Name: Ionenaustauschmembranen für die Herstellung von Reverse Electrodialysegeräten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-07-20T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 55 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung von Ionenaustauschmembranen für Reverse-Elektrodialysegeräte zur nachhaltigen Energiegewinnung aus Salinitätsgradienten. Dieses Protokoll demonstriert Membransynthese, Stack-Assemblierung und Leistungsmessung.

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Diese Arbeit wurde durch den Zuschuss der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, der von der koreanischen Regierung (MEST) finanziert wurde (Nr. NRF-2017R1A2A2A05001329). Die Autoren des Manuskripts danken der Sogang University, Seoul, Republik Korea.

1. Experimentelle Anforderung
<ol><li>Kaufen Sie Ionenaustausch-Ionomerpolymer, E-550 sulfonierte PEEK-Polymerfaser zur Vorbereitung von CEM und FAA-3 zur Herstellung von AEM. Stellen Sie sicher, dass alle Ionomerpolymere vor dem Gebrauch in einer sauberen, trockenen und staubfreien Umgebung gelagert werden.</li>
	<li>Zur Herstellung homogener Ionomerlösungen werden hochreine (&gt;99%) Lösungsmittel, einschließlich N-Methyl-2-pyrrolidon mit Molekulargewicht 99,13 gmol-1 und N,N-Dimethylacetamid mit Molekulargewicht 87,12, verwendet. Stellen Sie sicher, dass alle analytischen Chemikalien und Lösungsmittel für die Membranvorbereitung verwendet werden, wie sie ohne weitere Reinigung erhalten werden.</li>
	<li>Tauchen Sie nach dem Aktivierungsprozess der Membranen sofort alle Membranen in eine 0,5 M NaCl-Lösung ein, um eine bessere Leistung zu erzielen. Nach Aktivierung beider Membranen ist keine Trocknung erforderlich. Wasser mit einem Widerstand von 18,2 MΩ bei Raumtemperatur wurde während der gesamten Synthese der Membran verwendet.</li>
	<li>Charakterisieren Sie die Membraneigenschaften mit einer trockenen Membran. Die detaillierte Beschreibung der Charakterisierungstechniken und ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Ionenaustauschkapazität, Ionenleitfähigkeit, Dicke, thermische Analyse und Oberflächenmorphologie sind in den Literaturen10,11dargestellt.</li>
	<li>Verwenden Sie einen Cutter, um die Membran für CEM und AEM auf die RED-Stapelgröße mit einer aktiven Fläche von 49 cm2zu formen, wie in Abbildung 2dargestellt.</li>
	<li>Für die RED-Stack-Fertigung machen Sie eine alternative CEM- und AEM-Anordnung, getrennt durch Abstandhalter und Dichtung; Ein reales Bild des arbeitenden RED-Stapels ist in Abbildung 3adargestellt, und sein schematisches Diagramm jeder Schicht ist in Abbildung 3bdargestellt.<ol>
<li>Legen Sie zuerst die PMMA-Platte nach oben auf die Elektrode; Legen Sie nun die Gummidichtung und den Abstandhalter darauf und legen Sie dann den CEM ab. Danach legen Sie die Silikondichtung mit dem Abstandhalter auf den CEM und legen Sie den AEM darauf. Fügen Sie in ähnlicher Weise die Siliziumdichtung und den Abstandhalter auf der Oberseite von AEM hinzu, gefolgt von CEM. Platzieren Sie nun die endende PMMA-Platte, die Gummidichtung und den Abstandhalter, gefolgt vom Anziehen mit Schrauben und Mutternbolzen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Überprüfen Sie nach der Montage des RED-Stapels den freien Fluss der hochkonzentrierten (HC), niedrigen Konzentration (LC) und spülen Sie die Lösungen nacheinander aus. Jeder Querstrom oder jede Leckage muss vor der Messung beseitigt werden.</li>
	<li>Überwachen Sie vor der Strom- und Spannungsmessung die Durchflussrate von Salzlösungen und manometern und stellen Sie sicher, dass sie stabilisiert wird. Stellen Sie sicher, dass sich alle Verbindungen genau an der Stelle befinden, bevor die Messung beginnt. Vermeiden Sie es, den RED-Stapel und seine Verbindungsrohre zu berühren, während die Messung läuft. HINWEIS: HC- und LC-Lösung fließen aus ihren Fächern, um das Fach durch eine Peristaltikpumpe, ein Manometer und einen RED-Stack zu entsorgen.</li>
