Jonbytarmembran för tillverkning av omvänd elektrodialysanordning
Summary
Vi visar tillverkning av en omvänd elektrodialys enhet med hjälp av en katjon-utbyte membran (CEM) och anjon-exchange membran (AEM) för kraftgenerering.
Abstract
Omvänd elektrodialys (RED) är ett effektivt sätt att generera kraft genom att blanda två olika saltkoncentrationer i vatten med hjälp av katjonbytarmembran (CEM) och anjonbytarmembran (AEM). RED-stacken består av ett alternerande arrangemang av katjonbytningsmembranet och anjonutbytesmembranet. Red-enheten fungerar som en potentiell kandidat för att uppfylla den universella efterfrågan på framtida energikriser. Här, i den här artikeln, visar vi en procedur för att tillverka en omvänd elektrodialysanordning med hjälp av CEM och AEM i laboratorieskala för kraftproduktion. Det aktiva området i jonbytningsmembranet är 49 cm2. I den här artikeln tillhandahåller vi en steg-för-steg-procedur för att syntetisera membranet, följt av stackens montering och effektmätning. Mätförhållandena och beräkningen av nettoeffekten har också förklarats. Dessutom beskriver vi de grundläggande parametrar som beaktas för att uppnå ett tillförlitligt resultat. Vi tillhandahåller också en teoretisk parameter som påverkar den totala cellprestandan i samband med membranet och matningslösningen. Kort sagt beskriver detta experiment hur man monterar och mäter RÖDA celler på samma plattform. Den innehåller också arbetsprincipen och beräkningen som används för att uppskatta nettoeffekten för RED-stacken med hjälp av CEM- och AEM-membran.
Introduction
Energiskörd från naturresurser är en ekonomisk metod som är miljövänlig och därmed gör vår planet grön och ren. Flera processer har hittills föreslagits för att utvinna energi, men omvänd elektrodialys (RED) har en enorm potential att övervinna energikrisfrågan1. Kraftproduktion från Reverse electrodialysis är ett tekniskt genombrott för utfasning av fossila bränslen i den globala energin. Som namnet antyder är RED en omvänd process, där det alternativa cellfacket fylls med den högkoncentrerade saltlösningen och lågkoncentrerad saltlösning2. Den kemiska potential som genereras av saltkoncentrationsskillnaden mellan jonbytarmembranen, som samlats in från elektroderna i kupésluten.
Sedan år 2000 har många forskningsartiklar publicerats, vilket ger insikt i RED teoretiskt ochexperimentellt 3,4. Systematiska studier av driftsförhållanden och tillförlitlighetsstudier under stressförhållanden förbättrade stackarkitekturen och förbättrade den totala cellprestandan. Flera forskargrupper har avlett sin uppmärksamhet mot RED: s hybridapplikation, till exempel RÖD med avsaltningsprocess5, RÖD med solenergi6, RÖD med omvänd osmos (RO) process5, RÖD med den mikrobiella bränslecellen7, och RÖD med den radiativa kylprocessen8. Som nämnts tidigare finns det mycket utrymme i genomförandet av RED: s hybridapplikation för att lösa energi- och renvattenproblemet.
Flera metoder har antagits för att förbättra RED-cellens prestanda och membranets jonutbyteskapacitet. Att skräddarsy katjonbytarmembranen med olika typer av joner med hjälp av suldonsyragrupp (-SO3H), fosfonsyragruppen (-PO3H2)och karboxylsyragruppen (-COOH) är ett av de effektiva sätten att ändra membranets fysikaliskkemiska egenskaper. Anjonbytarmembran är skräddarsydda med ammoniumgrupper ( 
)9. AEM:s och CEM:s höga joniska ledningsförmåga utan att försämra membranets mekaniska styrka är den viktigaste parametern för att välja ett lämpligt membran för applicering av enheter. Det robusta membranet under stressförhållanden ger mekanisk stabilitet till membranet och förbättrar enhetens hållbarhet. Här används en unik kombination av högpresterande fristående sulfonerat poly (etereterketon) (sPEEK) som katjonbytarmembran med FAA-3 som anjonbytarmembran i DEN RÖDA applikationen. Figur 1 visar flödesschemat för försöksförfarandet.
Figur 1: Procedurdiagram. Flödesschemat presenterar det förfarande som antagits för beredning av jonutbytesmembran följt av processen för mätning av omvänd elektrodialys. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den rödas arbetsprincip domineras främst av membranets fysikaliskkemiska egenskaper, som är en avgörande del av DET RÖDA systemet, vilket illustreras i figur 3. Här beskriver vi membranets grundläggande egenskaper för att leverera ett högpresterande RÖTT system. Membranets specifika jonpermeabilitet gör att den passerar en typ av joner genom deras polymernanopakanal. Som namnet antyder kan CEM passera katjon från en sida till en annan och begränsar anjonen, medan AEM kan passera…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Research Foundation of Korea (NRF) bidrag finansierat av Koreas regering (MEST) (Nr. NRF-2017R1A2A2A05001329). Författarna till manuskriptet är tacksamma mot Sogang University, Seoul, Sydkorea.
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).
