Summary
Vi demonstrerer fabrikasjonen av en omvendt elektrodialyseenhet ved hjelp av en kationutvekslingsmembran (CEM) og anionutvekslingsmembran (AEM) for kraftproduksjon.
Abstract
Omvendt elektrodialyse (RED) er en effektiv måte å generere kraft på ved å blande to forskjellige saltkonsentrasjoner i vann ved hjelp av kationutvekslingsmembraner (CEM) og anionutvekslingsmembraner (AEM). RED-stakken består av et vekslende arrangement av kationutvekslingsmembranen og anionutvekslingsmembranen. RED-enheten fungerer som en potensiell kandidat for å oppfylle den universelle etterspørselen etter fremtidige energikriser. Her demonstrerer vi i denne artikkelen en prosedyre for å fremstille en omvendt elektrodialyseenhet ved hjelp av laboratorieskala CEM og AEM for kraftproduksjon. Det aktive området av ionbyttemembranen er 49 cm2. I denne artikkelen gir vi en trinnvis prosedyre for å syntetisere membranen, etterfulgt av stabelens montering og kraftmåling. Måleforholdene og netto effektberegning er også forklart. Videre beskriver vi de grunnleggende parametrene som tas i betraktning for å oppnå et pålitelig resultat. Vi gir også en teoretisk parameter som påvirker den generelle celleytelsen knyttet til membranen og fôrløsningen. Kort sagt beskriver dette eksperimentet hvordan man monterer og måler RED-celler på samme plattform. Den inneholder også arbeidsprinsippet og beregningen som brukes til å estimere netto effekt av RED-stakken ved hjelp av CEM- og AEM-membraner.
Introduction
Energihøsting fra naturressurser er en økonomisk metode som er miljøvennlig, og dermed gjør planeten vår grønn og ren. Flere prosesser er foreslått til nå å trekke ut energi, men omvendt elektrodialyse (RED) har et enormt potensial for å overvinne energikriseproblemet1. Kraftproduksjon fra Omvendt elektrodialyse er et teknologisk gjennombrudd for avkarbonisering av global energi. Som navnet antyder, er RED en omvendt prosess, hvor det alternative cellerommet er fylt med den høykonsentrerte saltoppløsningen og lavkonsentrert saltoppløsning2. Det kjemiske potensialet som genereres av saltkonsentrasjonsforskjellen på tvers av ionbyttemembranene, samlet fra elektrodene i rommetden.
Siden år 2000 har mange forskningsartikler blitt publisert, og gir innsikt i RED teoretisk og eksperimentelt3,4. Systematiske studier på driftsforhold og pålitelighetsstudier under stressforhold forbedret stakkarkitekturen og forbedret den generelle celleytelsen. Flere forskningsgrupper har avledet oppmerksomheten mot RED's hybridapplikasjon, for eksempel RED med avsaltingsprosess5, RED med solenergi6, RØD med omvendt osmose (RO) prosess5, RØD med den mikrobielle brenselcellen7og RED med den utstrålende kjøleprosessen8. Som nevnt tidligere er det mye rom for å implementere RED sin hybridapplikasjon for å løse energi- og rentvannsproblemet.
Flere metoder er tatt i bruk for å forbedre RED-cellens ytelse og membranens ionbyttekapasitet. Skreddersøm-utvekslingsmembraner med forskjellige typer ioner ved hjelp av sulfonsyregruppe (-SO3H), fosfonsyregruppe (-PO3H2) og karboksylsyregruppe (-COOH) er en av de effektive måtene å endre membranens fysisk-kjemiske egenskaper. Anionbyttemembraner er skreddersydd med ammoniumgrupper ( 
)9. Den høye ioniske ledningsevnen til AEM og CEM uten å forringe membranens mekaniske styrke er den essensielle parameteren for å velge en passende membran for enhetsapplikasjon. Den robuste membranen under spenningsforhold gir mekanisk stabilitet til membranen og forbedrer enhetens holdbarhet. Her brukes en unik kombinasjon av høytytende frittstående sulfonert poly (eter eter keton) (sPEEK) som kationutvekslingsmembraner med FAA-3 som anionutvekslingsmembraner i RED-applikasjonen. Figur 1 viser flytskjemaet for den eksperimentelle prosedyren.
