Waiting
登录处理中...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Ионообменные мембраны для изготовления устройства обратного электродиализа

Published: July 20, 2021 doi: 10.3791/62309
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Mechanical Engineering, Energy Engineering Lab, Sogang University

Summary

Мы демонстрируем изготовление устройства обратного электродиализа с использованием катионообменных мембран (CEM) и анионообменных мембран (AEM) для производства электроэнергии.

Abstract

Обратный электродиализ (RED) является эффективным способом получения энергии путем смешивания двух различных концентраций солей в воде с использованием катионообменных мембран (CEM) и анионообменных мембран (AEM). Стек RED состоит из чередующегося расположения катионообмонной мембраны и анионообменных мембран. Устройство RED выступает в качестве потенциального кандидата для удовлетворения универсального спроса на будущие энергетические кризисы. Здесь, в этой статье, мы демонстрируем процедуру изготовления устройства обратного электродиализа с использованием лабораторных CEM и AEM для производства электроэнергии. Активная площадь ионообмонной мембраны составляет 49см2. В этой статье мы представляем пошаговую процедуру синтеза мембраны с последующим измерением сборки и мощности стека. Также были объяснены условия измерения и расчет чистой выходной мощности. Кроме того, мы описываем фундаментальные параметры, которые учитываются для получения достоверного результата. Мы также предоставляем теоретический параметр, который влияет на общую производительность клеток, относящуюся к мембране и кормовому раствору. Короче говоря, этот эксперимент описывает, как собирать и измерять красные клетки на одной платформе. Он также содержит принцип работы и расчет, используемые для оценки чистой выходной мощности стека RED с использованием мембран CEM и AEM.

Introduction

Сбор энергии из природных ресурсов является экономичным методом, который является экологически чистым, тем самым делая нашу планету зеленой и чистой. До сих пор было предложено несколько процессов для извлечения энергии, но обратный электродиализ (RED) имеет огромный потенциал для преодоления энергетического кризиса проблема1. Производство электроэнергии от обратного электродиализа является технологическим прорывом для декарбонизации мировой энергетики. Как следует из названия, RED представляет собой обратный процесс, при котором альтернативный клеточный компартмент заполняется высококонцентрированным солевым раствором и низкоконцентрированным солевым раствором2. Химический потенциал, генерируемый разностью концентраций солей на ионообменных мембранах, собранных с электродов на конце отсека.

С 2000 года было опубликовано много научных статей, дающих представление о RED теоретически и экспериментально3,4. Систематические исследования условий эксплуатации и исследования надежности в стрессовых условиях улучшили архитектуру стека и повысили общую производительность ячейки. Несколько исследовательских групп отвлекли свое внимание на гибридное применение RED, такие как RED с процессом опреснения5,RED с солнечной энергией6,RED с процессом обратного осмоса (RO)5,RED с микробным топливным элементом7и RED с процессом радиационного охлаждения8. Как упоминалось ранее, существует много возможностей для реализации гибридного приложения RED для решения проблемы энергии и чистой воды.

Было принято несколько методов для повышения производительности КРАСНЫХ клеток и ионообменных способностей мембраны. Адаптация катионообменных мембран с различными типами ионов с использованием группы сульфоновой кислоты (-SO3H), группы фосфоновой кислоты (-PO3H2)и группы карбоновой кислоты (-COOH) является одним из эффективных способов изменения физико-химических свойств мембраны. Арионообменные мембраны сшиты с аммониевыми группами ( Equation 1 )9. Высокая ионная проводимость AEM и CEM без ухудшения механической прочности мембраны является важным параметром для выбора подходящей мембраны для применения в устройстве. Прочная мембрана в условиях напряжения обеспечивает механическую стабильность мембраны и повышает долговечность устройства. Здесь в приложении RED используется уникальная комбинация высокоэффективных отдельно стоящих сульфированных поли (эфир эфир кетонов) (sPEEK) в качестве катионообменных мембран с FAA-3 в качестве анионообменных мембран. На рисунке 1 показана блок-схема экспериментальной процедуры.

