역전기분해 장치 제조를 위한 이온 교환 멤브레인

요약

우리는 발전용 양이온 교환 멤브레인(CEM)과 음이온 교환 멤브레인(AEM)을 이용하여 역전기분해 장치의 제조를 시연한다.

초록

역전기분해(RED)는 양이온 교환멤브레인(CEM)과 음이온 교환 멤브레인(AEM)을 이용하여 물에 2개의 상이한 염농도를 혼합하여 전력을 생성하는 효과적인 방법입니다. RED 스택은 양이온 교환 멤브레인 및 애니온 교환 멤브레인의 교대 배열로 구성됩니다. RED 장치는 미래의 에너지 위기에 대한 보편적 인 수요를 충족시키기위한 잠재적 인 후보자 역할을합니다. 여기서, 이 문서에서는 전력 생산을 위해 실험실 규모의 CEM 및 AEM을 사용하여 역전기분해 장치를 제조하는 절차를 시연합니다. 이온 교환 멤브레인의 활성 영역은 49cm^2입니다. 이 문서에서는 멤브레인을 합성하는 단계별 절차를 제공하며, 그 다음에스택의 조립 및 전력 측정을 제공합니다. 측정 조건과 순 전력 출력 계산도 설명되었습니다. 또한 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해 고려되는 기본 매개 변수를 설명합니다. 우리는 또한 막 및 공급 용액과 관련된 전반적인 세포 성능에 영향을 미치는 이론적 매개 변수를 제공합니다. 요컨대, 이 실험은 동일한 플랫폼에서 RED 셀을 조립하고 측정하는 방법을 설명합니다. 또한 CEM 및 AEM 멤브레인을 사용하여 RED 스택의 순 전력 출력을 추정하는 데 사용되는 작업 원리 및 계산도 포함되어 있습니다.

서론

천연 자원에서 에너지 수확은 환경 친화적 인 경제적 인 방법이며, 따라서 우리의 행성을 녹색과 깨끗하게 만듭니다. 지금까지 에너지를 추출하기 위해 여러 공정이 제안되었지만 역전기투약(RED)은 에너지 위기 문제^1을극복할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있다. 역 전기 투약의 전력 생산은 글로벌 에너지의 탈탄소화를 위한 기술적 돌파구입니다. 이름에서 알 수 있듯이 RED는 대체 세포 구획이 고농축 염액과 저농축 염액^2로채워진 역공정이다. 이온 교환 멤브레인을 가로지르는 염분 농도 차이에 의해 생성되는 화학적 전위, 구획 끝에 있는 전극에서 채취하였다.

2000년 이래로 많은 연구 논문이 발표되어 이론적으로 및 실험적으로^RED에대한 통찰력을^3,4로나타왔습니다. 스트레스 조건 하에서 의 작동 조건 및 신뢰성 연구에 대한 체계적인 연구는 스택 아키텍처를 개선하고 전반적인 세포 성능을 향상시켰습니다. 여러 연구그룹은 담수화 공정^5,태양광^6을장착한 레드, 역삼투(RO) 공정

프로토콜

1. 실험 요구 사항

1. 이온 교환 이오노머 폴리머, E-550 sulfonated-PEEK 폴리머 섬유를 구입하여 CEM 및 FAA-3을 준비하여 AEM을 준비하십시오. 모든 이오노머 폴리머는 사용하기 전에 깨끗하고 건조하며 먼지가 없는 환경에 보관되도록 하십시오.
2. 분자량 99.13g 몰^-1 및 N, N-Dimethylacetamide분자량 87.12를 함유한 N-메틸-2-피롤리돈 등 고순도(>99%) 용매를 사용하여 균일한 이오노머 용액을 제조한다. 모든 분석 등급 화학 물질과 용매가 더 이상 정제없이 수신된 멤브레인 제제에 사용되도록 하십시오.
3. 멤브레인의 활성화 과정 후, 즉시 더 나은 성능을 위해 0.5 M NaCl 솔루션에 모든 멤브레인을 몰입. 두 멤브레인의 활성화 후 건조가 필요하지 않습니다. 저항을 가진 물은 실온에서 18.2 MΩ이 멤브레인의 합성을 통해 사용하였다.
4. 건식 멤브레인을 사용하여 멤브레인 특성을 특성화합니다. 특성화 기술 및 이온 교환 용량, 이온 전도도, 두께, 열 분석 및 표면 형태와 같은 그 물리화학적 특성에 대한 상세한 설명은^{문헌(10,11)에}나와 있다.
....

