逆電気透析装置の製造のためのイオン交換膜
Summary
発電用のカチオン交換膜(CEM)とアニオン交換膜(AEM)を用いた逆電気透析装置の製造を実証する。
Abstract
逆電気透析(RED)は、カチオン交換膜(CEM)と陰イオン交換膜(AEM)を用いて、水内の2つの異なる塩濃度を混合して発電する有効な方法です。REDスタックは、カチオン交換膜とアニオン交換膜の交互配置で構成されています。REDデバイスは、将来のエネルギー危機に対する普遍的な需要を満たす潜在的な候補として機能します。ここでは、この記事では、実験室規模のCEMとAEMを用いて、電力生産用の逆電気透析装置を製造する手順を示します。イオン交換膜の活性領域は49cm2である。この記事では、膜を合成するためのステップバイステップの手順を提供し、その後にスタックのアセンブリと電力測定を行います。測定条件や正味出力の計算についても説明しました。さらに、信頼できる結果を得るために考慮される基本的なパラメータについて述べています。また、膜と飼料溶液に関する細胞性能全体に影響を与える理論的パラメータも提供します。つまり、この実験では、同じプラットフォーム上で RED 細胞を組み立て、測定する方法を説明します。また、CEMおよびAEM膜を使用してREDスタックの正味出力を推定するために使用される作業原理と計算が含まれています。
Introduction
天然資源からのエネルギー収穫は、環境にやさしい経済的方法であり、それによって私たちの惑星を緑と清潔にします。これまでエネルギーを抽出するためにいくつかのプロセスが提案されてきたが、逆電気透析(RED)はエネルギー危機問題1を克服する大きな可能性を秘めている。リバース電気透析による電力生産は、世界のエネルギーの脱炭素化のための技術的なブレークスルーです。名前が示すように、REDは逆のプロセスであり、代替セルコンパートメントは高濃縮塩溶液と低濃縮塩溶液2で満たされる。イオン交換膜全体の塩濃度差によって発生する化学的電位を、コンパートメント端の電極から採取する。
2000年以来、多くの研究記事が出版され、理論的には、理論的には、実験的に3、4に関する洞察を提供しています。ストレス条件下での動作条件と信頼性の研究に関する系統的研究は、スタックアーキテクチャを改善し、全体的な細胞性能を向上させました。いくつかの研究グループは、赤淡水化プロセス5、太陽光発電6のRED、逆浸透(RO)プロセス5のRED、微生物燃料電池7を有するRED、および放射冷却プロセス8を有するREDのようなREDのハイブリッドアプリケーションに注意をそらしている。前述のように、エネルギーとクリーンウォーターの問題を解決するためのREDのハイブリッドアプリケーションを実装する上で多くの範囲があります。
RED細胞の性能と膜のイオン交換能力を高めるために、いくつかの方法が採用されています。スルホン酸基(-SO3H)、ホスホン酸基(-PO3H2)、およびカルボン酸基(-COOH)を使用して、異なる種類のイオンでカチオン交換膜を調整することは、膜の物理化学的性質を変化させる有効な方法の1つです。アニオン交換膜はアンモニウム基で調整される ( 
)9.膜の機械的強度を低下させることなくAEMとCEMの高イオン伝導性は、デバイス用途に適した膜を選択するための必須パラメータです。ストレス条件下での堅牢な膜は、膜に機械的安定性を提供し、デバイスの耐久性を高めます。ここでは、FAA-3をアニオン交換膜として用いるカチオン交換膜としての高性能自立型スルホン化ポリ(エーテルエーテルケトン)(sPEEK)の独自の組み合わせが、RED用途に使用されている。図1は実験手順のフローチャートを示す。
図1: 手順チャート フローチャートは、イオン交換膜の調製に採用された手順と、逆電気透析の測定プロセスを示すものです。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Protocol
Representative Results
Discussion
REDの働き原理は、 図3に示すように、主に赤システムの重要な部分である膜の物理化学的性質によって支配されている。ここでは、高性能なREDシステムを実現するための膜の基本的な特性について述べる。膜のイオン透過性は、ポリマーナノチャネルを介して1種類のイオンを通過させます。名前が示すように、CEMは一方の側から別の側にカチオンを渡し、アニオンを制?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、韓国政府(MEST)が資金を提供する韓国国立研究財団(NRF)助成金(No.NRF-2017R1A2A2A05001329)。原稿の著者は、朝江大学、ソウル、韓国に感謝しています。
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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