Figure 1
Рисунок 1:Процедурная диаграмма. На блок-схеме представлена процедура, принятая для получения ионообменных мембран с последующим процессом измерения обратного электродиализа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Экспериментальное требование

  1. Приобрести ионообменный иономерный полимер, полимерное волокно E-550 сульфированное-PEEK для приготовления CEM и FAA-3 для приготовления AEM. Убедитесь, что все иономерные полимеры хранятся в чистой, сухой и свободной от пыли среде перед использованием.
  2. Для получения однородного растворителя иономера используют растворители высокой чистоты (>99%) растворители, в том числе N-метил-2-пирролидон с молекулярной массой99,13 г моль-1 и N,диметилацетамид с молекулярной массой 87,12. Убедитесь, что все аналитические химикаты и растворители используются для мембранной подготовки без какой-либо дальнейшей очистки.
  3. После процесса активации мембран немедленно погрузите все мембраны в раствор NaCl 0,5 М для повышения производительности. После активации обеих мембран сушка не требуется. Вода с удельным сопротивлением 18,2 МОм при комнатной температуре использовалась на протяжении всего синтеза мембраны.
  4. Охарактеризуйте свойства мембраны с помощью сухой мембраны. Подробное описание методов характеризации и их физико-химических свойств, таких как ионообменная способность, ионнопроводность, толщина, термический анализ и морфология поверхности, представлены в литературе10,11.
  5. Используйте резак для приведения мембраны для CEM и AEM в размер стека RED с активной площадью 49см2,как показано на рисунке 2.
  6. Для изготовления стека RED сделайте альтернативное расположение CEM и AEM, разделенное прокладкой и прокладкой; реальная картина работающего стека RED представлена на рисунке 3a,а его принципиальная схема каждого слоя проиллюстрирована на рисунке 3b.
    1. Во-первых, поместите пластину ПММА, обращенную к электроду вверх; Теперь поместите на нее резиновую прокладку и прокладку, затем поместите CEM. После этого поместите силиконовую прокладку с прокладкой на CEM, затем поместите на нее AEM. Аналогичным образом, добавьте силиконовую прокладку и прокладку поверх AEM, а затем CEM. Теперь поместите торцевую пластину из ПММА, резиновую прокладку и прокладку с последующей затяжкой с помощью винтовых и гайковых болтов.
  7. После сборки стека RED проверьте свободный поток высококонцентрарной (HC), низкой концентрации (LC) и промойте растворы один за другом. Любой поперечный поток или утечка должны быть устранены до измерения.
  8. Перед измерением тока и напряжения контролируйте скорость потока солевых растворов и показания манометра и убедитесь, что он стабилизируется. Убедитесь, что все соединения находятся в точном месте до начала измерения. Избегайте прикосновения к стеку RED и его соединительным трубкам во время измерения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Растворы HC и LC поступают из их отсеков в отсек для сброса через перистальтический насос, манометр и трубу RED, соответственно.
  9. Используйте метод гальваностата для измерения тока и напряжения, прибор измерителя источника подключается к стеку RED через крокодиловые зажимы.

Figure 2
Рисунок 2:Размер и форма подготовленной мембраны, прокладки и прокладки для изготовления обратного электродиализа. (a) наружнаясиликоновая прокладка,(b)внешняя прокладка и внутренняя прокладка,(c)внутренняя силиконовая прокладка,(d)катионообменная мембрана,(e)анионообменная мембрана и(f)прокладка и мембранный узел. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3:Обратный электродиализный стек. (а)установка обратного электродиализного стека с соединительными трубками и(б)схематическая иллюстрация различных слоев, включая концевые пластины ПММА, электроды, прокладку, прокладку, CEM и AEM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Подготовка ионообменных мембран

ПРИМЕЧАНИЕ: Количество материала-предшественника было оптимизировано для получения мембраны диаметром 18 см и толщиной ~50 мкм.

