Ionbyttemembraner for fabrikasjon av omvendt elektrodialyseenhet

Summary

Vi demonstrerer fabrikasjonen av en omvendt elektrodialyseenhet ved hjelp av en kationutvekslingsmembran (CEM) og anionutvekslingsmembran (AEM) for kraftproduksjon.

Abstract

Omvendt elektrodialyse (RED) er en effektiv måte å generere kraft på ved å blande to forskjellige saltkonsentrasjoner i vann ved hjelp av kationutvekslingsmembraner (CEM) og anionutvekslingsmembraner (AEM). RED-stakken består av et vekslende arrangement av kationutvekslingsmembranen og anionutvekslingsmembranen. RED-enheten fungerer som en potensiell kandidat for å oppfylle den universelle etterspørselen etter fremtidige energikriser. Her demonstrerer vi i denne artikkelen en prosedyre for å fremstille en omvendt elektrodialyseenhet ved hjelp av laboratorieskala CEM og AEM for kraftproduksjon. Det aktive området av ionbyttemembranen er 49 cm². I denne artikkelen gir vi en trinnvis prosedyre for å syntetisere membranen, etterfulgt av stabelens montering og kraftmåling. Måleforholdene og netto effektberegning er også forklart. Videre beskriver vi de grunnleggende parametrene som tas i betraktning for å oppnå et pålitelig resultat. Vi gir også en teoretisk parameter som påvirker den generelle celleytelsen knyttet til membranen og fôrløsningen. Kort sagt beskriver dette eksperimentet hvordan man monterer og måler RED-celler på samme plattform. Den inneholder også arbeidsprinsippet og beregningen som brukes til å estimere netto effekt av RED-stakken ved hjelp av CEM- og AEM-membraner.

Introduction

Energihøsting fra naturressurser er en økonomisk metode som er miljøvennlig, og dermed gjør planeten vår grønn og ren. Flere prosesser er foreslått til nå å trekke ut energi, men omvendt elektrodialyse (RED) har et enormt potensial for å overvinne energikriseproblemet¹. Kraftproduksjon fra Omvendt elektrodialyse er et teknologisk gjennombrudd for avkarbonisering av global energi. Som navnet antyder, er RED en omvendt prosess, hvor det alternative cellerommet er fylt med den høykonsentrerte saltoppløsningen og lavkonsentrert saltoppløsning². Det kjemiske potensialet som genereres av saltkonsentrasjonsforskjellen på tvers av ionbyttemembranene, samlet fra elektrodene i rommetden.

Siden år 2000 har mange forskningsartikler blitt publisert, og gir innsikt i RED teoretisk og eksperimentelt^3,4. Systematiske studier på driftsforhold og pålitelighetsstudier under stressforhold forbedret stakkarkitekturen og forbedret den generelle celleytelsen. Flere forskningsgrupper har avledet oppmerksomheten mot RED’s hybridapplikasjon, for eksempel RED med avsaltingsprosess⁵, RED med solenergi⁶, RØD med omvendt osmose (RO) prosess⁵, RØD med den mikrobielle brenselcellen⁷og RED med den utstrålende kjøleprosessen⁸. Som nevnt tidligere er det mye rom for å implementere RED sin hybridapplikasjon for å løse energi- og rentvannsproblemet.

Flere metoder er tatt i bruk for å forbedre RED-cellens ytelse og membranens ionbyttekapasitet. Skreddersøm-utvekslingsmembraner med forskjellige typer ioner ved hjelp av sulfonsyregruppe (-SO₃H), fosfonsyregruppe (-PO₃H₂) og karboksylsyregruppe (-COOH) er en av de effektive måtene å endre membranens fysisk-kjemiske egenskaper. Anionbyttemembraner er skreddersydd med ammoniumgrupper ( )⁹. Den høye ioniske ledningsevnen til AEM og CEM uten å forringe membranens mekaniske styrke er den essensielle parameteren for å velge en passende membran for enhetsapplikasjon. Den robuste membranen under spenningsforhold gir mekanisk stabilitet til membranen og forbedrer enhetens holdbarhet. Her brukes en unik kombinasjon av høytytende frittstående sulfonert poly (eter eter keton) (sPEEK) som kationutvekslingsmembraner med FAA-3 som anionutvekslingsmembraner i RED-applikasjonen. Figur 1 viser flytskjemaet for den eksperimentelle prosedyren.

Figur 1: Prosedyrediagram. Strømningsskjemaet presenterer prosedyren som er vedtatt for fremstilling av ionutvekslingsmembran etterfulgt av prosessen for måling av omvendt elektrodialyse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Protocol

1. Eksperimentelt krav Kjøp ionbytte ionomerpolymer, E-550 sulfonert PEEK polymerfiber for å forberede CEM og FAA-3 for å forberede AEM. Påse at alle ionomerpolymerer oppbevares i et rent, tørt og støvfritt miljø før bruk. Bruk høy renhet (>99%) løsningsmidler, inkludert N-Methyl-2- pyrrolidon med molekylvekt 99,13 g mol-1 og N, N-Dimethylacetamid med molekylvekt 87,12, for å forberede homogen ionomerløsning. Sørg for at alle analytiske kjemikalier og løsemidler brukes til mem…

Representative Results

Netto effektRED-cellen genererer generelt elektrisk energi fra saltoppløsningens saltoppløsnings saltgradient, det vil si ions bevegelse i motsatt retning gjennom membranen. For å montere RED-stakken riktig, må man justere alle lagene, inkludert elektroder, pakninger, membraner og avstandsstykker i stakken nøye, som vist i skjematisk diagram i figur 4 og figur 5. Hvis stakken ikke er perfekt justert, kan det oppstå to problemer: (i) HC…

Discussion

RED’s arbeidsprinsipp domineres hovedsakelig av membranens fysisk-kjemiske egenskaper, som er en avgjørende del av RED-systemet, som illustrert i figur 3. Her beskriver vi de grunnleggende egenskapene til membranen for å levere et høytytende RED-system. Membranens spesifikke ionpermeabilitet gjør at den passerer en type ioner gjennom deres polymer nanokanal. Som navnet antyder, kan CEM sende kation fra den ene siden til en annen og begrenser anion, mens AEM kan sende anion og begrenser k…

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