Figur 1: Prosedyrediagram. Strømningsskjemaet presenterer prosedyren som er vedtatt for fremstilling av ionutvekslingsmembran etterfulgt av prosessen for måling av omvendt elektrodialyse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Eksperimentelt krav
- Kjøp ionbytte ionomerpolymer, E-550 sulfonert PEEK polymerfiber for å forberede CEM og FAA-3 for å forberede AEM. Påse at alle ionomerpolymerer oppbevares i et rent, tørt og støvfritt miljø før bruk.
- Bruk høy renhet (>99%) løsningsmidler, inkludert N-Methyl-2- pyrrolidon med molekylvekt 99,13 g mol-1 og N, N-Dimethylacetamid med molekylvekt 87,12, for å forberede homogen ionomerløsning. Sørg for at alle analytiske kjemikalier og løsemidler brukes til membranpreparat som mottas uten ytterligere rensing.
- Etter membranens aktiveringsprosess, senk umiddelbart alle membraner ned i en 0,5 M NaCl-løsning for bedre ytelse. Etter aktivering av begge membranene er tørking ikke nødvendig. Vann med resistivitet er 18,2 MΩ ved romtemperatur ble brukt gjennom hele membranens syntese.
- Karakteriser membranegenskaper ved hjelp av en tørr membran. Den detaljerte beskrivelsen av karakteriseringsteknikkene og deres fysisk-kjemiske egenskaper som ionutvekslingskapasitet, ionledningsevne, tykkelse, termisk analyse og overflatemorfologi, er som presentert i litteraturene10,11.
- Bruk en kutter til å forme membranen for CEM og AEM til RED-stakkstørrelsen med et aktivt område på 49 cm2, som vist i figur 2.
- For red stack fabrikasjon, lage en alternativ CEM og AEM arrangement, atskilt med spacer og pakning; Et reelt bilde av den arbeidende RED-stakken vises i Figur 3a, og det skjematiske diagrammet for hvert lag er illustrert i Figur 3b.
- Plasser først PMMA-platen mot oppsiden av elektroden; Plasser nå gummipakningen og avstandsstykken på den, og plasser deretter CEM. Deretter plasserer du silikonpakningen med avstandsstykket på CEM og plasserer deretter AEM på den. På samme måte legger du til silisiumpakningen og avstandsstykket på toppen av AEM etterfulgt av CEM. Plasser nå ende-PMMA-platen, gummipakningen og avstandsstykken etterfulgt av stramming ved hjelp av skrue- og mutterbolter.
- Etter montering av RED-stabelen, kontroller fri flyt av høykonsentrasjon (HC), lavkonsentrasjon (LC), og skyll løsningene en etter en. Eventuell kryssstrøm eller lekkasje må elimineres før målingen.
- Før strøm- og spenningsmålingen må du overvåke strømningshastigheten til saltløsninger og trykkmåleravlesning og sørge for at den stabiliseres. Kontroller at alle tilkoblingene er på nøyaktig sted før målingen starter. Unngå å berøre RED-stakken og tilkoblingsrørene mens målingen er i gang.
MERK: HC- og LC-løsning strømmer fra rommene sine for å kaste rommet gjennom henholdsvis en peristaltisk pumpe, trykkmåler og RED-stabel. - Bruk galvanostatmetode for måling av strøm og spenning, kildemålerinstrumentet som er koblet til RED-stabelen gjennom krokodilleklemmer.
Figur 2: Størrelse og form på den tilberedte membranen, pakningen og avstandsstykken for fremstilling av omvendt elektrodialyse. (a) ytre silikonpakning, (b) ytre avstandsstykke og indre avstandsstykke, (c) indre silikonpakning, (d) kationutvekslingsmembran, (e) anionbyttemembran og (f) pakning og membranenhet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Omvendt elektrodialysestabel. (a) oppsett av omvendt elektrodialysestabel med tilkoblingsrør, og (b) skjematisk illustrasjon av forskjellige lag, inkludert PMMA-endeplater, elektroder, pakning, avstandsstykke, CEM og AEM. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
2. Ionbyttemembranpreparat
MERK: Mengden forløpermateriale ble optimalisert for å oppnå en membran med 18 cm diameter og ~ 50 μm tykkelse.