  1. Катионообменная мембрана
    1. Возьмите 5 мас.% сульфированных волокон PEEK в колбе круглого дна объемом 250 мл и растворите волокна в диметилацетамиде (DMAc) в качестве растворителя, имеющего молекулярную массу 87,12 гмоль-1. Встряхните колбу в течение 10 минут, чтобы все полимеры иономера осели.
    2. Поместите магнитный стержень в колбу, а затем держите смесь в кремниевой масляной ванне, а затем энергично перемешивайте при 500 об/мин в течение 24 ч при 80 °C для получения однородного раствора.
    3. Фильтруйте сульфированный раствор PEEK через фильтр политетрафторэтилена (PTFE) размером 0,45 мкм.
    4. После этого вылейте процеженный раствор на круглую стеклянную посуду диаметром 18 см. Убедитесь, что все пузырьки воздуха удалены с помощью воздуходувки, прежде чем помещать чашку Петри в духовку.
    5. Поместите чашку Петри в духовку для высыхания раствора при 90 °C в течение 24 ч, в результате чего получается отдельно стоящая мембрана толщиной ~50 мкм. Сделайте это для извлечения отдельно стоящей мембраны: чтобы снять мембрану с чашки Петри, наполните чашку Петри теплой дистиллированной водой (~ 60 ° C) и дайте ей постоять в течение 10 минут нетронутыми. Отдельно стоящая мембрана автоматически выйдет наружу.
    6. Для мембранной активации погружают приготовленную отдельно стоящую мембрану в водный раствор 1Мсерной кислоты (Н2СО4),т.е. 98,08 г, в 1 л дистиллированной воды, и инкубируют в течение 2 ч при 80 °С.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот этап обеспечит удаление посторонних частиц и других химических веществ, таких как растворители, что уменьшит вероятность загрязнения мембраны.
    7. Промыть пропитанную мембрану 1 л дистиллированной воды в течение 10 мин, не менее трех раз при комнатной температуре.
  2. Амионообменная мембрана
    1. Растворить раствор иономера FAA-3 10 мас.% в растворителе N-метил-2-пирролидона (NMP).
    2. Держите раствор для перемешивания при комнатной температуре в течение 2 ч при ~500 об/мин.
    3. После этого процедить раствор с помощью сетки с размером пор 100 мкм.
    4. Налейте ~30 мл фильтрованного раствора в круглую стеклянную чашку Петри диаметром 18 см. Убедитесь, что все пузырьки воздуха были удалены с помощью воздуходувки, прежде чем помещать стеклянную чашку Петри в духовку. Процесс сушки происходит при 100 °C в течение 24 ч.
    5. Чтобы получить отдельно стоящую мембрану, налейте горячую дистиллированную воду в стеклянную чашку Петри и держите ее не менее 10 минут. Теперь снимите оболочки и поместите в 1 л раствора гидроксида натрия (NaOH) (концентрация 1М и молекулярная масса 40 гмоль-1)в течение 2 ч.
    6. Затем тщательно промыть мембрану 1 л дистиллированной воды в течение 10 мин, не менее трех раз в окружающем состоянии.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Все подготовленные мембраны хранили в растворе 0,5 М NaCl в течение ночи перед использованием его в стеке RED. Таким образом, проводимость мембраны повышается и может достигать стабилизированных выходных характеристик во время измерения стека RED. В таблице 1 описаны свойства мембраны10,11.
Спецификация Единица СЕМ АЕМ
Степень отека % 5±1 1±0,5
Плотность заряда или емкость ионого обмена мекв/г 1.8 ~1,6
Механические свойства
(Прочность на растяжение)		 Мпа >40 40-50
Удлинение до разрыва % ~42 30-50
Модуль юнга (МПа) 1500±100 1000-1500
Проводимость при комнатной температуре См/см ~0,03 ~0,025
Пермселективность % 98-99 94-96
Толщина мкм 50±2 50±3
Растворитель - Диметилацетамид (DMAc) N-метил-2-пирролидон (NMP)

Таблица 1: Свойства мембран. Обобщение свойств как катионообменных, так и анионообменных мембран.