	<li>Verwenden Sie die Galvanostat-Methode zur Messung von Strom und Spannung, das Quellenmessgerät, das durch Krokodilklemmen mit dem RED-Stack verbunden ist.</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig02.jpg"> Abbildung 2: Größe und Form der vorbereiteten Membran, Dichtung und Abstandhalter für die Herstellung der umgekehrten Elektrodialyse. a)äußere Silikondichtung,b)äußerer Abstandhalter und innerer Abstandhalter,c)innere Silikondichtung,d)Kationenaustauschmembran,e)Anionenaustauschmembran undf)Dichtung und Membrananordnung. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig03.jpg"> Abbildung 3: Umgekehrter Elektrodialysestapel. (a) Aufbau des umgekehrten Elektrodialysestapels mit Verbindungsrohren und (b) schematische Darstellung verschiedener Schichten, einschließlich PMMA-Endplatten, Elektroden, Dichtung, Abstandhalter, CEM und AEM. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig03large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
2. Ionenaustauschmembranvorbereitung
HINWEIS: Die Menge des Vorläufermaterials wurde optimiert, um eine Membran mit 18 cm Durchmesser und ~50 μm Dicke zu erhalten.
<ol><li>
Kationenaustauschmembran
	<ol>
<li>Nehmen Sie 5 Gew.-% sulfonierte PEEK-Fasern in einen 250 mL Rundkolben und lösen Sie die Fasern in Dimethylacetamid (DMAc) als Lösungsmittel mit Molekulargewicht 87,12 gmol-1auf. Schütteln Sie den Kolben 10 Minuten lang, damit sich alle Ionomerpolymere absetzen.</li>
		<li>Legen Sie einen Magnetstab in den Kolben und halten Sie die Mischung dann im Silikonölbad, gefolgt von kräftigem Rühren bei 500 U / min für 24 h bei 80 ° C, um eine homogene Lösung zu erhalten.</li>
		<li>Filtern Sie die sulfonierte PEEK-Lösung durch einen 0,45 μm Porenfilter mit Polytetrafluorethylen (PTFE).</li>
		<li>Danach gießen Sie die gefilterte Lösung auf eine kreisförmige Glasschale mit einem Durchmesser von 18 cm. Stellen Sie sicher, dass alle Luftblasen mit einem Luftgebläse entfernt werden, bevor Sie die Petrischale in den Ofen stellen.</li>
		<li>Legen Sie die Petrischale in einen Ofen, um die Lösung bei 90 °C für 24 h auszutrocknen, was zu einer ~ 50 μm dicken freistehenden Membran führt. Tun Sie dies zum Extrahieren der freistehenden Membran: Um die Membran von der Petrischale abzuziehen, füllen Sie die Petrischale mit warmem Destillwasser (~ 60 ° C) und lassen Sie sie 10 minuten unberührt stehen. Die freistehende Membran kommt automatisch heraus.</li>
		<li>Zur Membranaktivierung wird die vorbereitete freistehende Membran in 1 M Schwefelsäure(H2SO4)wässrige Lösung, d.h. 98,08 g, in 1 L destilliertes Wasser getaucht und 2 h bei 80 °C inkubiert. HINWEIS: Dieser Schritt stellt die Entfernung von Fremdpartikeln und anderen Chemikalien wie Lösungsmitteln sicher, die die Möglichkeit von Membranverschmutzung reduzieren.</li>
		<li>Waschen Sie die eingeweichte Membran mit 1 L destilliertem Wasser für 10 min, mindestens dreimal bei Raumtemperatur.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Anionenaustauschmembran<ol>
<li>FAA-3-Ionomerlösung 10 Gew.% in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)-Lösungsmittel auflösen.</li>
		<li>Bewahren Sie die Lösung zum Rühren bei Raumtemperatur für 2 h bei ~ 500 U / min auf.</li>
		<li>Danach filtern Sie die Lösung mit dem Netz mit 100 μm Porengröße.</li>
		<li>Gießen Sie ~30 ml gefilterte Lösung in eine kreisförmige Glas-Petrischale mit einem Durchmesser von 18 cm. Stellen Sie sicher, dass alle Luftblasen mit einem Luftgebläse entfernt wurden, bevor Sie die Glas-Petrischale in den Ofen stellen. Der Trocknungsprozess findet bei 100 °C für 24 h statt.</li>
		<li>Um eine freistehende Membran zu erhalten, gießen Sie heißes destilliertes Wasser in die Glas-Petrischale und halten Sie es für mindestens 10 Minuten. Nun die Membranen abziehen und 1 Liter Natronlauge (NaOH) (Konzentration 1M und Molekulargewicht 40 gmol-1)für 2 h unterstellen.</li>
		<li>Dann waschen Sie die Membran gründlich mit 1 L destilliertem Wasser für 10 min, mindestens dreimal in Umgebungszustand. HINWEIS: Alle vorbereiteten Membranen wurden über Nacht in der 0,5 M NaCl-Lösung gelagert, bevor sie im RED-Stack verwendet wurden. Damit die Membranleitfähigkeit verbessert wird und eine stabilisierte Ausgangsleistung bei der Messung des RED-Stacks erreicht werden kann. Tabelle 1 beschreibt die Membraneigenschaften10,11.</li>
	</ol>
</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Spezifikation</td>
			<td>Einheit</td>
			<td>CEM</td>
			<td>AEM</td>
		</tr>
<tr>
<td>Quellgrad</td>
			<td>%</td>
			<td>5±1</td>
			<td>1±0,5</td>
		</tr>
<tr>
<td>Ladedichte oder Ionenaustauschkapazität</td>
			<td>meq/g</td>
			<td>1.8</td>
			<td>~1,6</td>
		</tr>
<tr>
<td>Mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit)</td>
			<td>Mpa</td>
			<td>&gt;40</td>
