역전기분해 장치 제조를 위한 이온 교환 멤브레인
Summary
우리는 발전용 양이온 교환 멤브레인(CEM)과 음이온 교환 멤브레인(AEM)을 이용하여 역전기분해 장치의 제조를 시연한다.
Abstract
역전기분해(RED)는 양이온 교환멤브레인(CEM)과 음이온 교환 멤브레인(AEM)을 이용하여 물에 2개의 상이한 염농도를 혼합하여 전력을 생성하는 효과적인 방법입니다. RED 스택은 양이온 교환 멤브레인 및 애니온 교환 멤브레인의 교대 배열로 구성됩니다. RED 장치는 미래의 에너지 위기에 대한 보편적 인 수요를 충족시키기위한 잠재적 인 후보자 역할을합니다. 여기서, 이 문서에서는 전력 생산을 위해 실험실 규모의 CEM 및 AEM을 사용하여 역전기분해 장치를 제조하는 절차를 시연합니다. 이온 교환 멤브레인의 활성 영역은 49cm2입니다. 이 문서에서는 멤브레인을 합성하는 단계별 절차를 제공하며, 그 다음에스택의 조립 및 전력 측정을 제공합니다. 측정 조건과 순 전력 출력 계산도 설명되었습니다. 또한 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해 고려되는 기본 매개 변수를 설명합니다. 우리는 또한 막 및 공급 용액과 관련된 전반적인 세포 성능에 영향을 미치는 이론적 매개 변수를 제공합니다. 요컨대, 이 실험은 동일한 플랫폼에서 RED 셀을 조립하고 측정하는 방법을 설명합니다. 또한 CEM 및 AEM 멤브레인을 사용하여 RED 스택의 순 전력 출력을 추정하는 데 사용되는 작업 원리 및 계산도 포함되어 있습니다.
Introduction
천연 자원에서 에너지 수확은 환경 친화적 인 경제적 인 방법이며, 따라서 우리의 행성을 녹색과 깨끗하게 만듭니다. 지금까지 에너지를 추출하기 위해 여러 공정이 제안되었지만 역전기투약(RED)은 에너지 위기 문제1을극복할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있다. 역 전기 투약의 전력 생산은 글로벌 에너지의 탈탄소화를 위한 기술적 돌파구입니다. 이름에서 알 수 있듯이 RED는 대체 세포 구획이 고농축 염액과 저농축 염액2로채워진 역공정이다. 이온 교환 멤브레인을 가로지르는 염분 농도 차이에 의해 생성되는 화학적 전위, 구획 끝에 있는 전극에서 채취하였다.
2000년 이래로 많은 연구 논문이 발표되어 이론적으로 및 실험적으로RED에대한 통찰력을3,4로나타왔습니다. 스트레스 조건 하에서 의 작동 조건 및 신뢰성 연구에 대한 체계적인 연구는 스택 아키텍처를 개선하고 전반적인 세포 성능을 향상시켰습니다. 여러 연구그룹은 담수화 공정5,태양광6을장착한 레드, 역삼투(RO) 공정5,미생물 연료전지7을장착한 레드, 방사 냉각 공정8을갖는 RED 등 RED의 하이브리드 애플리케이션에 주목하고 있다. 앞서 언급했듯이 에너지와 청정수 문제를 해결하기 위해 RED의 하이브리드 애플리케이션을 구현하는 데는 많은 범위가 있습니다.
RED 셀의 성능과 멤브레인의 이온 교환 능력을 향상시키기 위해 몇 가지 방법이 채택되었습니다. 설포닉산군(-SO3H),인산군(-PO3H2),카박실산군(-COOH)을 이용하여 다양한 유형의 이온을 이용한 양이온 교환막을 조정하는 것은 멤브레인의 물리화학적 특성을 변화시키는 효과적인 방법 중 하나이다. 애니온 교환 멤브레인은 암모늄 그룹 
()9와맞춤화되어 있습니다. 멤브레인의 기계적 강도를 저하하지 않고 AEM 및 CEM의 높은 이온 전도도는 장치 응용 에 적합한 멤브레인을 선택하는 데 필수적인 매개 변수입니다. 응력 조건에서 견고한 멤브레인은 멤브레인에 기계적 안정성을 제공하고 장치의 내구성을 향상시킵니다. 여기서, 고성능 독립형 황포네이트 폴리(에테르 케톤)(sPEEK)를 ALA-3을 이용한 양이온 교환 멤브레인으로서 의 독특한 조합이 RED 애플리케이션에 사용된다. 도 1은 실험 절차의 흐름 도표를 나타낸다.
그림 1: 절차 차트. 상기 플로우차트는 이온교환막의 제조를 위해 채택된 절차를 제시하고, 그 다음에는 역전기분해측정과정을 제시한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
RED의 작동 원리는 주로 도 3에도시된 바와 같이 RED 시스템의 중요한 부분인 멤브레인의 물리화학적 특성에 의해 지배된다. 여기서는 고성능 RED 시스템을 제공하기 위한 멤브레인의 근본적인 특성을 설명합니다. 멤브레인의 특정 이온 투과성은 폴리머 나노 채널을 통해 한 종류의 이온을 전달합니다. 이름에서 알 수 있듯이 CEM은 양온을 한쪽에서 다른 쪽으로 전달하고 이온?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 한국정부(MEST)가 후원한 국립연구재단(NRF) 보조금(No.1)의 지원을 받았다. NRF-2017R1A2A2A050001329). 원고의 저자는 서강대학, 서울, 한국에 감사드립니다.
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).