3. Изготовление обратного электродиализа

  1. Сборка стека RED
    1. Готовят модельный раствор, используя 0,6 М NaCl для высокой концентрации (HC) и 0,01 М NaCl для низкоконцентраций (LC) в отсеках12.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь речная вода считается раствором соли низкой концентрации, а морская вода представлена в виде раствора соли высокой концентрации.
    2. Готовят 5 л раствора высокой и низкой концентрации в большой емкости, соединенной с пробирками. Держите растворы помешивающимися при окружающей среде (комнатной температуре) в течение не менее 2 ч, прежде чем они будут использованы в красной стопке.
    3. Готовят смесь 0,05 М [Fe (CN)6]-3/[Fe(CN)6]-4 и 0,3 М NaCl в воде 500 мл в виде раствора для полоскания для КРАСНОГО.
    4. Соедините все три контейнера для раствора со стеком RED с помощью резиновых трубок через перистальтический насос и манометры. Используйте трубку размера L/S 16 для промывки раствора, а для раствора HC и LC используйте трубку размера L/S 25.
    5. Чтобы сделать стек RED, возьмите две концевые пластины, состоящие из полиметилметакрилата (ПММА). Соедините обе концевые пластины горизонтально лицом к лицу с помощью гаек, болтов и шайб, используя усилие 25 Нм с помощью цифрового гаечный ключ. Толщина торцевых пластин ПММА 3 см, а путь прототочных каналов был спроектирован в пластинах для HC, LC и промывного раствора бурильщиком2.
    6. Поместите два сетчатых электрода из металлического титана (Ti), покрытые смесью иридия (Ir) и рутения (Ru) в соотношении 1:1, и поместите на конец пластин PMMA. Оба торных электрода соединены крокодиловым зажимом измерителя источника.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Обе концевые пластины ПММА оснащены сетчатыми электродами, оба электрода были покрыты проставкой квадратной формы, а концевая пластина ПММА покрыта резиновой прокладкой, обращенной внутрь. После этого CEM и AEM размещают альтернативно, разделенные силиконовой прокладкой и прокладкой, как показано на фиг.3.
    7. Установите кремниевые прокладки, полимерные прокладки и ионообменные мембраны (CEM и AEM) слой за слоем, как показано на принципиальной схеме Фиг.4 и Фиг.5. Убедитесь, что активная площадь электродов, как мембран, наружной, так и внутренней прокладки, наружной и внутренней прокладки составляет 7 х 7 = 49см2.
    8. Пропускайте растворы с высокой и низкой концентрацией из соответствующих отсеков перистальтическими насосами, как показано на принципиальной схеме на рисунке 4.
    9. Циркулируют раствор промывки во внешнем электроде и мембранных отсеках в режиме рециркуляции с помощью перистальтических насосов. Расход, используемый для промывки раствора, составляет 50 млмин-1.
    10. Фиксированный расход используется для анализа производительности каждой мембраны. В этом эксперименте мы использовали 100 млмин-1 через перистальтический насос.

Figure 4
Рисунок 4:Схематическое изображение соединения трубки с обратным электродиализным стеком. Соединение обратного электродиализа с перистальтическими насосами, контейнером для высококонцентрированного раствора, контейнером для раствора с низкой концентрацией, контейнером для промывки раствора и контейнером для выброса раствора. Он также показывает выравнивание спейсера как с анионообмонной мембраной (AEM), так и с катионообмонной мембраной (CEM). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5:Принципиальная схема различных слоев в установке обратного электродиализа. (a) Поперечное сечение схематической иллюстрации обратного электродиализа показывает направление потока высококонцентрированного раствора, раствора с низкой концентрацией и раствора для промывки электродов. Другие компоненты, такие как электроды, наружные и внутренние прокладки, наружные и внутренние прокладки, катионообменная мембрана и анионообменная мембрана. b)Вид дымовой трубы спереди, на котором показано направление потока раствора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