			<td>40-50</td>
		</tr>
<tr>
<td>Bruchdehnung</td>
			<td>%</td>
			<td>~42</td>
			<td>30-50</td>
		</tr>
<tr>
<td>Junger Modul (MPa)</td>
			<td></td>
			<td>1500±100</td>
			<td>1000-1500</td>
		</tr>
<tr>
<td>Leitfähigkeit bei Raumtemperatur</td>
			<td>S/cm</td>
			<td>~0,03</td>
			<td>~0,025</td>
		</tr>
<tr>
<td>Permselektivität</td>
			<td>%</td>
			<td>98-99</td>
			<td>94-96</td>
		</tr>
<tr>
<td>Dicke</td>
			<td>μm</td>
			<td>50±2</td>
			<td>50±3</td>
		</tr>
<tr>
<td>Lösungsmittel</td>
			<td>-</td>
			<td>Dimethylacetamid (DMAc)</td>
			<td>N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabelle 1: Eigenschaften von Membranen. Zusammenfassung der Eigenschaften der Kationenaustausch- und Anionenaustauschmembran.
3. Herstellung der umgekehrten Elektrodialyse
<ol><li>
Montage von RED Stack
	<ol>
<li>Herstellung einer Modelllösung mit 0,6 M NaCl für hohe Konzentration (HC) und 0,01 M NaCl für Kompartimente mit niedriger Konzentration (LC)12. HINWEIS: Hier wird Flusswasser als Salzlösung mit niedriger Konzentration und Meerwasser als Salzlösung mit hoher Konzentration dargestellt.</li>
		<li>Bereiten Sie 5 L Lösung mit hoher Konzentration und niedriger Konzentration in einem großen Behälter vor, der mit den Röhrchen verbunden ist. Halten Sie die Lösungen mindestens 2 h bei Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur) rührend, bevor sie im RED-Stack verwendet werden.</li>
		<li>Die Mischung aus 0,05 M [Fe(CN)6]-3/[Fe(CN)6]-4 und 0,3 M NaCl in 500 mL Wasser wird als Spüllösung für RED vorbereitet.</li>
		<li>Verbinden Sie alle drei Lösungsbehälter mit RED Stack unter Verwendung von Gummischläuchen durch die Peristaltikpumpe und manometer. Verwenden Sie das Röhrchen der Größe L / S 16 für die Spüllösung und verwenden Sie das Röhrchen der Größe L / S 25 für HC- und LC-Lösung.</li>
		<li>Um einen RED-Stapel herzustellen, nehmen Sie zwei Endplatten aus Polymethylmethacrylat (PMMA). Verbinden Sie beide Endplatten horizontal von Angesicht zu Angesicht mit Muttern, Schrauben und Unterlegscheiben mit 25 Nm Kraft über einen digitalen Schraubenschlüsseltreiber. Die Dicke der PMMA-Endplatten 3 cm und der Weg der Strömungskanäle wurden in Platten für HC, LC und Spüllösung von einem Bohrer2entworfen.</li>
		<li>Zwei Netzelektroden aus Metall Titan (Ti), beschichtet mit einer Mischung aus Iridium (Ir) und Ruthenium (Ru), in einem Verhältnis von 1:1 platzieren und am Ende der PMMA-Platten platzieren. Beide Endelektroden sind mit dem Krokodilclip des Quellenmessgeräts verbunden. HINWEIS: Beide PMMA-Endplatten sind mit Netzelektroden ausgestattet, beide Elektroden wurden mit einem quadratischen Abstandshalter geschichtet und die PMMA-Endplatte mit einer Gummidichtung nach innen bedeckt. Danach werden CEM und AEM abwechselnd platziert, getrennt durch Silikondichtung und Abstandhalter, wie in Abbildung 3 dargestellt.</li>
		<li>Installieren Sie Siliziumdichtungen, Polymer-Abstandhalter und Ionenaustauschmembranen (CEM und AEM) Schicht für Schicht, wie im schematischen Diagramm Abbildung 4 und Abbildung 5dargestellt. Stellen Sie sicher, dass der aktive Bereich der Elektroden, beide Membranen, äußerer und innerer Abstandhalter, äußere und innere Dichtung 7 x 7 = 49 cm2beträgt.</li>
		<li>Übergeben Sie Hochkonzentrations- und Niedrigkonzentrationslösungen aus den jeweiligen Kompartimenten durch Peristaltikpumpen, wie im schematischen Diagramm in Abbildung 4dargestellt.</li>
		<li>Zirkulieren Sie die Spüllösung in den äußeren Elektroden- und Membrankompartimenten im Rezirkulationsmodus mit Peristaltikpumpen. Die für die Spüllösung verwendete Durchflussmenge beträgt 50 mL min-1.</li>
		<li>Für die Analyse der Leistung jeder Membran wird eine feste Durchflussrate verwendet. In diesem Experiment haben wir 100 ml min-1 durch eine Peristaltikpumpe verwendet.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig04.jpg"> Abbildung 4: Schematische Darstellung der Rohrverbindung mit umgekehrtem Elektrodialysestapel. Anschluss der umgekehrten Elektrodialyse mit Peristaltikpumpen, hochkonzentriertem Lösungsbehälter, niedrigkonzentriertem Lösungsbehälter, Spüllösungsbehälter und Entsorgungslösungsbehälter. Es zeigt auch die Ausrichtung des Abstandhalters sowohl mit einer Anionenaustauschmembran (AEM) als auch mit einer Kationenaustauschmembran (CEM). