Membranas de troca de íons para a fabricação do dispositivo de eletrodiálise reversa

Summary

Demonstramos a fabricação de um dispositivo de eletrodiálise reversa usando uma membrana de troca de cáção (CEM) e membrana de troca de ânion (AEM) para geração de energia.

Abstract

A eletrodiálise reversa (RED) é uma maneira eficaz de gerar energia misturando duas concentrações de sal diferentes na água usando membranas de troca de cáção (CEM) e membranas de troca de ânion (AEM). A pilha RED é composta por um arranjo alternado da membrana de troca de cá de cáção e membrana de troca de ânion. O dispositivo RED atua como um potencial candidato para atender à demanda universal por futuras crises energéticas. Aqui, neste artigo, demonstramos um procedimento para fabricar um dispositivo de eletrodiálise reversa utilizando CEM e AEM em escala laboratorial para produção de energia. A área ativa da membrana de troca de íons é de 49 cm². Neste artigo, fornecemos um procedimento passo-a-passo para sintetizar a membrana, seguido da montagem da pilha e medição de energia. As condições de medição e o cálculo da saída de energia líquida também foram explicados. Além disso, descrevemos os parâmetros fundamentais que são levados em consideração para a obtenção de um resultado confiável. Também fornecemos um parâmetro teórico que afeta o desempenho geral da célula relacionada à membrana e à solução de alimentação. Em suma, este experimento descreve como montar e medir células VERMELHAs na mesma plataforma. Ele também contém o princípio de trabalho e o cálculo utilizados para estimar a saída de energia líquida da pilha RED usando membranas CEM e AEM.

Introduction

A coleta de energia dos recursos naturais é um método econômico que é ecologicamente correto, tornando nosso planeta verde e limpo. Vários processos foram propostos até agora para extrair energia, mas a eletrodiálise reversa (RED) tem um enorme potencial para superar a questão da crise energética¹. A produção de energia da eletrodiálise reversa é um avanço tecnológico para a descarbonização da energia global. Como o nome sugere, o RED é um processo inverso, onde o compartimento de células alternativas é preenchido com a solução de sal de alta concentração e solução de sal de baixa concentração². O potencial químico gerado pela diferença de concentração de sal entre as membranas de troca de íons, coletados dos eletrodos na extremidade do compartimento.

Desde o ano 2000, muitos artigos de pesquisa foram publicados, fornecendo insights sobre o RED teoricamente e experimentalmente^3,4. Estudos sistemáticos sobre as condições de operação e estudos de confiabilidade em condições de estresse melhoraram a arquitetura da pilha e melhoraram o desempenho geral das células. Vários grupos de pesquisa desviaram sua atenção para a aplicação híbrida red, como RED com processo de dessalinização⁵, RED com energia solar⁶, VERMELHO com osmose reversa (RO) processo⁵, VERMELHO com a célula de combustível microbiano⁷, e VERMELHO com o processo de resfriamento radiativo⁸. Como mencionado anteriormente, há muito escopo na implementação da aplicação híbrida da RED para resolver o problema de energia e água limpa.

Vários métodos foram adotados para melhorar o desempenho da célula RED e a capacidade de troca de íons da membrana. A alfaiataria das membranas de troca de cáção com diferentes tipos de íons utilizando grupo de ácido sulfônico (-SO₃H), grupo de ácido fosfônico (-PO₃H₂) e grupo de ácido carboxílico (-COOH) é uma das formas eficazes de alterar as propriedades físico-químicas da membrana. As membranas de troca de ânion são adaptadas com grupos de amônio ( )⁹. A alta condutividade iônica de AEM e CEM sem deteriorar a resistência mecânica da membrana é o parâmetro essencial para a seleção de uma membrana adequada para aplicação do dispositivo. A membrana robusta sob condições de estresse proporciona estabilidade mecânica à membrana e aumenta a durabilidade do dispositivo. Aqui, uma combinação única de poli sulfoado livre de alto desempenho (cetona éter) (sPEEK) como membranas de troca de cáation com FAA-3 como membranas de troca de ânion são usadas na aplicação RED. A Figura 1 mostra o fluxograma do procedimento experimental.

Figura 1: Gráfico de procedimento. O fluxograma apresenta o procedimento adotado para a preparação da membrana de troca de íons seguida do processo de medição da eletrodiálise reversa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

1. Exigência experimental Compre polímero de ionômero de troca de íons, fibra de polímero E-550 sulfonated-PEEK para preparar CEM e FAA-3 para preparar a AEM. Certifique-se de que todos os polímeros de ionômeros sejam armazenados em um ambiente limpo, seco e sem poeira antes de usar. Utilize solventes de alta pureza (>99%), incluindo N-Methyl-2- pyrrolidone com peso molecular 99,13 g mol-1 e N, N-Dimethylacetamida com peso molecular 87,12, para preparar solução de ionômero homogê…

Representative Results

Saída de energia líquidaA célula vermelha geralmente gera energia elétrica a partir do gradiente de salinidade da solução de sal, ou seja, o movimento dos íons na direção oposta através da membrana. Para montar a pilha RED corretamente, é preciso alinhar todas as camadas, incluindo eletrodos, juntas, membranas e espaçadores na pilha cuidadosamente, como demonstrado no diagrama esquemático da Figura 4 e Figura 5. Se a pilha não …

Discussion

O princípio de trabalho do RED é dominado principalmente pelas propriedades físico-químicas da membrana, que é uma parte crucial do sistema RED, conforme ilustrado na Figura 3. Aqui, descrevemos as características fundamentais da membrana para a entrega de um sistema RED de alto desempenho. A permeabilidade de íons específico da membrana faz com que passe um tipo de íons através de seu nanocanal de polímero. Como o nome sugere, o CEM pode passar o cáção de um lado para o outro …

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