4. Измерение обратного электродиализа

  1. Расчет мощности
    1. Дайте высокой концентрации, низкой концентрации и промыть раствор, пробежать по стопке не менее 5 мин. Измерьте производительность выхода RED с помощью измерителя источника, который подключен к обоим электродам стекаRED 13.
    2. Рассчитайте характеристики тока-напряжения стека RED с точки зрения плотности мощности с использованием метода гальваностата.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В методе гальваностата постоянный ток подается на электроды и измеряет результирующий ток. Результирующий ток - это ток, генерируемый в результате электрохимической реакции в дымовой трубе. Измерение проводится под статическим напряжением 0,05 В с фиксированным током развертки, который составляет 10 мА.
    3. Максимальная плотность мощности для стека RED измеряется с помощью следующего уравнения 1.
      Equation 2(1)
      Здесь Pmax - максимальная плотность мощности стека RED (Wm-2),стек U - напряжение (V), производимое мембраной в стеке, Istack - зарегистрированный ток (A), а Amem - активная площадь мембран(m2).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Выходная полезная мощность
КРАСНАЯ клетка обычно генерирует электрическую энергию из градиента солености раствора соли, то есть движения ионов в противоположном направлении через мембрану. Чтобы правильно собрать стек RED, необходимо тщательно выровнять все слои, включая электроды, прокладки, мембраны и прокладки в стеке, как показано на принципиальной схеме на рисунке 4 и рисунке 5. Если стек не выровнен идеально, могут возникнуть две проблемы: (i) в стеке может произойти перекрестный поток раствора HC и LC и (ii) утечка раствора в стеке. Необходимо устранить обе проблемы, прежде чем начинать фактическое измерение выходной мощности. Другие параметры должны быть зафиксированы, включая скорость потока решения HC и LC, давление накачки и приложенное напряжение, чтобы получить эффективную выходную мощность. Чтобы оценить чистую мощность стека RED, необходимо вычесть гидродинамические потери мощности из полученной чистой мощности10. Максимальная выходная мощность получается из стека RED путем умножения полученного напряжения и тока. Напротив, активная площадь и число пар мембран должны быть разделены, чтобы получить фактическую плотность мощности стека, как указано в уравнении 114,15. Общая мощность, полученная от трубы RED, вычитается из гидродинамических потерь мощности или потерь мощности насоса, генерируемых насосом, и задается следующим уравнением 2.

Equation 3(2)

Здесьпотери P - это гидродинамические потери мощности насоса (Втм -2),образующиеся в трубе RED за счет внутренних потерь. Pmax — максимальная мощность (Втм -2),полученная в результате эксперимента. Самая высокая чистая выходная мощность, зарегистрированная для RED, составляет 1,2 Втм-2 с использованием речной и морской воды Vermaas16. Потери мощности представлены в виде разности давлений на входе и выходе раствора HC и LC в дымовой трубе и заданы падением давления (ΔP),расходом (Q) и КПД насоса(ηнасос)17,18.

Equation 4(3)

Здесь QH и QL представляют собой скорость потока (млмим-1)раствора с высокой концентрацией и раствора с низкой концентрацией в млмин-1, а ΔPH и ΔPL - падение давления на стороне высокой концентрации и низкоконцентрированном отсеке в Па. Здесь измеренный перепад давления от манометра для отсека HC составляет 11 790 Па, а отсека LC составляет 11 180 Па. Расчетные потери мощности насоса (Ploss)составляет 0,038 Втм-2.

Оценка теоретических параметров
По сути, система RED состоит из двух различных типов ионообменных мембран: прокладки, насоса, проставок и электродов. Падение давления в стеке RED оценивается теоретически с использованием уравнения Дарси-Вайсбаха11,19. В идеальной системе RED для расчета перепада давления используется ламинарной поток раствора в бесконечно широком равномерном канале.

Equation 5(4)

Здесь dh (m) - гидравлический диаметр канала, тогда как гидравлический диаметр для бесконечного широкого канала составляет 2 часа. Другими параметрами является вязкость воды (Па·с), tres - время пребывания (с), L - длина мембраны (см). В стеке RED используется sPEEK как CEM и FAA-3 как AEM, а расстояние между обеими мембранами задается членом b, который прямо пропорционален значению гидравлического диаметра в случае профилированной мембраны, а«h» — межмембранное расстояние (m), задано уравнением 520.

