用于反向电渗析装置制备的离子交换膜

摘要

我们演示了使用阳离子交换膜（CEM）和阴离子交换膜（AEM）制备反向电渗析装置以实现发电的方法。

摘要

反向电渗析（RED）是一种通过使用阳离子交换膜（CEM）和阴离子交换游戏副本）利用水中不同盐浓度混合来发电的有效方法。RED 膜堆由阳离子交换膜和阴离子交换膜交替排列组成。该 RED 装置有望成为应对未来全球能源危机需求的潜在候选技术之一。本文中，我们展示了一种在实验室规模下使用阳离子交换膜和阴离子交换膜制备反向电渗析发电装置的操作流程。离子交换膜的活性面积为 49 cm²。本文提供了膜的合成、膜堆组装及发电性能测量的逐步操作方法。同时解释了测量条件及净输出功率的计算方法。此外，我们还描述了为获得可靠实验结果所需考虑的基本参数，并给出了影响膜与进料溶液整体电池性能的相关理论参数。简而言之，本实验介绍了在同一平台上组装和测量 RED 电池的完整过程，同时包含了用于估算使用 CEM 和 AEM 膜的 RED 膜堆净输出功率的工作原理及相关计算方法。

引言

从自然资源中收集能量是一种经济且环保的方法，有助于使我们的地球变得更加绿色和清洁。迄今为止，已有多种方法被提出用于能量提取，而反向电渗析（RED）在解决能源危机方面具有巨大潜力¹。利用反向电渗析发电是实现全球能源脱碳的一项技术突破。顾名思义，RED 是一个逆向过程，其中交替的膜室分别填充高浓度盐溶液和低浓度盐溶液²。离子交换膜两侧由盐浓度差产生的化学势，通过膜室末端的电极被收集并转化为电能。

自2000年以来，已有大量研究文章从理论和实验角度对反向电渗析（RED）进行了深入探讨^3,4。针对运行条件的系统性研究以及在压力条件下的可靠性研究，改进了电堆结构并提升了整体电池性能。多个研究团队已将研究重点转向RED的混合应用，例如RED与脱盐工艺结合⁵、RED与太阳能结合⁶、RED与反渗透（RO）工艺结合⁵、RED与微生物燃料电池结合⁷，以及RED与辐射冷却过程结合⁸。如前所述，通过实施RED的混合应用来解决能源和清洁水问题具有广阔的发展....

方案

1. 实验要求

1. 购买离子交换离聚物聚合物，E-550 磺化聚醚醚酮（PEEK）聚合物纤维用于制备阳离子交换膜（CEM），FAA-3 用于制备阴离子交换膜（AEM）。确保所有离聚物聚合物在使用前储存在清洁、干燥且无尘的环境中。
2. 使用高纯度（>99%）溶剂，包括分子量为 99.13 g mol^-1 的 N-甲基-2-吡咯烷酮和分子量为 87.12 的 N,N-二甲基乙酰胺，以制备均匀的离聚物溶液。确保所有分析纯级别的化学品和溶剂在未经进一步纯化的情况下直接用于膜的制备。
3. 在膜的活化过程完成后，立即将所有膜浸入 0.5 M NaCl 溶液中以获得更好的性能。两种膜活化后均无需干燥处理。整个膜的合成过程中使用电阻率为 18.2 MΩ（室温下）的水。
4. 使用干燥膜对膜性能进行表征。有关表征技术及其理化性质（如离子交换容量、离子电导率、厚度、热分析和表面形貌）的详细描述见文献^10,11。
5. 使用切割器将阳离子交换膜（CEM）和阴离子交换膜（AEM）裁剪成反向电渗析（RED）堆栈尺寸，有效面积为 49 cm²，如图2所示。
6. 在构建 RED 堆栈时，交替排列阳离子交换膜（CEM）和阴离子交换膜（AEM），并用隔....

结果

净输出功率
反向电渗析（RED）电池通常利用盐溶液的盐度梯度产生电能，即离子通过膜向相反方向移动。为了正确组装RED电堆，需要仔细对齐电堆中的所有层，包括电极、垫片、膜和隔网，如图4和图5的示意图所示。如果电堆未完全对齐，可能会出现两个问题：（i）高浓度（HC）和低浓度（LC）溶液在电堆内发生交叉流动；（ii）电堆内溶液泄漏。在开始实际测量输出功率之前，必须消除上述两个问题。为获得高效的输出功率，还需固定其他参数，包括高浓度和低浓度溶液的流速、泵压以及施加电压。为了估算RED电堆的净输出功率，需要从测得的净功率中扣除流体动力功率损失¹⁰。RED电堆的最大输出功率通过测得的电压与电流的乘积获得。相比之下，为获得电堆的实际功率密度，必须将总输出功率除以膜对的活性面积和数量，如公式1所示^14,15。从RED电堆获得的总功.......

讨论

反向电渗析（RED）的工作原理主要由膜的物理化学性质决定，而膜是 RED 系统的关键组成部分，如图3所示。本文描述了实现高性能 RED 系统所需膜的基本特性。膜对特定离子具有选择性透过性，允许某一类离子通过其聚合物纳米通道。顾名思义，阳离子交换膜（CEM）允许阳离子从一侧传递到另一侧，同时阻隔阴离子；而阴离子交换膜（AEM）则允许阴离子通过，同时阻隔阳离子。如图2所示，所有膜均被裁剪成 RED 堆栈的尺寸，并设有用于流体溶液进出的通道。通过膜交换的离子数量与膜的电导率成正比，因此也直接影响堆栈的功率输出²⁴。离子在离子交换膜中的迁移遵循唐南排阻原理（Donnan exclusion principle）²⁵。连接在聚合物主链上的电荷基团会排斥溶液中相同电荷的离子。因此，电荷密度越高，排斥作用越强，这通常取决于膜的选择透过性。一般情况下，在 RED 电池中，离子通过膜从高浓度溶液向低浓度溶液迁移。离子通过膜从一个隔室向另一个隔.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
基于 AEM 的膜	Fumion	P1810-194	离聚物
基于 CEM 的膜	Fumion	E550	离聚物
数字扭矩扳手	Torqueworld	WP2-030-09000251	扳手
Labview 软件	National Instrument	-	软件
笔记本电脑	LG	-	PC
磁力搅拌器	Lab Companion	-	MS-17BB
N, N-二甲基乙酰胺	Sigma Aldrich	271012	化学品
N-甲基-2-吡咯烷酮	Daejung	872-50-4	化学品
蠕动泵	EMS tech Inc	-	EMP 2000W
六氰合铁(II)酸钾三水合物	Sigma Aldrich	P3289	化学品
六氰合铁(III)酸钾	Sigma Aldrich	244023	化学品
压力表	Swagelok	-	仪表
反向电渗析装置	实验室自制	-	设备
反渗透系统纯水	KOTITI	-	水
旋转蒸发仪	Hitachi	YEFO-KTPM	感应电机
氯化钠	Sigma Aldrich	S9888	化学品
氢氧化钠	Merk	1310-73-2	化学品
源表	Keithley	-	2410
隔网	Nitex, SEFAR	06-250/34	隔网
硫酸	Daejung	7664-93-9	化学品
管路	Masterflex 管	96410-25	橡胶管