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig04large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig05.jpg"> Abbildung 5: Schematische Darstellung der verschiedenen Schichten im umgekehrten Elektrodialyseaufbau. (a) Querschnittsansicht einer schematischen Darstellung der umgekehrten Elektrodialyse zeigt die Fließrichtung der hochkonzentrierten Lösung, der niedrig konzentrierten Lösung und der Elektrodenspüllösung. Andere Komponenten wie Elektroden, äußere und innere Dichtungen, äußere und innere Abstandhalter, Kationenaustauschmembran und Anionenaustauschmembran. (b) Vorderansicht des Stapels, die die Fließrichtung einer Lösung anzeigt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig05large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
4. Messung der umgekehrten Elektrodialyse
<ol><li>
Leistungsberechnung
	<ol>
<li>Lassen Sie die hohe Konzentration, die niedrige Konzentration und die Spüllösung mindestens 5 Minuten durch den Stapel laufen. Messen Sie die RED-Ausgangsleistung mit einem Quellenmessgerät, das mit beiden Elektroden des RED-Stacks13verbunden ist.</li>
		<li>Berechnen Sie die Strom-Spannungs-Eigenschaften des RED-Stacks in Bezug auf die Leistungsdichte mit der Galvanostat-Methode. HINWEIS: Bei der Galvanostat-Methode wird ein konstanter Strom über Elektroden angelegt und misst den resultierenden Strom. Der resultierende Strom ist der Strom, der durch die elektrochemische Reaktion im Stack erzeugt wird. Die Messung erfolgt unter 0,05 V statischer Spannung mit einem festen Sweep-Strom von 10 mA.</li>
		<li>Die maximale Leistungsdichte für den RED-Stack wird mit Hilfe der folgenden Gleichung 1 gemessen. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/62309/62309eq2.jpg">(1) Hier ist Pmax die maximale Leistungsdichte des RED-Stacks(Wm-2),U-Stack ist die Spannung (V), die von der Membran im Stack erzeugt wird,I-Stack ist der aufgezeichnete Strom (A) und Amem ist der aktive Bereich der Membranen (m2).</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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<li>Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+mixing+in+the+diffusive+boundary+layer+for+energy+generation+in+reverse+electrodialysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Membrane+Science%22%5BJournal%5D)">Enhanced mixing in the diffusive boundary layer for energy generation in reverse electrodialysis.</a> Journal of Membrane Science. 453, 312-319 (2014).</li>
<li>Moreno, J., Grasman, S., van Engelen, R., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Upscaling+reverse+electrodialysis%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Upscaling reverse electrodialysis.</a> Environmental Science & Technology. 52, 10856-10863 (2018).</li>
<li>Sarkar, S., SenGupta, A. K., Prakash, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+donnan+membrane+principle%3A+opportunities+for+sustainable+engineered+processes+and+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">The donnan membrane principle: opportunities for sustainable engineered processes and materials.</a> Environmental Science & Technology. 44, 1161-1166 (2010).</li>
<li>Kim, H. -K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+power+density+of+reverse+electrodialysis+with+pore-filling+ion+exchange+membranes+and+a+high-open-area+spacer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry+A%22%5BJournal%5D)">High power density of reverse electrodialysis with pore-filling ion exchange membranes and a high-open-area spacer.</a> Journal of Materials Chemistry A. 3, 16302-16306 (2015).</li>
<li>Długołęcki, P., Nymeijer, K., Metz, S., Wessling, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+status+of+ion+exchange+membranes+for+power+generation+from+salinity+gradients%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Membrane+Science%22%5BJournal%5D)">Current status of ion exchange membranes for power generation from salinity gradients.</a> Journal of Membrane Science. 319, 214-222 (2008).</li>
<li>Geise, G. M., Curtis, A. J., Hatzell, M. C., Hickner, M. A., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Salt+concentration+differences+alter+membrane+resistance+in+reverse+electrodialysis+stacks%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology+Letters%22%5BJournal%5D)">Salt concentration differences alter membrane resistance in reverse electrodialysis stacks.</a> Environmental Science & Technology Letters. 1, 36-39 (2014).</li>
</ol>

Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.

Das Funktionsprinzip des RED wird hauptsächlich von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Membran dominiert, die ein entscheidender Teil des RED-Systems sind, wie in Abbildung 3dargestellt. Hier beschreiben wir die grundlegenden Eigenschaften der Membran für die Bereitstellung eines leistungsstarken RED-Systems. Die spezifische Ionenpermeabilität der Membran führt dazu, dass eine Art von Ionen durch ihren Polymer-Nanokanal führt. Wie der Name schon sagt, kann CEM Kation von einer Sei...

Energy Harvesting aus natürlichen Ressourcen ist eine wirtschaftliche Methode, die umweltfreundlich ist und dadurch unseren Planeten grün und sauber macht. Bisher wurden mehrere Verfahren zur Energiegewinnung vorgeschlagen, aber die umgekehrte Elektrodialyse (RED) hat ein enormes Potenzial, das Problem der Energiekrise zu überwinden1. Die Stromerzeugung aus der umgekehrten Elektrodialyse ist ein technologischer Durchbruch für die Dekarbonisierung der globalen Energie. Wie der Name schon sagt, ist RED ein umgekehrter Prozess, bei dem das alternative Zellkompartiment mit der hochkonzentrierten Salzlösung und der niedrig konzentrierten Salzlösung2gefüllt wird. Das chemische Potential, das durch die Salzkonzentrationsdifferenz über die Ionenaustauschmembranen erzeugt wird, die von den Elektroden am Kompartmentende gesammelt werden.
Seit dem Jahr 2000 wurden viele Forschungsartikel veröffentlicht, die theoretisch und experimentell Einblick in die RED geben3,4. Systematische Untersuchungen der Betriebsbedingungen und Zuverlässigkeitsstudien unter Stressbedingungen verbesserten die Stack-Architektur und verbesserten die Gesamtzellleistung. Mehrere Forschungsgruppen haben ihre Aufmerksamkeit auf die hybride Anwendung von RED gelenkt, wie RED mit Entsalzungsprozess5, RED mit Solarenergie6, RED mit Umkehrosmose (RO) Prozess5, RED mit der mikrobiellenBrennstoffzelle 7und RED mit dem Strahlungskühlprozess8. Wie bereits erwähnt, gibt es viel Spielraum bei der Implementierung der Hybridanwendung von RED, um das Energie- und Sauberwasserproblem zu lösen.
Es wurden mehrere Methoden eingesetzt, um die Leistung der ROTEN Zelle und die Ionenaustauschkapazität der Membran zu verbessern. Die Anpassung der Kationenaustauschmembranen mit verschiedenen Arten von Ionenunter Verwendung der Sulfonsäuregruppe (-SO3 H), der Phosphonsäuregruppe (-PO3H2) und der Carbonsäuregruppe (-COOH) ist eine der effektivsten Möglichkeiten, die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Membran zu verändern. Anionenaustauschmembranen sind mit Ammoniumgruppen ( <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62309/62209eq1.jpg"> )9zugeschnitten. Die hohe Ionenleitfähigkeit von AEM und CEM ohne Verschlechterung der mechanischen Festigkeit der Membran ist der wesentliche Parameter für die Auswahl einer geeigneten Membran für die Geräteanwendung. Die robuste Membran unter Belastungsbedingungen verleiht der Membran mechanische Stabilität und erhöht die Haltbarkeit des Geräts. Hier wird eine einzigartige Kombination aus hochleistungsstarkem freistehendem sulfoniertem Poly(Etheretherketon) (sPEEK) als Kationenaustauschmembranen mit FAA-3 als Anionenaustauschmembranen in der RED-Anwendung eingesetzt. Abbildung 1 zeigt das Flussdiagramm des experimentellen Verfahrens.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig01.jpg"> Abbildung 1: Prozedurdiagramm. Das Flussdiagramm zeigt das Verfahren zur Herstellung der Ionenaustauschmembran, gefolgt vom Verfahren zur Messung der umgekehrten Elektrodialyse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