결과

순 출력
RED 셀은 일반적으로 염액의 염분 그라데이션, 즉 멤브레인을 통해 반대 방향으로 이온의 움직임으로부터 전기 에너지를 생성합니다. RED 스택을 올바르게 조립하려면 도 4 및 도 5의회로도 다이어그램에서 설명한 것처럼 전극, 개스킷, 멤브레인 및 스페이서를 포함한 모든 층을 신중하게 정렬해야 합니다. 스택이 완벽하게 정렬되지 않으면 (i) HC 및 LC 솔루션 크로스플로가 스택에서 발생할 수 있으며 (ii) 스택내의 솔루션 누설이 발생할 수 있습니다. 전력 출력의 실제 측정을 시작하기 전에 두 가지 문제를 모두 제거해야합니다. 효율적인 전력 출력을 얻기 위해서는 HC 및 LC 솔루션의 유량, 펌핑 압력 및 가속도 전압을 포함한 다른 파라미터를 수정해야 합니다. RED 스택의 순 전력을 추정하려면 획득된 순^{전력(10)에서}유체역학 적 전력 .......

토론

RED의 작동 원리는 주로 도 3에도시된 바와 같이 RED 시스템의 중요한 부분인 멤브레인의 물리화학적 특성에 의해 지배된다. 여기서는 고성능 RED 시스템을 제공하기 위한 멤브레인의 근본적인 특성을 설명합니다. 멤브레인의 특정 이온 투과성은 폴리머 나노 채널을 통해 한 종류의 이온을 전달합니다. 이름에서 알 수 있듯이 CEM은 양온을 한쪽에서 다른 쪽으로 전달하고 이온을 제한할 수 있는 반면 AEM은 이온을 전달하고 양이온을 제한할 수 있습니다. 도 2에도시된 바와 같이, 모든 멤브레인은 유동용 입구및 출구 통로를 포함하는 RED 스택 크기로 형성되었다. 멤브레인을 통해 교환되는 이온의 양은 멤브레인의 전도도에 정비례하므로^{스택(24)의}출력이다. 이온 교환 막에서 이온의 움직임은 도난 배제^{원칙(25)에서}작동한다. 폴리머 백본과 부착된 전하.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
AEM 기반 멤브레인	Fumion	P1810-194	이오노머
CEM 기반 멤브레인	Fumion	E550	이오노머
디지털 토크 렌치	Torqueworld	WP2-030-09000251	렌치
Labview 소프트웨어	Natiaonal	Instrument-Software
노트북	LG-PC
마그네틱 교반기	Lab		Companion-MS-17BB
N, N-디메틸아세트아미드	시그마 알드리치	271012	화학
N-메틸-2-피롤리돈	대정	872-50-4	화학
연동 펌프	EMS tech		Inc-EMP 2000W
칼륨 헥사시아노페레이트(II) 삼수화물	시그마 알드리치	P3289	화학
칼륨 헥사시아노페레이트(III)	시그마 알드리치	244023	화학
압력계	스웨즈락	-	게이지
에서 제작된		역전기투석 설비	장치
RO 시스템 순수	KOTITI	-	물
회전 증발기	히타치	YEFO-KTPM	유도 전동기
염화나트륨	Sigma aldrich	S9888	화학
수산화나트륨	Merk	1310-73-2	화학
소스 미터	Keithley-2410
스페이서	Nitex, SEFAR	06-250/34	스페이서
황산	Daejung	7664-93-9	화학
튜브	Masterflex 튜브	96410-25	고무 튜브

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