-
Kation-utveksling membran
- Ta 5 wt% av sulfonerte PEEK-fibre i en 250 ml rund bunnflaske og oppløs fibrene i Dimethylacetamide (DMAc) som et løsningsmiddel med molekylvekt 87,12 g mol-1. Rist kolben i 10 min slik at alle ionomerpolymerer legger seg ned.
- Plasser en magnetisk stang i kolben og hold deretter blandingen i silisiumoljebadet, etterfulgt av kraftig omrøring ved 500 rpm i 24 timer ved 80 °C for å oppnå en homogen løsning.
- Filtrer sulfonert PEEK-oppløsningen gjennom et 0,45 μm porestørrelse Polytetrafluoretylen (PTFE)-filter.
- Deretter helles den filtrerte løsningen på en sirkulær glassfat med en diameter på 18 cm. Pass på at alle luftbobler fjernes med en luftblåser før du setter Petri-parabolen i ovnen.
- Plasser Petri-retten inne i en ovn for tørking av oppløsningen ved 90 °C i 24 timer, noe som resulterer i ~50 μm tykk frittstående membran. Gjør dette for å trekke ut frittstående membran: For å skrelle av membranen fra Petri-parabolen, fyll Petri-parabolen med varmt destillvann (~ 60 °C) og la den stå i 10 minutter uberørt. Den frittstående membranen kommer automatisk ut.
- For membranaktivering, senk den tilberedte frittstående membranen i 1 M svovelsyre (H2SO4) vandig oppløsning, dvs.
MERK: Dette trinnet vil sikre fjerning av fremmede partikler og andre kjemikalier som løsemidler som vil redusere muligheten for membran fra begroing. - Vask den gjennomvåte membranen med 1 L destillert vann i 10 min, minst tre ganger ved romtemperatur.
- Anionbyttemembran
- Løs opp FAA-3 ionomeroppløsning 10 wt.% i N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) løsningsmiddel.
- Hold oppløsningen for omrøring ved romtemperatur i 2 timer ved ~ 500 rpm.
- Deretter filtrerer du løsningen ved hjelp av nettet med 100 μm porestørrelse.
- Hell ~30 ml filtrert oppløsning i en sirkulær Petri-tallerken i glass med en diameter på 18 cm. Pass på at alle luftbobler ble fjernet med en luftblåser før du legger glasset Petri-tallerkenen i ovnen. Tørkeprosessen foregår ved 100 °C i 24 timer.
- For å få en frittstående membran, hell varmt destillert vann i glass petriskålen og hold den i minst 10 min. Skrell nå av membranene og legg i 1 liter natriumhydroksid (NaOH) løsning (konsentrasjon 1M og molekylvekt 40 g mol-1) i 2 timer.
- Vask deretter membranen grundig med 1 L destillert vann i 10 min, minst tre ganger i omgivelsestilstand.
MERK: Alle tilberedte membraner ble lagret i 0,5 M NaCl-oppløsningen over natten før den ble brukt i DEN RØDE bunken. Slik at membranledningsevnen blir forbedret og kan oppnå stabilisert utgangsytelse under måling av RED-stakken. Tabell 1 beskriver membranegenskapene10,11.
| Spesifikasjon | Enhet | CEM | AEM |
| Hevelse grad | % | 5±1 | 1±0,5 |
| Ladetetthet eller ionbyttekapasitet | meq/g | 1.8 | ~1.6 |
| Mekaniske egenskaper (Strekkfasthet) |
Mpa | >40 | 40-50 |
| Forlengelse til pause | % | ~42 | 30-50 |
| Ung Modulus (MPa) | 1500±100 | 1000-1500 | |
| Konduktivitet ved romtemperatur | S/cm | ~0,03 | ~0,025 |
| Perm-selektivitet | % | 98-99 | 94-96 |
| Tykkelse | μm | 50±2 | 50±3 |
| Løsemiddel | - | Dimethylacetamid (DMAc) | N-metyl-2-pyrrolidon (NMP) |
Tabell 1: Egenskaper for membraner. Oppsummering av både kationutveksling og anionutvekslingsmembranegenskaper.
