Membranas de intercambio iónico para la fabricación de dispositivos de electrodiálisis inversa
Summary
Se demuestra la fabricación de un dispositivo de electrodiálisis inversa utilizando una membrana de intercambio catiónico (CEM) y membrana de intercambio aniónico (AEM) para la generación de energía.
Abstract
La electrodiálisis inversa (RED) es una forma efectiva de generar energía mezclando dos concentraciones de sal diferentes en agua utilizando membranas de intercambio catiónico (CEM) y membranas de intercambio aniónico (AEM). La pila ROJA se compone de una disposición alterna de la membrana de intercambio catión y la membrana de intercambio aniónico. El dispositivo RED actúa como un candidato potencial para satisfacer la demanda universal de futuras crisis energéticas. Aquí, en este artículo, demostramos un procedimiento para fabricar un dispositivo de electrodiálisis inversa utilizando CEM y AEM a escala de laboratorio para la producción de energía. El área activa de la membrana de intercambio iónico es de 49 cm2. En este artículo, proporcionamos un procedimiento paso a paso para sintetizar la membrana, seguido por el ensamblaje de la pila y la medición de potencia. También se han explicado las condiciones de medición y el cálculo de la potencia neta de salida. Además, describimos los parámetros fundamentales que se tienen en cuenta para obtener un resultado fiable. También proporcionamos un parámetro teórico que afecta el rendimiento celular general en relación con la membrana y la solución de alimentación. En resumen, este experimento describe cómo ensamblar y medir células ROJAS en la misma plataforma. También contiene el principio de trabajo y el cálculo utilizado para estimar la potencia neta de salida de la pila RED utilizando membranas CEM y AEM.
Introduction
La recolección de energía de los recursos naturales es un método económico que es respetuoso con el medio ambiente, lo que hace que nuestro planeta sea verde y limpio. Hasta ahora se han propuesto varios procesos para extraer energía, pero la electrodiálisis inversa (RED) tiene un enorme potencial para superar el problema de la crisis energética1. La producción de energía a partir de la electrodiálisis inversa es un avance tecnológico para la descarbonización de la energía global. Como su nombre indica, el ROJO es un proceso inverso, donde el compartimiento celular alternativo se llena con la solución de sal de alto concentrado y la solución de sal de bajo concentrado2. El potencial químico generado por la diferencia de concentración de sal a través de las membranas de intercambio iónico, recogido de los electrodos en el extremo del compartimiento.
Desde el año 2000, se han publicado muchos artículos de investigación, proporcionando información sobre la RED teórica y experimentalmente3,4. Los estudios sistemáticos sobre las condiciones de operación y los estudios de confiabilidad en condiciones de estrés mejoraron la arquitectura de la pila y mejoraron el rendimiento general de la célula. Varios grupos de investigación han desviado su atención hacia la aplicación híbrida de RED, como RED con proceso de desalación5,RED con energía solar6,RED con proceso de ósmosis inversa (RO)5,RED con la pila de combustible microbiana7,y RED con el proceso de enfriamiento radiativo8. Como se mencionó anteriormente, hay mucho margen en la implementación de la aplicación híbrida de RED para resolver el problema de la energía y el agua limpia.
Se han adoptado varios métodos para mejorar el rendimiento de los glóbulos ROJOs y la capacidad de intercambio iónico de la membrana. Adaptar las membranas de intercambio catión con diferentes tipos de iones utilizando el grupo ácido sulfónico (-SO3H), el grupo ácido fosfónico (-PO3H2)y el grupo ácido carboxílico (-COOH) es una de las formas efectivas de alterar las propiedades fisicoquímicas de la membrana. Las membranas de intercambio aniónico se adaptan con grupos de amonio ( 
)9. La alta conductividad iónica de AEM y CEM sin deteriorar la resistencia mecánica de la membrana es el parámetro esencial para seleccionar una membrana adecuada para la aplicación del dispositivo. La membrana robusta en condiciones de estrés proporciona estabilidad mecánica a la membrana y mejora la durabilidad del dispositivo. Aquí, una combinación única de poli sulfonado independiente de alto rendimiento (éter éter cetona) (sPEEK) como membranas de intercambio catiónico con FAA-3 como membranas de intercambio aniónico se utilizan en la aplicación RED. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo del procedimiento experimental.
Figura 1:Tabla de procedimientos. El diagrama de flujo presenta el procedimiento adoptado para la preparación de la membrana de intercambio iónico seguido por el proceso de medición de la electrodiálisis inversa. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
El principio de funcionamiento del RED está dominado principalmente por las propiedades fisicoquímicas de la membrana, que es una parte crucial del sistema RED, como se ilustra en la Figura 3. Aquí, describimos las características fundamentales de la membrana para la entrega de un sistema RED de alto rendimiento. La permeabilidad específica de iones de la membrana hace que pase un tipo de iones a través de su nanocanal polimérico. Como su nombre indica, cem puede pasar catión de un l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (MEST) (No. NRF-2017R1A2A2A05001329). Los autores del manuscrito agradecen a la Universidad de Sogang, Seúl (República de Corea).
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
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