse d’anions (AEM) pour la production d’énergie.
Abstract
L’électrodialyse inverse (RED) est un moyen efficace de générer de l’énergie en mélangeant deux concentrations de sel différentes dans l’eau à l’aide de membranes échangeuses de cations (CEM) et de membranes échangeuses d’anions (AEM). La pile RED est composée d’un arrangement alternatif de la membrane échangeuse de cations et de la membrane échangeuse d’anions. Le dispositif RED agit comme un candidat potentiel pour répondre à la demande universelle pour les futures crises énergétiques. Ici, dans cet article, nous démontrons une procédure pour fabriquer un dispositif d’électrodialyse inverse à l’aide de CEM et d’AEM à l’échelle du laboratoire pour la production d’énergie. La zone active de la membrane échangeuse d’ions est de 49 cm2. Dans cet article, nous fournissons une procédure étape par étape pour synthétiser la membrane, suivie de l’assemblage de la pile et de la mesure de puissance. Les conditions de mesure et le calcul de la puissance nette de sortie ont également été expliqués. En outre, nous décrivons les paramètres fondamentaux qui sont pris en considération pour obtenir un résultat fiable. Nous fournissons également un paramètre théorique qui affecte les performances cellulaires globales relatives à la membrane et à la solution d’alimentation. En bref, cette expérience décrit comment assembler et mesurer des cellules ROUGES sur la même plate-forme. Il contient également le principe de fonctionnement et le calcul utilisés pour estimer la puissance nette de sortie de la pile RED à l’aide des membranes CEM et AEM.
Introduction
La récupération d’énergie à partir des ressources naturelles est une méthode économique respectueuse de l’environnement, rendant ainsi notre planète verte et propre. Plusieurs procédés ont été proposés jusqu’à présent pour extraire de l’énergie, mais l’électrodialyse inverse (RED) a un potentiel énorme pour surmonter le problème de la crise énergétique1. La production d’énergie à partir de l’électrodialyse inverse est une percée technologique pour la décarbonisation de l’énergie mondiale. Comme son nom l’indique, RED est un processus inverse, où le compartiment de la cellule alternative est rempli de la solution saline hautement concentrée et de la solution saline faiblement concentrée2. Le potentiel chimique généré par la différence de concentration en sel à travers les membranes échangeuses d’ions, recueilli à partir des électrodes à l’extrémité du compartiment.
Depuis l’an 2000, de nombreux articles de recherche ont été publiés, donnant un aperçu de la RED théoriquement et expérimentalement3,4. Des études systématiques sur les conditions de fonctionnement et des études de fiabilité dans des conditions de stress ont amélioré l’architecture de la pile et amélioré les performances globales des cellules. Plusieurs groupes de recherche ont détourné leur attention vers l’application hybride de RED, tels que RED avec procédé de dessalement5,RED avec énergie solaire6,RED avec procédé d’osmose inverse (RO)5,RED avec la pile à combustible microbienne7,et RED avec le procédé de refroidissement radiatif8. Comme mentionné précédemment, il y a beaucoup de place dans la mise en œuvre de l’application hybride de RED pour résoudre le problème de l’énergie et de l’eau propre.
Plusieurs méthodes ont été adoptées pour améliorer les performances de la cellule ROUGE et la capacité d’échange d’ions de la membrane. L’adaptation des membranes échangeuses de cations avec différents typesd’ions en utilisant le groupe acide sulfonique (-SO3 H), le groupe acide phosphonique (-PO3H2) et le groupe acide carboxylique (-COOH) est l’un des moyens efficaces de modifier les propriétés physico-chimiques de la membrane. Les membranes échangeuses d’anions sont adaptées aux groupes ammonium ( 
)9. La conductivité ionique élevée de l’AEM et du CEM sans détériorer la résistance mécanique de la membrane est le paramètre essentiel pour choisir une membrane appropriée pour l’application du dispositif. La membrane robuste dans des conditions de contrainte fournit une stabilité mécanique à la membrane et améliore la durabilité de l’appareil. Ici, une combinaison unique de poly sulfoné autonome haute performance (éther éther cétone) (sPEEK) en tant que membranes échangeuses de cations avec FAA-3 comme membranes échangeuses d’anions est utilisée dans l’application RED. La figure 1 montre l’organigramme de la procédure expérimentale.
Figure 1: Tableau des procédures. L’organigramme présente la procédure adoptée pour la préparation de la membrane échangeuse d’ions suivie du processus de mesure de l’électrodialyse inverse. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le principe de fonctionnement du RED est principalement dominé par les propriétés physicochimiques de la membrane, qui est un élément crucial du système RED, comme illustré à la figure 3. Ici, nous décrivons les caractéristiques fondamentales de la membrane pour fournir un système RED haute performance. La perméabilité spécifique des ions de la membrane lui fait passer un type d’ions à travers leur nanocanal polymère. Comme son nom l’indique, le CEM peut passer le cation …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la subvention de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le gouvernement coréen (MEST) (No. NRF-2017R1A2A2A05001329). Les auteurs du manuscrit sont reconnaissants à l’Université Sogang de Séoul (République de Corée).
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 |
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