3. Fabrikasjon av omvendt elektrodialyse
-
Montering av RED-stakk
- Forbered en modellløsning ved hjelp av 0,6 M NaCl for høy konsentrasjon (HC) og 0,01 M NaCl for rom med lav konsentrasjon (LC)12.
MERK: Her regnes elvevann som en saltløsning med lav konsentrasjon, og sjøvann er representert som en saltløsning med høy konsentrasjon. - Forbered 5 L høy konsentrasjon og lav konsentrasjonsløsning i en stor beholder forbundet med rørene. Hold oppløsningene omrøring under omgivelsesforhold (romtemperatur) i minst 2 timer før de brukes i RED-stabelen.
- Forbered blandingen av 0,05 M [Fe (CN)6]-3/ [Fe (CN)6]-4 og 0,3 M NaCl i 500 ml vann som skylleløsning for RED.
- Koble alle tre løsningsbeholderne med RED-stakk ved hjelp av gummirør gjennom den peristaltiske pumpen og trykkmålerne. Bruk røret av størrelse L/S 16 til skylleløsning, og bruk røret av størrelse L/S 25 for HC og LC-oppløsning.
- For å lage en RED-stabel, ta to endeplater som består av polymetylmetakrylat (PMMA). Koble begge endeplatene horisontalt ansikt til ansikt med muttere, bolter og skiver ved hjelp av 25 Nm kraft ved hjelp av en digital skiftenøkkeldriver. Tykkelsen på PMMA-endeplatene 3 cm, og banen til strømningskanalene ble designet i plater for HC, LC og skylleløsning av en borer2.
- Plasser to nettelektroder laget av metall Titan (Ti) belagt med en blanding av Iridium (Ir) og Ruthenium (Ru) i forholdet 1:1 og plasser på slutten av PMMA-platene. Begge endeelektrodene er koblet til krokodilleklemmen på kildemåleren.
MERK: Begge PMMA-endeplatene er utstyrt med nettelektroder, begge elektrodene var lagdelt med en firkantet avstandsstykke, og PMMA-endeplaten dekket med en gummipakning vendt inn. Deretter plasseres CEM og AEM alternativt, separert av silikonpakning og avstandsstykke, som vist i figur 3. - Installer silisiumpakninger, polymeravstandsstykker og ionutvekslingsmembraner (CEM og AEM) lag for lag, som presentert i skjematisk diagram figur 4 og figur 5. Sørg for at det aktive området av elektroder, både membraner, ytre og indre avstandsstykke, ytre og indre pakning er 7 x 7 = 49 cm2.
- Send høykonsentrasjons- og lavkonsentrasjonsløsninger fra respektive rom med peristaltiske pumper, som vist i skjematisk diagram i figur 4.
- Sirkulere skylleløsningen i ytterelektroden og membranrommene i resirkuleringsmodus ved hjelp av peristaltiske pumper. Strømningshastigheten som brukes til skylleløsningen er 50 ml min-1.
- Fast strømningshastighet brukes til å analysere ytelsen til hver membran. I dette eksperimentet har vi brukt 100 ml min-1 gjennom en peristaltisk pumpe.
- Forbered en modellløsning ved hjelp av 0,6 M NaCl for høy konsentrasjon (HC) og 0,01 M NaCl for rom med lav konsentrasjon (LC)12.