<table><tbody><tr><td>AEM-basierte Membran</td><td>Fumion</td><td>P1810-194</td><td>Ionomer</td></tr><tr><td>CEM-basierte Membran</td><td>Fumion</td><td>E550</td><td>Ionomer</td></tr><tr><td>Digitaler Drehmomentschlüssel</td><td>Torqueworld</td><td>WP2-030-09000251</td><td>Schlüssel</td></tr><tr><td>Labview Software</td><td>Natiaonal</td> <td>Instrument-Software</td><td></td></tr> <tr><td>Laptop</td><td>LG-PC</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Magnetrührer</td><td>Lab</td><td></td> <td>Companion-MS-17BB</td></tr><tr><td>N, N-Dimethylacetamid</td><td>Sigma aldrich</td><td>271012</td><td>Chemikalie</td></tr><tr><td>N-Methyl-2-pyrrolidon</td><td>Daejung</td><td>872-50-4</td><td>Chemische</td></tr><tr><td>Schlauchpumpe</td><td>EMS tech</td> <td>Inc-EMP</td> <td>2000W</td></tr><tr><td>Kaliumhexacyanoferrat(II)-Trihydrat</td><td>Sigma aldrich</td><td>P3289</td><td>Chemisches</td></tr><tr><td>Kalium Hexacyanoferrat(III)</td><td>Sigma aldrich</td><td>244023</td><td>Chemisches</td></tr><tr><td>Manometer</td><td>Swagelok-Guage</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Reverse-Elektrodialyse-Aufbau</td><td>, hergestellt im Labor</td> <td>- Gerät</td> <td>RO-System</td></tr> <tr><td>reines Wasser</td><td>KOTITI-Water</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Rotationsverdampfer</td><td>Hitachi</td><td>YEFO-KTPM</td><td>Induktionsmotor</td></tr><tr><td>Natriumchlorid</td><td>Sigma aldrich</td><td>S9888</td><td>Chemisches</td></tr><tr><td>Natriumhydroxid</td><td>Merk</td><td>1310-73-2</td><td>Chemisches Quellenmessgerät</td></tr><tr><td></td><td>Keithley-2410</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Spacer</td><td>Nitex, SEFAR</td><td>06-250/34</td><td>Spacer</td></tr><tr><td>Schwefelsäure</td><td>Daejung</td><td>7664-93-9</td><td>Chemisches</td></tr><tr><td>Rohr Masterflex</td><td>Rohr</td><td>96410-25</td><td>Gummischlauch</td></tr></tbody></table>

ionenaustauschmembranen für die herstellung von reverse electrodialysegeräten

Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device

Die umgekehrte Elektrodialyse (RED) ist eine effektive Möglichkeit, Strom zu erzeugen, indem zwei verschiedene Salzkonzentrationen in Wasser mit Kationenaustauschmembranen (CEM) und Anionenaustauschmembranen (AEM) gemischt werden. Der RED-Stack besteht aus einer abwechselnden Anordnung der Kationenaustauschmembran und der Anionenaustauschmembran. Das RED-Gerät fungiert als potenzieller Kandidat für die Erfüllung der universellen Nachfrage nach zukünftigen Energiekrisen. Hier, in diesem Artikel, demonstrieren wir ein Verfahren zur Herstellung eines reversen Elektrodialysegeräts mit CEM und AEM im Labormaßstab für die Stromerzeugung. Die aktive Fläche der Ionenaustauschmembran beträgt 49cm2. In diesem Artikel stellen wir eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Synthese der Membran vor, gefolgt von der Montage und Leistungsmessung des Stacks. Die Messbedingungen und die Berechnung der Nettoleistungsabgabe wurden ebenfalls erläutert. Darüber hinaus beschreiben wir die grundlegenden Parameter, die berücksichtigt werden, um ein zuverlässiges Ergebnis zu erzielen. Wir liefern auch einen theoretischen Parameter, der die Gesamtzellleistung in Bezug auf die Membran und die Zuführlösung beeinflusst. Kurz gesagt, dieses Experiment beschreibt, wie RED-Zellen auf derselben Plattform zusammengesetzt und gemessen werden können. Es enthält auch das Funktionsprinzip und die Berechnung, die zur Schätzung der Nettoleistung des RED-Stacks mit CEM- und AEM-Membranen verwendet werden.

Netto-Ausgangsleistung Red Cell erzeugt im Allgemeinen elektrische Energie aus dem Salzgehaltsgradienten der Salzlösung, d.h. der Bewegung der Ionen in die entgegengesetzte Richtung durch die Membran. Um den RED-Stapel korrekt zusammenzusetzen, müssen alle Schichten, einschließlich Elektroden, Dichtungen, Membranen und Abstandshalter im Stapel, sorgfältig ausgerichtet werden, wie im schematischen Diagramm in Abbildung 4 und Abbildung 5gezeigt...

Wir demonstrieren die Herstellung eines reversen Elektrodialysegeräts unter Verwendung einer Kationenaustauschmembran (CEM) und einer Anionenaustauschmembran (AEM) zur Stromerzeugung.

Ionenaustauschmembranen für die Herstellung von Reverse Electrodialysegeräten

Reverse electrodialysis (RED) is an effective way to generate power by mixing two different salt concentrations in water using cation-exchange membranes ...

