Ters Elektrodiyaliz Cihazının İmalatı için İyon Değişimi Membranları
Summary
Elektrik üretimi için katyon-değişim membranı (CEM) ve anion-exchange membran (AEM) kullanarak ters elektrodiyaliz cihazının imalatını gösteriyoruz.
Abstract
Ters elektrodiyaliz (RED), katyon-değişim membranları (CEM) ve anion-exchange membranları (AEM) kullanarak suda iki farklı tuz konsantrasyonunu karıştırarak güç üretmenin etkili bir yoludur. KIRMIZI yığın, katyon değişim membranının ve anion-exchange membranının alternatif bir düzenlemesinden oluşur. RED cihazı, gelecekteki enerji krizleri için evrensel talebi yerine getirmek için potansiyel bir aday olarak hareket eder. Burada, bu makalede, güç üretimi için laboratuvar ölçeğinde CEM ve AEM kullanarak ters elektrodiyaliz cihazı üretme prosedürünü gösteriyoruz. İyon değişim zarının aktif alanı 49 cm2’dir. Bu makalede, membranın sentezlenmesi için adım adım bir prosedür ve ardından yığının montajı ve güç ölçümü sunuyoruz. Ölçüm koşulları ve net güç çıkışı hesaplaması da açıklanmıştır. Ayrıca, güvenilir bir sonuç elde etmek için dikkate alınan temel parametreleri açıklıyoruz. Ayrıca membran ve yem çözeltisi ile ilgili genel hücre performansını etkileyen teorik bir parametre sunuyoruz. Kısacası, bu deney aynı platformda RED hücrelerinin nasıl birleştirılacağını ve ölçüldüklerini açıklar. Ayrıca, CEM ve AEM membranlarını kullanarak RED yığınının net güç çıkışını tahmin etmek için kullanılan çalışma prensibini ve hesaplamayı içerir.
Introduction
Doğal kaynaklardan enerji hasadı, çevre dostu, böylece gezegenimizi yeşil ve temiz hale getiren ekonomik bir yöntemdir. Şimdiye kadar enerji çıkarmak için çeşitli süreçler önerildi, ancak ters elektrodiyaliz (RED) enerji krizi sorununun üstesinden gelmek için muazzam bir potansiyele sahiptir1. Ters elektrodiyalizden elde edilen güç üretimi, küresel enerjinin karbonsuzlaştırılması için teknolojik bir atılımdır. Adından da anlaşılacağı gibi, RED, alternatif hücre bölmesinin yüksek konsantre tuz çözeltisi ve düşük konsantre tuz çözeltisi2ile doldurulduğu ters bir işlemdir. Bölme ucundaki elektrotlardan toplanan iyon değişimi zarları boyunca tuz konsantrasyonu farkının yarattığı kimyasal potansiyel.
2000 yılından bu yana, RED’e teorik ve deneysel olarak3,4. Stres koşullarındaki çalışma koşulları ve güvenilirlik çalışmaları üzerine yapılan sistematik çalışmalar, yığın mimarisini iyileştirmiş ve genel hücre performansını artırmıştır. Tuzdan arındırma işlemi5ile RED, güneş enerjisi 6 ile KIRMIZI, ters ozmos (RO) prosesi5ile KIRMIZI, mikrobiyal yakıt hücresi7ile RED ve radyal soğutma işlemi8ile RED gibi çeşitli araştırma grupları dikkatlerini RED’in hibrit uygulamasına yönelttirdi. Daha önce de belirtildiği gibi, enerji ve temiz su sorununu çözmek için RED’in hibrit uygulamasının uygulanmasında çok fazla kapsam vardır.
RED hücresinin performansını ve zarın iyon değişim kapasitesini artırmak için çeşitli yöntemler benimsenmiştir. Katyonik asit grubu (-SO 3 H), fosfonik asit grubu(-PO3 H2)ve karboksilik asit grubu (-COOH) kullanılarak katyon değişimi membranlarının farklı iyon türleriyle uyarlanması, zarın fizikokimyasal özelliklerini değiştirmenin etkili yollarından biridir. Anion-exchange membranlar amonyum grupları ile uyarlanmıştır ( 
)9. AEM ve CEM’in membranın mekanik mukavemetini bozmadan yüksek iyonik iletkenliği, cihaz uygulaması için uygun bir membran seçmek için gerekli parametredir. Stres koşullarındaki sağlam membran, membrana mekanik stabilite sağlar ve cihazın dayanıklılığını artırır. Burada, RED uygulamasında faa-3 ile katyon değişim membranları olarak yüksek performanslı serbest duran sülfonated polinin (eter eter ketonu) (sPEEK) benzersiz bir kombinasyonu kullanılmaktadır. Şekil 1 deneysel prosedürün akış şemasını göstermektedir.
Şekil 1: Yordam çizelgesi. Akış şeması, iyon değişim zarının hazırlanması için benimsenen prosedürü ve ardından ters elektrodiyaliz ölçümü için süreci sunar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Protocol
Representative Results
Discussion
RED’in çalışma prensibi esas olarak Şekil 3’tegösterildiği gibi RED sisteminin önemli bir parçası olan membran fizikokimyasal özellikleri tarafından baskındır. Burada, yüksek performanslı bir RED sistemi sunmak için membranın temel özelliklerini açıklıyoruz. Membran’ın spesifik iyon geçirgenliği, polimer nanokanellerinden bir tür iyon geçirmesini sağlar. Adından da anlaşılacağı gibi, CEM katyondan diğerine geçebilir ve anionu kısıtlarken, AEM anion geçire…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Kore hükümeti (MEST) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibesi tarafından desteklenmiştir (Hayır. NRF-2017R1A2A2A05001329). Makalenin yazarları Sogang Üniversitesi, Seul, Kore Cumhuriyeti’ne minnettardır.
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).