Figur 4: Skjematisk representasjon av rørtilkoblingen med omvendt elektrodialysestabel. Tilkobling av omvendt elektrodialyse med peristaltiske pumper, høykonsentrasjonsløsningsbeholder, lavkonsentrasjonsløsningsbeholder, skylleløsningsbeholder og kast løsningsbeholder. Den viser også avstandsstykkens tilpasning til både en anionutvekslingsmembran (AEM) og kationutvekslingsmembran (CEM). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Skjematisk diagram over forskjellige lag i omvendt elektrodialyseoppsett. (a) Tverrsnittvisning av en skjematisk illustrasjon av omvendt elektrodialyse viser strømningsretningen til høykonsentrasjonsløsningen, lavkonsentrasjonsløsningen og elektrodeskyllingsløsningen. Andre komponenter som elektroder, ytre og indre pakninger, ytre og indre avstandsstykker, kationutvekslingsmembran og anionutvekslingsmembran. (b) Sett forfra på stakken, som viser flytretningen til en løsning. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
4. Måling av omvendt elektrodialyse
-
Strømberegning
- La den høye konsentrasjonen, lav konsentrasjon og skylleoppløsning, løpe gjennom stabelen minst i 5 minutter. Mål RED-utgangsytelsen med en kildemåler, som er koblet til begge elektrodene i RED-stakken13.
- Beregn RED-stakkens strømspenningsegenskaper når det gjelder strømtetthet ved hjelp av galvanostatmetoden.
MERK: I galvanostatmetoden påføres en konstant strøm på tvers av elektroder og måler den resulterende strømmen. Den resulterende strømmen er strømmen som genereres på grunn av den elektrokjemiske reaksjonen i stabelen. Målingen utføres under 0,05 V statisk spenning med en fast feiestrøm som er 10 mA. - Maksimal effekttetthet for DEN RØDE stakken måles ved hjelp av følgende formel 1.
(1)
Her er Pmax den maksimale effekttettheten til DEN RØDE stabelen (Wm-2),U-stakken er spenningen (V) som produseres av membranen i stabelen, jegstabler er den registrerte strømmen (A), og Amem er det aktive området av membranene (m2).
(1)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Netto effekt
RED-cellen genererer generelt elektrisk energi fra saltoppløsningens saltoppløsnings saltgradient, det vil si ions bevegelse i motsatt retning gjennom membranen. For å montere RED-stakken riktig, må man justere alle lagene, inkludert elektroder, pakninger, membraner og avstandsstykker i stakken nøye, som vist i skjematisk diagram i figur 4 og figur 5. Hvis stakken ikke er perfekt justert, kan det oppstå to problemer: (i) HC- og LC-løsningskryssflyt kan forekomme i stakken og (ii) lekkasje av løsningen i stakken kan oppstå. Det er nødvendig å eliminere begge problemene før du starter den faktiske målingen av utgangseffekt. Andre parametere må fikses, inkludert HC- og LC-løsningens strømningshastighet, pumpetrykk og anvendt spenning, for å oppnå effektiv effekt. For å estimere RED-stabelens nettoeffekt må man trekke fra det hydrodynamiske krafttapet fra oppnådd netto effekt10. Maksimal effekt oppnås fra RED-stakken ved å multiplisere oppnådd spenning og strøm. I motsetning må det aktive området og nummeret på membranparene deles for å oppnå stabelens faktiske krafttetthet, som gitt ved ligning 114,15. Den totale kraften fra RED-stakken trekkes fra et hydrodynamisk strømtap eller pumpeeffekttap generert av pumpen og gitt ved følgende ligning 2.
(2)
Her erP-tap et hydrodynamisk pumpeeffekttap (W m-2) produsert i RED-stabelen med internt tap. Pmaks er maksimal effekt (W m-2) oppnådd fra eksperimentet. Den høyeste nettoeffekten rapportert for RED er 1,2 W m-2 ved hjelp av elvevann og sjøvann av Vermaas16. Strømbrudd er representert som en forskjell mellom trykk ved innløp og utløp av HC- og LC-løsning ved stabelen og gitt ved trykkfall (ΔP),strømningshastighet (Q) og pumpeeffektivitet (ηpumpe)17,18.
(3)
Her er QH og QL strømningshastigheten (ml mim-1) av en høykonsentrasjonsløsning og lav konsentrasjonsløsning i ml min-1 og ΔPH og ΔPL er trykkfallet på høykonsentrasjonssiden og lavkonsentrasjonsrommet i Pa. Her er det målte trykkfallet fra trykkmåleren for HC-rommet 11 790 Pa og LC-rommet er 11 180 Pa. Det beregnede pumpeeffekttapet(P-tap) er 0,038 W m-2.
Teoretisk parameterestimering
I utgangspunktet består et RED-system av to forskjellige typer ionbyttemembraner, pakning, pumpe, avstandsstykker og elektrode. Trykkfallet over RED-stakken er teoretisk estimert ved hjelp av Darcy-Weisbach-ligningen11,19. I et ideelt RED-system brukes en laminær strøm av oppløsning i en uendelig bred ensartet kanal til beregning av trykkfallet.
(4)
Her er dh (m) kanalens hydrauliske diameter, mens den hydrauliske diameteren for en uendelig bred kanal er 2 timer. Andre parametere er viskositeten til vann (Pa·s), tres er oppholdstiden (e), L er lengden på membranen (cm). I RED stack brukes sPEEK som CEM og FAA-3 som AEM, og avstanden mellom begge membranene er gitt av begrepet b, som er direkte proporsjonal med den hydrauliske diameterens verdi når det gjelder den profilerte membranen, og "h" er den intermembrane avstanden (m), er gitt ved ligning 520.
(5)
For en uendelig bred kanal er verdien beregnet fra ligning 6 vanligvis mye lavere enn verdien for den begrensede brede kanalen. Verdiene som oppnås er lave i størrelsesorden, noe som skyldes ikke-ensartethet av innløp og utløp av fôrløsninger. Avstandsnettet begrenser strømmen av vandige saltløsninger på grunn av avstandsskyggeeffekten, noe som resulterer i en økning i pumpekraften. Å plassere verdien oppnådd fra forholdet mellom overflate og volum (Ssp / V sp) av avstandsnett i formelen, ε er porøsiteten, kan man estimere tykkelsen på avstandsfylte kanaler fra ligning 621,22.
(6)
Avstandstykkelsen og de andre parametrene, inkludert åpent forhold, nettingåpning og tråddiametere, holdes konstant i alle rommene. Både HC- og LC-rom brukte samme løsning (NaCl) med forskjellige konsentrasjoner. Derfor er det lett å initialisere parametrene, og teoretisk pumpetap kan gis ved ligning 723.
(7)
Hvor, A er det aktive membranområdet i m2 og Q fôroppløsningsstrømningshastighet i m3 s-1. Her er μ viskositeten av vann målt i Pa·s, L er lengden på membranen gitt av cm, og tres er en oppholdstid i andre.
Ytelsen til DEN RØDE stakken
Red-stakkens utskriftsytelse ble undersøkt ved hjelp av ett cellepar med en fast strømningshastighet på 100 ml min-1. Fôrløsningens konsentrasjon ble også holdt fast for en høyere konsentrasjon (0,6 M), og en lavere konsentrasjon (0,01 M) tilberedt fra NaCl salt. Det observeres at maksimal effekttetthet er 0,69 W m-2 ved 100 ml min-1, og netto effekttetthet er 0,66 W m-2 som vist i figur 6. Høyere strømningshastighet og høy ion-vekslingskapasitet spiller en viktig rolle for å oppnå bedre celleytelse fordi ions transport er mer aktiv med høyere strømningshastighet. På den annen side reduserer den diffusjons-grense-lagmotstanden ved grensesnittet. Forskjellen i saltkonsentrasjonens saltkonsentrasjon gir opphav til åpen kretsspenning, som illustrert i figur 6. Denne spenningen avhenger av den interne motstanden til RED-stakken og andre parametere. Det bemerkes at etter hvert som den nåværende tettheten øker, reduseres spenningsstarten, mens i utgangspunktet øker cellens effekttetthet og oppnår maxima med en viss strømtetthetsverdi og faller deretter ned. Denne reduksjonen i krafttettheten skyldes en økning i stabelens interne motstand, som vist i figur 6.