Dieses Protokoll ist eine geräuschfreie, saubere und nachhaltige Art der Energiegewinnung. Es kann das Problem der Energiekrise leicht lösen, indem es den Salzgehaltsgradienten des Wassers in Elektrizität umwandelt. Das Verfahren bietet eine direkte Liste zur Erweiterung großflächiger Membranen mit hervorragenden physikalisch-chemischen Eigenschaften zur Erzeugung effizienter Energie mit RED.Die Ausgangsleistung des RED-Geräts kann skaliert werden und die Membran kann in anderen elektrochemischen Geräten wie Phorese- und Redox-Flow-Batterien verwendet werden. Homogene Lösungsvorbereitung, Filtration, Trocknung, Kontrolltechniken, Waschen, Membranbehandlung, regulieren die reproduzierbare Membranleistung. Die Stapelausrichtung und Druckabfalloptimierung sind entscheidend für die Herstellung einer stabilen Geräteleistung.Um eine Kationenaustauschmembran vorzubereiten, fügen Sie 5% sulfinitierte Polyetheretherketonfasern in einen 250 Milliliter Rundkolben hinzu und lösen Die Fasern in Dimethylacetamid-Lösungsmittel. Schütteln Sie dann den Kolben 10 Minuten lang, so dass sich alle Ionomerpolymere auf dem Boden des Kolbens absetzen. Die Mischung in ein Silikonölbad mit einem magnetischen Rührstab geben und die Lösung mit 500 Umdrehungen pro Minute 24 Stunden bei 80 Grad Celsius kräftig umrühren, um eine homogene Lösung zu erhalten.Am nächsten Tag filtern Sie 30 Milliliter der Lösung durch einen 0,45 Mikrometer PTFE-Filter in eine kreisförmige Glasschale mit einem Durchmesser von 18 Zentimetern. Verwenden Sie ein Luftgebläse, um Blasen zu entfernen, bevor Sie die Schüssel für 24 Stunden bei 90 Grad Celsius in den Ofen stellen, um eine etwa 50 Mikrometer dicke freistehende Membran zu erzeugen. Um die freistehende Membran zu extrahieren, füllen Sie die Schüssel mit warmem destilliertem Wasser.Nach 10 Minuten löst sich die freistehende Membran von der Schüssel. Um die Membran zu aktivieren, tauchen Sie die Membran zwei Stunden lang bei 80 Grad Celsius in eine molare Schwefelsäurelösung, gefolgt von mindestens drei 10-minütigen Wäschen mit einem Liter destilliertem Wasser bei Raumtemperatur pro Waschgang. 10 % Gewichtsprozent FAA-3-Ionomerlösung in NMP-Lösungsmittel für zwei Stunden bei Raumtemperatur und 500 Umdrehungen pro Minute auflösen.Am Ende der Inkubation etwa 30 Milliliter Lösung durch ein 100 Mikron Porensieb in eine 18 Zentimeter große Glas-Petrischale filtrieren. Nachdem Sie alle Luftblasen entfernt haben, stellen Sie das Gericht für 24 Stunden in einen 100-Grad-Celsius-Ofen. Verwenden Sie heißes destilliertes Wasser, um die getrocknete Membran wie gezeigt zu extrahieren und aktivieren Sie die Membran in einem Liter Natriumhydroxid für zwei Stunden.Anschließend waschen Sie die aktivierte Membran dreimal mit einem Liter destilliertem Wasser pro Waschgang, wie gezeigt. Schneiden Sie nach der Aktivierung die Kationen- und Anionenaustauschmembranen auf 49 Quadratzentimeter. Um einen RED-Stack herzustellen, positionieren Sie eine drei Zentimeter dicke PMMA-Platte mit der Elektrode nach oben und legen Sie eine Gummidichtung und einen Abstandshalter auf die Elektrode.Legen Sie die Kationenaustauschmembran und die Anionenaustauschmembran auf beide Seiten der Dichtung. Legen Sie eine Silikondichtung und einen Abstandhalter auf jede Membran und legen Sie eine zweite PMMA-Platte auf die zweite Schicht von Abstandshaltern und Dichtungen. Verwenden Sie dann einen digitalen Schraubenschlüsselantrieb mit einer Kraft von 25 Newtonmetern, um das Setup mit Muttern, Schrauben und Unterlegscheiben zu sichern.Wenn der Stapel zusammengebaut ist, legen Sie eine Titannetzelektrode, die mit einer Eins-zu-Eins-Mischung aus Iridium und Ruthenium beschichtet ist, an das Ende jeder Platte und verwenden Sie Krokodilklemmen, um die Elektroden mit dem Quellmessgerät zu verbinden. Mindestens zwei Stunden vor der Analyse fünf Liter einer 0,01 molaren natriumchloridarmen Lösung und fünf Liter einer 0,6 molaren Natriumchloridlösung in einzelne große Behälter geben, die an eine Peristaltikpumpe angeschlossen sind, und die Lösungen kontinuierlich bei Raumtemperatur umrühren. Um die RED-Analyse durchzuführen, fügen Sie 0,05 molare Spüllösung in einen dritten Behälter hinzu und verwenden Sie Gummischläuche, um alle drei Behälter durch die Peristaltikpumpe und manometer mit der RED-Baugruppe zu verbinden.Stellen Sie die Durchflussrate der Spüllösung auf 50 Milliliter pro Minute und die Durchflussrate der Salzlösungen auf 100 Milliliter pro Minute ein und überprüfen Sie den Schlauch, um Querstrom oder Leckagen zu vermeiden. Führen Sie eine Manometermessung durch, um sicherzustellen, dass der Messwert stabil ist. Nachdem die Lösungen mindestens fünf Minuten lang durch den Stack gelaufen sind, verwenden Sie ein Quellenmessgerät, das an beide Elektroden und an den RED-Stack angeschlossen ist, um die Leistung der umgekehrten Elektrodialyse mit der Galvanostat-Methode zu messen.Das umgekehrte Elektrodialysegerät fungiert als potenzieller Kandidat für die Erfüllung der universellen Nachfrage nach zukünftigen Energiekrisen. Die Differenz im Salzgehaltsgradienten der Salzkonzentration führt zur Leerlaufspannung, die vom Innenwiderstand des umgekehrten Elektrodialysestapels abhängt. In dieser Analyse betrug die maximale Leistungsdichte für den umgekehrten Elektrodialyse-Stack etwa 0,7 Watt pro Quadratmeter und die berechnete Nettoleistungsdichte etwa 0,65 Watt pro Quadratmeter bei einer festen Durchflussrate.Wie beobachtet, stieg die Leistungsdichte der Zelle zunächst auf den maximalen Stromdichtewert an, bevor sie als Reaktion auf eine Erhöhung des Innenwiderstands des RED-Stacks abfiel. Es ist wichtig, den Schlauchanschluss, den Lösungsquerfluss und die Flüssigkeiten regelmäßig zu überprüfen, um eine effiziente und stabile Leistung zu erzielen. Die Herstellung einer gleichmäßigen großflächigen Membran destabilisiert die Zellleistung, ohne die Membran und die Lösungsleckage zu verschmutzen.Darüber hinaus arbeitet es effizient unter Stressbedingungen.

