Name: 역전기분해 장치 제조를 위한 이온 교환 멤브레인 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-07-20T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 55 s
Description: 배우세요 역전기분해 장치 제조를 위한 양이온 및 음이온 교환 멤브레인 합성 방법을. 염분 농도 차이를 이용한 지속 가능한 에너지 생산을 위한 실험실 규모 스택 조립 및 출력 측정 프로토콜을 확인하세요.

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이 작품은 한국정부(MEST)가 후원한 국립연구재단(NRF) 보조금(No.1)의 지원을 받았다. NRF-2017R1A2A2A050001329). 원고의 저자는 서강대학, 서울, 한국에 감사드립니다.

1. 실험 요구 사항
<ol><li>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.</li>
	<li>분자량 99.13g 몰-1 및 N, N-Dimethylacetamide분자량 87.12를 함유한 N-메틸-2-피롤리돈 등 고순도(&gt;99%) 용매를 사용하여 균일한 이오노머 용액을 제조한다. 모든 분석 등급 화학 물질과 용매가 더 이상 정제없이 수신된 멤브레인 제제에 사용되도록 하십시오.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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 설명은문헌(10,11)에나와 있다.</li>
	<li>커터를 사용하여 도 2에 표시된 대로 49cm2의활성 영역을 가진 RED 스택 크기로 CEM 및 AEM의 멤브레인을 형성한다.</li>
	<li>RED 스택 제작의 경우 스페이서와 개스킷으로 구분된 대체 CEM 및 AEM 배열을 만듭니다. 작업 레드 스택의 실제 그림은 도 3a에제시되고, 각 레이어의 회로도도는 도 3b에도시된다.<ol>
<li>첫째, PMMA 플레이트를 전극에 거꾸로 놓습니다. 지금, 고무 개스킷과 스페이서를 배치한 다음 CEM을 배치합니다. 그 후, 실리콘 개스킷을 CEM에 스페이서와 함께 놓은 다음 AEM을 위에 놓습니다. 마찬가지로, AEM의 상단에 실리콘 개스킷과 스페이서를 추가한 다음 CEM이 됩니다. 이제 최종 PMMA 플레이트, 고무 개스킷 및 스페이서를 나사와 너트 볼트를 사용하여 조임합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>RED 스택을 조립한 후 고농도(HC), 저농도(LC)의 자유로운 흐름을 확인하고 용액을 하나씩 헹구는다. 측정 하기 전에 모든 교차 흐름 또는 누출제거 해야 합니다.</li>
	<li>전류 및 전압 측정에 앞서 염액 및 압력 게이지 판독의 유량을 모니터링하고 안정화되었는지 확인합니다. 측정이 시작되기 전에 모든 연결이 정확한 위치에 있는지 확인합니다. 측정이 실행되는 동안 RED 스택과 연결 튜브를 만지지 마십시오. 참고: HC 와 LC 솔루션은 구획에서 유입되어 연동 펌프, 압력 게이지 및 RED 스택을 통해 구획을 폐기합니다.</li>
	<li>악어 클립을 통해 RED 스택에 연결된 소스 미터 계측기인 전류 및 전압 측정을 위해 갈바노스타 트 방법을 사용합니다.</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig02.jpg"> 도 2: 제조된 멤브레인, 개스킷 및 스페이서의 크기와 형상으로 역전기분해의 제조를 위한 것입니다. (a)외부 실리콘 개스킷,(b)외부 스페이서 및 내부 스페이서,(c)내부 실리콘 개스킷,(d)양이온 교환 막, (e) 음이온 교환 막,(f)개스킷 및(f)개스킷 및 조립막. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig03.jpg"> 도 3: 역전기분해 스택. (a)연결 튜브와 역전성 스택의 설정,(b)PMMA 엔드플레이트, 전극, 개스킷, 스페이서, CEM 및 AEM을 포함한 다른 층의 회로도 예시. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig03large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
2. 이온 교환 막 준비
참고: 전구체 물질의 양은 직경 18cm 및 ~50 μm 두께의 멤브레인을 획득하기 위해 최적화되었습니다.
<ol><li>
양이온 교환 멤브레인
	<ol>
<li>250mL 원형 플라스크에서 황포나트-PEEK 섬유의 5wt%를 섭취하고 분자량을 갖는 용매로서 디메틸라세미드(DMAc)의 섬유를용해시킨다. 모든 이오노머 폴리머가 정착되도록 플라스크를 10분 동안 흔들어 줍니다.</li>
		<li>플라스크에 마그네틱 바를 놓고 실리콘 오일 욕조에 혼합물을 보관한 다음, 80°C에서 24시간 동안 500rpm에서 격렬하게 교반하여 균일한 용액을 얻습니다.</li>
