Ионообменные мембраны для изготовления устройства обратного электродиализа
Summary
Мы демонстрируем изготовление устройства обратного электродиализа с использованием катионообменных мембран (CEM) и анионообменных мембран (AEM) для производства электроэнергии.
Abstract
Обратный электродиализ (RED) является эффективным способом получения энергии путем смешивания двух различных концентраций солей в воде с использованием катионообменных мембран (CEM) и анионообменных мембран (AEM). Стек RED состоит из чередующегося расположения катионообмонной мембраны и анионообменных мембран. Устройство RED выступает в качестве потенциального кандидата для удовлетворения универсального спроса на будущие энергетические кризисы. Здесь, в этой статье, мы демонстрируем процедуру изготовления устройства обратного электродиализа с использованием лабораторных CEM и AEM для производства электроэнергии. Активная площадь ионообмонной мембраны составляет 49см2. В этой статье мы представляем пошаговую процедуру синтеза мембраны с последующим измерением сборки и мощности стека. Также были объяснены условия измерения и расчет чистой выходной мощности. Кроме того, мы описываем фундаментальные параметры, которые учитываются для получения достоверного результата. Мы также предоставляем теоретический параметр, который влияет на общую производительность клеток, относящуюся к мембране и кормовому раствору. Короче говоря, этот эксперимент описывает, как собирать и измерять красные клетки на одной платформе. Он также содержит принцип работы и расчет, используемые для оценки чистой выходной мощности стека RED с использованием мембран CEM и AEM.
Introduction
Сбор энергии из природных ресурсов является экономичным методом, который является экологически чистым, тем самым делая нашу планету зеленой и чистой. До сих пор было предложено несколько процессов для извлечения энергии, но обратный электродиализ (RED) имеет огромный потенциал для преодоления энергетического кризиса проблема1. Производство электроэнергии от обратного электродиализа является технологическим прорывом для декарбонизации мировой энергетики. Как следует из названия, RED представляет собой обратный процесс, при котором альтернативный клеточный компартмент заполняется высококонцентрированным солевым раствором и низкоконцентрированным солевым раствором2. Химический потенциал, генерируемый разностью концентраций солей на ионообменных мембранах, собранных с электродов на конце отсека.
С 2000 года было опубликовано много научных статей, дающих представление о RED теоретически и экспериментально3,4. Систематические исследования условий эксплуатации и исследования надежности в стрессовых условиях улучшили архитектуру стека и повысили общую производительность ячейки. Несколько исследовательских групп отвлекли свое внимание на гибридное применение RED, такие как RED с процессом опреснения5,RED с солнечной энергией6,RED с процессом обратного осмоса (RO)5,RED с микробным топливным элементом7и RED с процессом радиационного охлаждения8. Как упоминалось ранее, существует много возможностей для реализации гибридного приложения RED для решения проблемы энергии и чистой воды.
Было принято несколько методов для повышения производительности КРАСНЫХ клеток и ионообменных способностей мембраны. Адаптация катионообменных мембран с различными типами ионов с использованием группы сульфоновой кислоты (-SO3H), группы фосфоновой кислоты (-PO3H2)и группы карбоновой кислоты (-COOH) является одним из эффективных способов изменения физико-химических свойств мембраны. Арионообменные мембраны сшиты с аммониевыми группами ( 
)9. Высокая ионная проводимость AEM и CEM без ухудшения механической прочности мембраны является важным параметром для выбора подходящей мембраны для применения в устройстве. Прочная мембрана в условиях напряжения обеспечивает механическую стабильность мембраны и повышает долговечность устройства. Здесь в приложении RED используется уникальная комбинация высокоэффективных отдельно стоящих сульфированных поли (эфир эфир кетонов) (sPEEK) в качестве катионообменных мембран с FAA-3 в качестве анионообменных мембран. На рисунке 1 показана блок-схема экспериментальной процедуры.
Рисунок 1:Процедурная диаграмма. На блок-схеме представлена процедура, принятая для получения ионообменных мембран с последующим процессом измерения обратного электродиализа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Protocol
Representative Results
Discussion
В принципе работы RED в основном доминируют физико-химические свойства мембраны, которая является важной частью системы RED, как показано на рисунке 3. Здесь мы опишем фундаментальные характеристики мембраны для обеспечения высокопроизводительной системы RED. Удельная иоп…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MEST) (No. НРФ-2017R1A2A2A05001329). Авторы рукописи благодарны Университету Соган, Сеул, Республика Корея.
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).