Equation 6(5)

Для бесконечного широкого канала значение, вычисляемое из уравнения 6, обычно намного ниже, чем значение конечного широкого канала. Полученные значения являются низкими по величине, что обусловлено неравномерностью входного и выходного отверстий кормовых растворов. Спейсерная сетка ограничивает поток водных солевых растворов из-за эффекта тени спейсера, что приводит к увеличению мощности перекачки. Поместив в формулу значение, полученное из отношения поверхности к объему(Ssp/V   sp)распорной сетки, ε является пористость, можно оценить толщину заполненных спейсерами каналов по уравнению 621,22.

Equation 7(6)

Толщина распорки и другие параметры, включая коэффициент открытости, отверстие сетки и диаметры проволоки, остаются постоянными во всех отсеках. В отсеках HC и LC использовался один и тот же раствор (NaCl) с разными концентрациями. Поэтому параметры легко инициализировать, а теоретические потери при накачке можно задать уравнением 723.

Equation 8(7)

Где, A - активная площадь мембраны вм2 и скорость потока Q питательного раствора вм3 с-1. Здесь μ - вязкость воды, измеряемая в Па·с, L - длина мембраны, заданная см, а tres - время пребывания во второй секунде.

Производительность стека RED
Производительность стека RED исследовали с использованием одной пары ячеек при фиксированном расходе 100 мл мин-1. Концентрацию кормового раствора также поддерживали фиксированной для более высокой концентрации (0,6 М) и более низкой концентрации (0,01 М), приготовленной из соли NaCl. Замечено, что максимальная плотность мощности составляет 0,69 Втм-2 при 100 мл мин-1,а чистая плотность мощности составляет 0,66 Вт м-2, как показано на рисунке 6. Более высокая скорость потока и высокая ионообменная емкость играют важную роль в получении лучшей производительности ячейки, поскольку транспорт ионов более активен при более высоком скорости потока. С другой стороны, это уменьшает сопротивление диффузионного пограничного слоя на границе раздела. Разница в градиенте солености концентрации соли приводит к возникновению напряжения разомкнутой цепи, как показано на рисунке 6. Это напряжение зависит от внутреннего сопротивления стека RED и других параметров. Отмечается, что по мере увеличения плотности тока напряжение начинает уменьшаться, тогда как изначально плотность мощности ячейки увеличивается, получая максимумы при определенном значении плотности тока, а затем падает вниз. Это снижение плотности мощности связано с увеличением внутреннего сопротивления стека, как показано на рисунке 6.

Figure 6
Рисунок 6:Выходные характеристики устройства обратного электродиализа: (a)изменение выходного напряжения с изменяющимся током и(b)плотность чистой мощности с изменяющейся плотностью тока стека RED. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В принципе работы RED в основном доминируют физико-химические свойства мембраны, которая является важной частью системы RED, как показано на рисунке 3. Здесь мы опишем фундаментальные характеристики мембраны для обеспечения высокопроизводительной системы RED. Удельная иопроницаемость мембраны позволяет ей пропускать один тип ионов через их полимерный наноканал. Как следует из названия, CEM может передавать катион из одной стороны в другую и ограничивает анион, тогда как AEM может пропускать анион и ограничивает катион. Как показано на фиг.2,все мембраны были сформированы в краснокожий дымовой трубой, содержащей вход и выходной проход для проточного раствора. Количество ионов, обменивающихся через мембрану, прямо пропорционально проводимости мембраны и, следовательно, выходной мощности стека24. Движение ионов в ионообмонной мембране работает по принципу исключения Доннана25. Зарядная группа, присоединенная к полимерной магистрали, отталкивает тот же заряд, который присутствует в растворе. Таким образом, чем выше плотность заряда, тем больше будет отталкивание, которое обычно зависит от пермской селективности. Как правило, в ЭР-клетках движение ионов происходит через мембрану от более высокой концентрации к более низкой концентрации раствора. Этот перенос ионов из одного отсека в другой через мембрану дает разомкнутую цепь значений напряжения и тока, которые используются для расчета чистой выходной мощности ячейки26.