		<li>0.45 μm 모공 크기 폴리테트라플루오로로틸렌(PTFE) 필터를 통해 황색-PEEK 용액을 걸러내세요.</li>
		<li>그 후, 직경 18cm의 원형 유리 접시에 여과 된 용액을 붓습니다. 페트리 접시를 오븐에 넣기 전에 공기 송풍기로 모든 기포를 제거하십시오.</li>
		<li>페트리 접시를 오븐 에 넣고 용액을 90°C에서 24시간 동안 건조시켜 ~50μm 두께의 독립형 멤브레인을 생성합니다. 독립형 멤브레인을 추출하기 위해 이 작업을 수행: 페트리 접시에서 멤브레인을 벗겨내고 페트리 접시를 따뜻한 증류수(~60°C)로 채우고 10분 동안 그대로 방치하십시오. 독립형 멤브레인이 자동으로 나옵니다.</li>
		<li>멤브레인 활성화를 위해, 준비된 독립형 멤브레인을1M 황산(H2SO4)수성 용액, 즉 98.08g, 증류수 1L에 담그고 80°C에서 2시간 동안 배양한다. 참고: 이 단계는 이물질 입자 및 용매와 같은 기타 화학 물질을 제거하여 오염으로부터 멤브레인의 가능성을 감소시킵니다.</li>
		<li>실온에서 적어도 3회, 증류수 1L로 담근 멤브레인을 10분간 씻으십시오.</li>
	</ol>
</li>
	<li>애니온 교환 멤브레인<ol>
<li>N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용매에 FAA-3 이오노머 용액 10wt%를 용해하십시오.</li>
		<li>~500 rpm에서 2 시간 동안 실온에서 저어주용 용액을 유지하십시오.</li>
		<li>그 후, 100 μm 모공 크기로 메쉬를 사용하여 용액을 필터링합니다.</li>
		<li>직경 18cm의 원형 유리 페트리 접시에 ~ 30mL 필터링 된 용액을 붓습니다. 유리 페트리 접시를 오븐에 넣기 전에 공기 송풍기로 모든 기포를 제거하십시오. 건조 공정은 24시간 동안 100°C에서 일어난다.</li>
		<li>독립형 멤브레인을 얻으려면 뜨거운 증류수를 유리 페트리 접시에 붓고 10분 이상 보관하십시오. 이제 멤브레인을 벗겨 내고 수산화나트륨(NaOH) 용액(농도 1M 및 분자량 40g mol-1)을2시간 동안 1리터에 배치한다.</li>
		<li>그런 다음, 10 분 동안 증류수 1 L로 멤브레인을 철저히 씻고, 주변 상태에서 적어도 세 번. 참고: 준비된 모든 멤브레인은 RED 스택에서 사용하기 전에 밤새 0.5 M NaCl 용액에 저장되었습니다. 멤브레인 전도도가 향상되고 RED 스택을 측정하는 동안 안정된 출력 성능을 얻을 수 있습니다. 표 1은 멤브레인특성(10),11을설명합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>사양</td>
			<td>단위</td>
			<td>CEM</td>
			<td>AEM</td>
		</tr>
<tr>
<td>붓기 정도</td>
			<td>%</td>
			<td>5±1</td>
			<td>1±0.5</td>
		</tr>
<tr>
<td>충전 밀도 또는 이온 교환 용량</td>
			<td>메크/g</td>
			<td>1.8</td>
			<td>~1.6</td>
		</tr>
<tr>
<td>기계적 특성 (인장 강도)</td>
			<td>MPa</td>
			<td>&gt;40</td>
			<td>40-50</td>
		</tr>
<tr>
<td>휴식으로의 연감</td>
			<td>%</td>
			<td>~42</td>
			<td>30-50</td>
		</tr>
<tr>
<td>젊은 모둘루스 (MPa)</td>
			<td></td>
			<td>1500±100</td>
			<td>1000-1500</td>
		</tr>
<tr>
<td>실온에서의 전도도</td>
			<td>S/cm</td>
			<td>~0.03</td>
			<td>~0.025</td>
		</tr>
<tr>
<td>퍼마 셀렉타만</td>
			<td>%</td>
			<td>98-99</td>
			<td>94-96</td>
		</tr>
<tr>
<td>두께</td>
			<td>μm</td>
			<td>50±2</td>
			<td>50±3</td>
		</tr>
<tr>
<td>용매</td>
			<td>-</td>
			<td>디메틸라세미드 (DMAc)</td>
			<td>N-메틸-2-피롤리돈 (NMP)</td>
		</tr>
</tbody></table>표 1: 멤브레인 속성입니다. 양이온 교환 및 애니온 교환 멤브레인 특성 에 대한 요약.
3. 역전기분해의 제조
<ol><li>
레드 스택 의 조립
	<ol>
<li>고농도(HC)용 0.6M NaCl, 0.01 M NaCl을 사용하여 저농도(LC)구획(12)을위한 모델 용액을 준비한다. 참고: 여기서 하천수는 저농도 염액으로 간주되며 바닷물은 고농도 염액으로 표현됩니다.</li>
		<li>튜브와 연결된 대형 용기에 고농도 및 저농도 용액 5L을 준비합니다. RED 스택에 사용되기 전에 주변 조건(실온)에서 2시간 이상 저어주면서 용액을 유지합니다.</li>
		<li>[Fe(CN)6]-3/[Fe(CN)6]-4 및 0.3M NaCl의 혼합물을 500mL 물에서 레드용 헹구는 용액으로 준비한다.</li>
		<li>연동 펌프와 압력 게이지를 통해 고무 튜브를 사용하여 RED 스택과 세 가지 솔루션 용기를 모두 연결합니다. 헹기 용액에 L/S 16 크기의 튜브를 사용하고 HC 및 LC 용액에 L/S 25 크기의 튜브를 사용합니다.</li>
		<li>레드 스택을 만들려면 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)로 구성된 두 개의 엔드플레이트를 사용하십시오. 디지털 렌치 드라이버를 사용하여 25 Nm 힘을 사용하여 양쪽 엔드플레이트를 수평으로 직접 마우스로 너트, 볼트 및 와셔와 연결합니다. PMMA 엔드플레이트의 두께는 3cm, 유동 채널의 경로는 드릴러2에의해 HC, LC 및 헹구용 플레이트로 설계되었다.</li>
		<li>이리듐 (Ir)과 루테늄 (Ru)의 혼합물로 코팅 된 금속 티타늄 (Ti)으로 만든 두 메쉬 전극을 1:1 비율로 놓고 PMMA 플레이트의 끝에 놓습니다. 두 끝 전극은 소스 미터의 악어 클립과 연결됩니다. 참고: 두 PMMA 엔드 플레이트에는 메쉬 전극이 모두 장착되어 있으며, 두 전극은 사각형 모양의 스페이서로 겹쳐졌고, PMMA 엔드플레이트는 내부를 향한 고무 개스킷으로 덮여 있었다. 그 후 CEM과 AEM은 도 3에도시된 바와 같이 실리콘 개스킷과 스페이서에 의해 분리된 대안적으로 배치된다.</li>
		<li>회로도 도 4 및 도 5에제시된 바와 같이 실리콘 개스킷, 폴리머 스페이서 및 이온 교환 멤브레인(CEM 및 AEM) 층을 층별로 설치한다. 전극의 활성 영역, 멤브레인, 외부 및 내부 스페이서, 외부 및 내부 개스킷이 7 x 7 = 49cm2인지확인하십시오.</li>
		<li>도 4의회로도에 표시된 것과 같이 연동 펌프에 의해 각 구획에서 고농도 및 저농도 솔루션을 전달합니다.</li>
		<li>연동 펌프를 사용하여 재순환 모드에서 외부 전극 및 멤브레인 구획의 헹구는 용액을 순환시킵니다. 헹구용에 사용되는 유량은 50mL분-1이다.</li>
		<li>고정 유량은 각 멤브레인의 성능을 분석하는 데 사용됩니다. 이 실험에서는 연동 펌프를 통해 100mL 분-1을 사용했습니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig04.jpg"> 도 4: 역전기분해 스택과 튜브 연결의 회로도 표현. 연동 펌프, 고농도 용액 용기, 저농도 용액 용기, 헹폐 용액 용기 및 폐기 용액 용기와 역전 성 전동 분해의 연결. 또한 애니온 교환 멤브레인(AEM) 및 양이온 교환 멤브레인(CEM)과 스페이서의 정렬을 보여줍니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig04large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig05.jpg"> 도 5: 역전기투약 설정에서 상이한 층의 회로도도. (a)역전기투약의 회로도 그림의 단면뷰는 고농도 용액, 저농도 용액 및 전극 린스 용액의 유동 방향을 나타낸다. 전극, 외부 및 내부 개스킷, 외부 및 내부 스페이서, 양이온 교환 멤브레인 및 애니온 교환 멤브레인과 같은 다른 구성 요소입니다. (b)용액의 흐름 방향을 보여주는 스택의 전면 뷰. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig05large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
4. 역전기투약 측정
<ol><li>
전력 계산
	<ol>
<li>고농도, 낮은 농도 및 헹구는 용액을 5 분 이상 스택을 통해 실행하십시오. RED스택(13)의두 전극에 연결된 소스 미터별 RED 출력 성능을 측정합니다.</li>
		<li>갈바노스타트 방법을 사용하여 전력 밀도 측면에서 RED 스택의 전류 전압 특성을 계산합니다. 참고: 갈바노스타트 방법에서는 전극에 일정한 전류가 적용되고 결과 전류를 측정합니다. 결과 전류는 스택내의 전기화학적 반응으로 인해 생성된 전류이다. 측정은 10mA인 고정 스윕 전류로 0.05 V 정적 전압하에서 수행됩니다.</li>
		<li>RED 스택의 최대 전력 밀도는 다음 방정식 1의 도움으로 측정됩니다. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/62309/62309eq2.jpg">(1) 여기서,P맥스는 RED 스택(Wm-2)의 최대 전력 밀도이며, U스택은 멤브레인에 의해 생성된 전압(V)이며, 나는기록된 전류(A)이며,A밈은 멤브란(m2)의 활성 영역이다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

