発電用のカチオン交換膜(CEM)とアニオン交換膜(AEM)を用いた逆電気透析装置の製造を実証する。
このコンテンツを表示するには、JoVEへの購読が必要です。 または、無料トライアルをお申し込みください。
この記事について
サマリー
要約
逆電気透析(RED)は、カチオン交換膜(CEM)と陰イオン交換膜(AEM)を用いて、水内の2つの異なる塩濃度を混合して発電する有効な方法です。REDスタックは、カチオン交換膜とアニオン交換膜の交互配置で構成されています。REDデバイスは、将来のエネルギー危機に対する普遍的な需要を満たす潜在的な候補として機能します。ここでは、この記事では、実験室規模のCEMとAEMを用いて、電力生産用の逆電気透析装置を製造する手順を示します。イオン交換膜の活性領域は49cm2である。この記事では、膜を合成するためのステップバイステップの手順を提供し、その後にスタックのアセンブリと電力測定を行います。測定条件や正味出力の計算についても説明しました。さらに、信頼できる結果を得るために考慮される基本的なパラメータについて述べています。また、膜と飼料溶液に関する細胞性能全体に影響を与える理論的パラメータも提供します。つまり、この実験では、同じプラットフォーム上で RED 細胞を組み立て、測定する方法を説明します。また、CEMおよびAEM膜を使用してREDスタックの正味出力を推定するために使用される作業原理と計算が含まれています。
概要
天然資源からのエネルギー収穫は、環境にやさしい経済的方法であり、それによって私たちの惑星を緑と清潔にします。これまでエネルギーを抽出するためにいくつかのプロセスが提案されてきたが、逆電気透析(RED)はエネルギー危機問題1を克服する大きな可能性を秘めている。リバース電気透析による電力生産は、世界のエネルギーの脱炭素化のための技術的なブレークスルーです。名前が示すように、REDは逆のプロセスであり、代替セルコンパートメントは高濃縮塩溶液と低濃縮塩溶液2で満たされる。イオン交換膜全体の塩濃度差によって発生する化学的電位を、コンパートメント端の電極から採取する。
2000年以来、多くの研究記事が出版され、理論的には、理論的には、実験的に3、4に関する洞察を提供しています。ストレス条件下での動作条件と信頼性の研究に関する系統的研究は、スタックアーキテクチャを改善し、全体的な細胞性能を向上させました。いくつかの研究グループは、赤淡水化プロセス5、太陽光発電6のRED、逆浸透(RO)プロセス5のRED、微生物燃料電池
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
プロトコル
1. 実験要件
- イオン交換用アイオノマーポリマー、E-550スルホンドPEEKポリマー繊維を購入し、CEMおよびFAA-3を調製してAEMを調製します。すべてのアイオノマーポリマーは、使用前に清潔で乾燥した、ほこりのない環境に保管されていることを確認してください。
- 分子量99.13gモル-1 およびN、N-ジメチルアセトアミド、均質なアイオノマー溶液を調製するためのN-メチル-2-ピロリドンを含む高純度(>99%)溶媒を使用してください。すべての分析グレードの化学物質と溶剤は、それ以上の精製なしに受け取った膜の調製に使用されることを確認してください。
- 膜の活性化プロセスの後、すぐにより良い性能のために0.5 M NaCl溶液にすべての膜を浸す。両方の膜の活性化後、乾燥は必要ありません。抵抗率を有する水は、膜の合成全体を通して室温で18.2MΩである。
- 乾燥膜を使用して膜特性を特徴付けます。イオン交換能力、イオン伝導性、厚さ、熱解析、表面形態などの特性評価技術およびその物理化学的特性の詳細な説明は、文献10,11に示されているとおりである。
- 図 2に示すように、カッターを使用して、CEM と AEM の膜を、49 cm2
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
結果
正味電力出力
REDセルは一般に塩溶液の塩分の勾配から電気エネルギーを発生する、すなわち、膜を通る反対方向のイオンの動き。RED スタックを正しく組み立てるには、図 4および図 5の概略図に示すように、スタック内のすべての層 (電極、ガスケット、膜、スペーサーなど) を慎重に配置する必要があります。スタックが完全に整列していない場合、(i)HCとLC溶液のクロスフローがスタック内で発生し、(ii)スタック内の溶液の漏れが発生する可能性があります。実際の出力測定を開始する前に、両方の問題を解消する必要があります。HCおよびLC溶液の流量、ポンプ圧力、電圧を印加するなど、その他のパラメータを固定して、効率的な出力を得る必要があります。REDスタックの正味電力を推定するには、得られた正味電力10から水力学的な電力損失を差し引く必要があります。最大出力出力は、得られた電圧と電流を掛けることで、REDスタックから得られます。これに対して、膜対.......