Производительность стека RED в основном зависит от ионообменных мощностей и плотности набухания мембран на основе CEM и AEM27. Замечено, что чем выше ионообменная емкость CEM и AEM, тем лучше проводимость. Однако более высокая ионообменная способность мембраны приводит к высокому набуханию, легко ухудшая механическую прочность мембраны. Таким образом, важно оптимизировать плотность набухания и проводимость мембран для лучшей и надежной работы клеток. С другой стороны, также важно оптимизировать сопротивление стека с функцией потока питательного раствора в обоих отсеках. По мере увеличения расхода сопротивление стека уменьшается, а производительность выходной ячейки увеличивается. Теоретически сопротивление стека RED задается уравнением 8.

Equation 9(8)

N - число пар клеток (попеременное расположение анионо- и катионообменной мембран), A - эффективная площадь обеих мембран(m2),RA - сопротивление анионообменной мембраны (Ωм2),RC - сопротивление катионообменной мембраны (Ωм2),dc - толщина компартмента с концентрированным раствором (m), kc - его ионная проводимость (S m-1), dd - толщина отсека с разбавленным раствором (m), kd - его ионная проводимость (S m-1),и Re - сопротивление электрода (Ω). Снижение сопротивления стека является важным фактором для увеличения чистой выходной мощности, но другие факторы также влияют на производительность ячейки28,что также необходимо учитывать. Эффект тени спейсера, поток кормового раствора, ширина отсека и концентрация кормового раствора, схематическая иллюстрация КРАСНОЙ ячейки представлены на рисунке 5.

В КРАСНЫХ клетках мембрана действовала как ограничивающий фактор и требовала стабильной высокопроводящей мембраны. Кроме того, как CEM, так и AEM должны иметь сопоставимые ион-проводящие свойства, чтобы ячейка могла производить эффективную и оптимизированную выходную мощность. Деградация иооной способности и накопление солей также должны быть приняты во внимание для надежной работы RED. Новый мембранный материал и современная архитектура устройства могут еще больше улучшить производительность клеток в ближайшем будущем и проложат путь для будущего направления исследований.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MEST) (No. НРФ-2017R1A2A2A05001329). Авторы рукописи благодарны Университету Соган, Сеул, Республика Корея.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Kim, D., Kwon, K., Kim, D. H., Li, L. Energy Generation Using Reverse Electrodialysis: Principles, Implementation, and Applications. , Springer. (2019).
  3. Mei, Y., Tang, C. Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: A review. Desalination. 425, 156-174 (2018).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Brauns, E. Salinity gradient power by reverse electrodialysis: effect of model parameters on electrical power output. Desalination. 237, 378-391 (2009).
  7. Cusick, R. D., Kim, Y., Logan, B. E. Energy capture from thermolytic solutions in microbial reverse-electrodialysis cells. Science. 335, 1474-1477 (2012).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. Doubled power density from salinity gradients at reduced intermembrane distance. Environmental Science & Technology. 45, 7089-7095 (2011).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Batchelor, C. K., Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. , Cambridge University Press. (2000).
  20. Schock, G., Miquel, A. Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules. Desalination. 64, 339-352 (1987).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Moreno, J., Grasman, S., van Engelen, R., Nijmeijer, K. Upscaling reverse electrodialysis. Environmental Science & Technology. 52, 10856-10863 (2018).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).

Tags

Инжиниринг выпуск 173 мембрана обратный электродиализ проводимость плотность тока плотность мощности
Ионообменные мембраны для изготовления устройства обратного электродиализа
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Singh, R., Hong, S. H., Kim, D.… More

Singh, R., Hong, S. H., Kim, D. Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device. J. Vis. Exp. (173), e62309, doi:10.3791/62309 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter