Membrane a scambio ionica per la fabbricazione di dispositivi di elettrodialisi inversa

Summary

Dimostriamo la fabbricazione di un dispositivo di elettrodialisi inversa utilizzando una membrana a scambio di cationi (CEM) e una membrana a scambio ionico (AEM) per la generazione di energia.

Abstract

L’elettrodialisi inversa (RED) è un modo efficace per generare energia mescolando due diverse concentrazioni di sale in acqua utilizzando membrane a scambio cationico (CEM) e membrane a scambio ionico (AEM). La pila RED è composta da una disposizione alternata della membrana cation-scambio e della membrana a scambio anionico. Il dispositivo RED funge da potenziale candidato per soddisfare la domanda universale di crisi energetiche future. Qui, in questo articolo, dimostriamo una procedura per fabbricare un dispositivo di elettrodialisi inversa utilizzando CEM e AEM su scala di laboratorio per la produzione di energia. L’area attiva della membrana a scambio ionica è di 49 cm². In questo articolo, forniamo una procedura passo-passo per sintetizzare la membrana, seguita dall’assemblaggio della pila e dalla misurazione della potenza. Sono state inoltre spiegate le condizioni di misurazione e il calcolo della potenza netta. Inoltre, descriviamo i parametri fondamentali che vengono presi in considerazione per ottenere un risultato affidabile. Forniamo anche un parametro teorico che influisce sulle prestazioni complessive delle cellule relative alla membrana e alla soluzione di alimentazione. In breve, questo esperimento descrive come assemblare e misurare le celle RED sulla stessa piattaforma. Contiene anche il principio di lavoro e il calcolo utilizzati per stimare l’uscita netta di potenza della pila RED utilizzando membrane CEM e AEM.

Introduction

La raccolta di energia dalle risorse naturali è un metodo economico rispettoso dell’ambiente, rendendo così il nostro pianeta verde e pulito. Finora sono stati proposti diversi processi per estrarre energia, ma l’elettrodialisi inversa (RED) ha un enorme potenziale per superare la questione della crisi energetica¹. La produzione di energia elettrica dall’elettrodialisi inversa è una svolta tecnologica per la decarbonizzazione dell’energia globale. Come suggerisce il nome, RED è un processo inverso, in cui il compartimento cellulare alternativo viene riempito con la soluzione salina ad alta concentrati e la soluzione di sale a bassa^{concentrati 2}. Il potenziale chimico generato dalla differenza di concentrazione di sale attraverso le membrane a scambio ionico, raccolto dagli elettrodi all’estremità del compartimento.

Dal 2000 sono stati pubblicati molti articoli di ricerca, che forniscono informazioni sul RED teoricamente e sperimentalmente^3,4. Studi sistematici sulle condizioni operative e sugli studi di affidabilità in condizioni di stress hanno migliorato l’architettura dello stack e migliorato le prestazioni complessive delle celle. Diversi gruppi di ricerca hanno deviato la loro attenzione verso l’applicazione ibrida di RED, come RED con processo di desalinizzazione^5,RED con energia^{solare 6,}RED con processo di osmosi inversa (RO)^5,ROSSO con la cella a combustibile microbica⁷e ROSSO con il processo di raffreddamento radiativo⁸. Come accennato in precedenza, c’è molto spazio nell’implementazione dell’applicazione ibrida di RED per risolvere il problema dell’energia e dell’acqua pulita.

Sono stati adottati diversi metodi per migliorare le prestazioni della cellula ROSSA e la capacità di scambio ionica della membrana. La personalizzazione delle membrane a scambio cationico con diversi tipi di ioni utilizzando il gruppo acido sulfonico (-SO₃H), il gruppo dell’acido fosfonico (-PO₃H₂₎e il gruppo dell’acido carbossilico (-COOH) è uno dei modi efficaci per alterare le proprietà fisicochimiche della membrana. Le membrane a scambio ionico sono su misura con gruppi di ammonio ( )⁹. L’elevata conduttività ionica di AEM e CEM senza deteriorare la resistenza meccanica della membrana è il parametro essenziale per la scelta di una membrana appropriata per l’applicazione del dispositivo. La robusta membrana in condizioni di stress fornisce stabilità meccanica alla membrana e migliora la durata del dispositivo. Qui, una combinazione unica di poli solfonato indipendente ad alte prestazioni (chetone etere etere) (sPEEK) come membrane a scambio di cationi con FAA-3 come membrane a scambio di anione viene utilizzata nell’applicazione RED. La figura 1 mostra il diagramma di flusso della procedura sperimentale.

Figura 1: Grafico delle procedure. Il diagramma di flusso presenta la procedura adottata per la preparazione della membrana di scambio ionica seguita dal processo di misurazione dell’elettrodialisi inversa. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocol

1. Requisito sperimentale Acquista polimero ionomero a scambio ionico, fibra polimerica E-550 sulfonato-PEEK per preparare CEM e FAA-3 per preparare AEM. Assicurarsi che tutti i polimeri ionomeri siano conservati in un ambiente pulito, asciutto e privo di polvere prima dell’uso. Utilizzare solventi ad alta purezza (>99%) , tra cui N-metil-2- pirrolidone con peso molecolare 99,13 g di mol-1 e N, N-Dimetilacetamide con peso molecolare 87,12, per preparare una soluzione omogenea di ionomero. A…

Representative Results

Potenza netta erogataLa cella ROSSA genera generalmente energia elettrica dal gradiente di salinità della soluzione salina, cioè il movimento degli ioni nella direzione opposta attraverso la membrana. Per assemblare correttamente la pila RED, è necessario allineare attentamente tutti gli strati, inclusi elettrodi, guarnizioni, membrane e distanziale nella pila, come dimostrato nel diagramma schematico nella figura 4 e nella figura 5. Se l…

Discussion

Il principio di funzionamento del RED è principalmente dominato dalle proprietà fisico-chimiche della membrana, che è una parte cruciale del sistema RED, come illustrato nella figura 3. Qui descriviamo le caratteristiche fondamentali della membrana per fornire un sistema RED ad alte prestazioni. La permeabilità ionica specifica della membrana lo fa passare un tipo di ioni attraverso il loro nanocanale polimerico. Come suggerisce il nome, CEM può passare la comunicazione da un lato all’a…

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