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
ディスカッション
REDの働き原理は、 図3に示すように、主に赤システムの重要な部分である膜の物理化学的性質によって支配されている。ここでは、高性能なREDシステムを実現するための膜の基本的な特性について述べる。膜のイオン透過性は、ポリマーナノチャネルを介して1種類のイオンを通過させます。名前が示すように、CEMは一方の側から別の側にカチオンを渡し、アニオンを制限することができますが、AEMはアニオンを渡してカチオンを制限することができます。 図2に示すように、すべての膜は、流れ溶液用の入口および出口通路を含むREDスタックサイズに成形された。膜を通して交換されるイオンの量は、膜の導電性に直接比例し、したがって、スタック24の出力出力。イオン交換膜内のイオンの動きは、ドナン排除原理25に作用する。ポリマー骨格に付着した電荷基は、溶液中に存在する同じ電荷を反発する。したがって、電荷密度が大きいほど反発が起き、通常はパーマ選択性に依存します。一般.......
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
開示事項
著者らは利益相反を宣言しない。
謝辞
この研究は、韓国政府(MEST)が資金を提供する韓国国立研究財団(NRF)助成金(No.NRF-2017R1A2A2A05001329)。原稿の著者は、朝江大学、ソウル、韓国に感謝しています。
....アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| AEMベースのメンブレン | Fumion | P1810-194 | アイオノマー |
| CEMベースのメンブレン | Fumion | E550 | アイオノマー |
| デジタルトルクレンチ | Torqueworld | WP2-030-09000251 | レンチ |
| Labviewソフトウェア | Natiaonal | Instrument-Software | |
| ラップトップ | LG-PC | ||
| マグネチックスターラー | ラボコンパニオン | - | MS-17BB |
| N、N-ジメチルアセトアミド | シグマ アルドリッチ | 271012 | 化学 |
| N-メチル-2- ピロリドン | 大中 | 872-50-4 | 化学 |
| 蠕動ポンプ | EMS tech | Inc-EMP 2000W | |
| ヘキサシアノフェレートカリウム(II) 三水和物 | シグマ アルドリッチ | P3289 | 化学 |
| カリウムヘキサシアノフェレート(III) | Sigma aldrich | 244023 | 化学 |
| 圧力計 | Swagelok-Guage | ||
| ラボで製造された | 逆電気透析セットアップ | ||
| ROシステム 純水 | KOTITI | - | 水 |
| ロータリーエバポレーター | 日立 | YEFO-KTPM | 誘導電動機 |
| 塩化ナトリウム | シグマ アルドリッチ | S9888 | 化学 |
| 水酸化ナトリウム | Merk | 1310-73-2 | 化学 |
| 源計 | Keithley-2410 | ||
| スペーサー | ナイテックス、SEFAR | 06-250/34 | スペーサー |
| 硫酸 | 大中 | 7664-93-9 | ケミカル |
| チューブ | マスターフレックスチューブ | 96410-25 | ゴムチューブ |
参考文献
- 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.
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
再版と許可