Figur 6: Utgangsytelsen til den omvendte elektrodialyseenheten: (a) variasjon av utgangsspenning med varierende strøm, og (b) netto effekttetthet med varierende strømtetthet i RED-stakken. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
RED's arbeidsprinsipp domineres hovedsakelig av membranens fysisk-kjemiske egenskaper, som er en avgjørende del av RED-systemet, som illustrert i figur 3. Her beskriver vi de grunnleggende egenskapene til membranen for å levere et høytytende RED-system. Membranens spesifikke ionpermeabilitet gjør at den passerer en type ioner gjennom deres polymer nanokanal. Som navnet antyder, kan CEM sende kation fra den ene siden til en annen og begrenser anion, mens AEM kan sende anion og begrenser kation. Som vist i figur 2ble alle membraner formet til en RED-stakkstørrelse som inneholder innløps- og utløpspassasje for strømningsløsning. Mengden ion som byttes gjennom membranen er direkte proporsjonal med membranens ledningsevne og derfor effekten av stabelen24. Bevegelsen av ioner i ionbyttemembranen fungerer på Donnan-utelukkelsesprinsippet25. Ladegruppen festet med polymerrygdegraden avviser den samme ladningen som finnes i løsningen. Dermed vil høyere ladetetthet større være frastøtelsen, som vanligvis avhenger av perm-selektiviteten. Generelt, i RED-celler, foregår ions bevegelse gjennom membranen fra høyere konsentrasjon til lavere konsentrasjon av løsningen. Denne iontransporten fra ett rom til et annet gjennom membranen gir en åpen kretsspenning og strømverdier, som brukes til å beregne netto utgangseffekt i celle26.
RED-stakkens ytelse avhenger hovedsakelig av ionbyttekapasiteten og hevelsestettheten til CEM- og AEM-baserte membraner27. Det observeres at jo høyere ionutvekslingskapasiteten til CEM og AEM, jo bedre er ledningsevnen. Imidlertid fører membranens høyere ionutvekslingskapasitet til høy hevelse, og forverrer lett membranens mekaniske styrke. Dermed er det viktig å optimalisere hevelsestettheten og membranens ledningsevne for bedre og pålitelig celleytelse. På den annen side er det også avgjørende å optimalisere stakkmotstanden med funksjonen til fôrløsningens strømning i begge rommene. Etter hvert som strømningshastigheten øker, reduseres stakkmotstanden, og ytelsen i utdatacellen øker. Teoretisk sett er RED-stakkmotstand gitt ved ligning 8.
(8)
N er antall cellepar (alternativt arrangement av anion- og kationutvekslingsmembraner), A er det effektive området av begge membranene (m2), RA er anionutvekslingsmembranmotstanden (Ω m2), RC er kationutvekslingsmembranmotstanden (Ω m2), dc er tykkelsen på rommet med den konsentrerte løsningen (m), kc er dens ioniske ledningsevne (S m-1 ),d d er tykkelsen på rommet med den fortynnede løsningen (m), kd er dens ioniske ledningsevne (S m-1), og Re er elektrodemotstanden (Ω). Å redusere stakkmotstanden er en viktig faktor for å forbedre netto utgangseffekt, men andre faktorer påvirker også celleytelsen28, som også må vurderes. Avstandsskyggeeffekten, strømmen av fôroppløsning, rombredde og konsentrasjon av fôrløsning, den skjematiske illustrasjonen av RED-cellen presenteres i figur 5.
I RED-celler fungerte membranen som en begrensende faktor og krevde en stabil høy ledende membran. Bortsett fra det, må både CEM og AEM ha sammenlignbare ion-ledende egenskaper slik at cellen kan produsere en effektiv og optimalisert effekt. Nedbrytning av ionbyttekapasitet og saltakkumulering må også tas i betraktning for pålitelig RED-ytelse. Nytt membranmateriale og toppmoderne enhetsarkitektur kan forbedre celleytelsen ytterligere i fremtiden og vil bane vei for fremtidig forskningsretning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National Research Foundation of Korea (NRF) stipend finansiert av Korea-regjeringen (MEST) (Nei. NRF-2017R1A2A2A05001329). Forfatterne av manuskriptet er takknemlige for Sogang University, Seoul, Republikken Korea.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. , Springer. (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. , Cambridge University Press. (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.
- 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).