ion-exchange-membranes-for-fabrication-reverse-electrodialysis

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Wir demonstrieren die Extraktion von Ammonium aus einem ammoniumreichen Strom mit Hilfe eines elektrochemischen und eines bioelektrochemischen Systems. Der Aufbau des Reaktors, der Betrieb und die Datenanalyse werden besprochen.

Elektrochemisch und Bioelectrochemically Induzierte Ammonium Erholung

Dieses Manuskript zeigt den Herstellungsprozess für die Herstellung von dielektrischen Elastomer-Weichantrieben auf Basis von Silikonmembranen. Die drei wichtigsten Produktionsschritte werden im Detail vorgestellt: Klingenguss von dünnen Silikonmembranen; Tampondruck von nachgiebigen Elektroden; und die Montage aller Komponenten.

Herstellungsverfahren einer Silikonbasis Dielectric Elastomer Actuators

Das Protokoll für eine neuartige Ionenkonzentrationspolarisation (ICP) Plattform, die die Ausbreitung der ICP Zone stoppen kann, unabhängig von den Betriebsbedingungen beschrieben. Diese einzigartige Fähigkeit der Plattform liegt in der Verwendung von Ionenerschöpfungs und Anreicherung verschmelzenden, die zwei Polaritäten des ICP Phänomen sind.

Zusammenführen von Ionenkonzentration Polarisierung zwischen Juxtaposed Ionenaustauschermembranen zu blockieren die Ausbreitung der Polarisations Zone

Die Berichtigung von Ion Transportwege ist eine effektive Methode um ein-seitige Ion gezogen Electrohydrodynamic Ströme zu erzeugen. Durch die Festlegung einer Ionen-Austausch-Membran in einen Strömungskanal, ein elektrisch polarisierter Zustand wird erzeugt und führt zu einem Flüssigkeitsstrom Gefahren werden, wenn ein elektrisches Feld extern angewendet wird.

Erzeugung und Kontrolle der Electrohydrodynamic fließt in wässrigen Elektrolytlösungen

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Beschrieben wird ein Verfahren zum dauerhaften Verkleben von zwei Siliziumwafern, um ein einheitliches Gehäuse zu realisieren. Dazu gehören Wafervorbereitung, Reinigung, RT-Bindung und Glühprozesse. Die resultierenden gebundenen Wafer (Zellen) haben eine Gleichmäßigkeit des Gehäuses von 1%1,2. Die resultierende Geometrie ermöglicht Messungen von geschlossenen Flüssigkeiten und Gasen.

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Erfahren Sie die Herstellung von Ionenaustauschmembranen für Reverse-Elektrodialysegeräte zur nachhaltigen Energiegewinnung aus Salinitätsgradienten. Dieses Protokoll demonstriert Membransynthese, Stack-Assemblierung und Leistungsmessung.

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