저자는 이해 상충을 선언하지 않습니다.

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 정비례하므로스택(24)의출력이다. 이온 교환 막에서 이온의 움직임은 도난 배제원칙(25)에서작동한다. 폴리머 백본과 부착된 전하...

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 문제1을극복할 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 염액2로채워진 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 실험적으로RED에대한 통찰력을3,4로나타왔습니다. 스트레스 조건 하에서 의 작동 조건 및 신뢰성 연구에 대한 체계적인 연구는 스택 아키텍처를 개선하고 전반적인 세포 성능을 향상시켰습니다. 여러 연구그룹은 담수화 공정5,태양광6을장착한 레드, 역삼투(RO) 공정5,미생물 연료전지7을장착한 레드, 방사 냉각 공정8을갖는 RED 등 RED의 하이브리드 애플리케이션에 주목하고 있다. 앞서 언급했듯이 에너지와 청정수 문제를 해결하기 위해 RED의 하이브리드 애플리케이션을 구현하는 데는 많은 범위가 있습니다.
RED 셀의 성능과 멤브레인의 이온 교환 능력을 향상시키기 위해 몇 가지 방법이 채택되었습니다. 설포닉산군(-SO3H),인산군(-PO3H2),카박실산군(-COOH)을 이용하여 다양한 유형의 이온을 이용한 양이온 교환막을 조정하는 것은 멤브레인의 물리화학적 특성을 변화시키는 효과적인 방법 중 하나이다. 애니온 교환 멤브레인은 암모늄 그룹 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62309/62209eq1.jpg"> ()9와맞춤화되어 있습니다. 멤브레인의 기계적 강도를 저하하지 않고 AEM 및 CEM의 높은 이온 전도도는 장치 응용 에 적합한 멤브레인을 선택하는 데 필수적인 매개 변수입니다. 응력 조건에서 견고한 멤브레인은 멤브레인에 기계적 안정성을 제공하고 장치의 내구성을 향상시킵니다. 여기서, 고성능 독립형 황포네이트 폴리(에테르 케톤)(sPEEK)를 ALA-3을 이용한 양이온 교환 멤브레인으로서 의 독특한 조합이 RED 애플리케이션에 사용된다. 도 1은 실험 절차의 흐름 도표를 나타낸다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig01.jpg"> 그림 1: 절차 차트. 상기 플로우차트는 이온교환막의 제조를 위해 채택된 절차를 제시하고, 그 다음에는 역전기분해측정과정을 제시한다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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

역전기분해 장치 제조를 위한 이온 교환 멤브레인

Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device

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 49cm2입니다. 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.

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 순전력(10)에서유체역학 적 전력 ...

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

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

이 프로토콜은 소음이 없고 깨끗하며 지속 가능한 에너지 생산 방법입니다. 물 염분 그라데이션을 전기로 변환하여 에너지 위기 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다. 이 방법은 RED를 사용하여 효율적인 전력을 생성하기위한 뛰어난 물리 화학적 특성으로 넓은 영역 멤브레인을 확장하기위한 직접 목록을 제공합니다.RED 장치의 출력 성능을 확장할 수 있으며 멤브레인은 포레스 및 레독스 유량 배터리와 같은 다른 전기 화학 적 장치에서 활용할 수 있습니다. 균일한 용액 제제, 여과, 건조, 제어 기술, 세척, 멤브레인 처리, 재현 가능한 멤브레인 성능을 조절합니다. 스택 정렬 및 압력 강하 최적화는 안정적인 장치 성능을 생성하는 데 매우 중요합니다.양이온 교환 멤브레인을 준비하려면 5% 황침한 폴리에테테르케톤 섬유를 250밀리리터 라운드 하단 플라스크에 넣고 섬유를 디메틸라세미드 용매로 녹입니다. 그런 다음 모든 이오노머 폴리머가 플라스크 의 바닥에 정착하도록 10 분 동안 플라스크를 흔들어줍니다. 마그네틱 스터디 바를 사용하여 실리콘 오일 욕조에 혼합물을 넣고 동질적인 용액을 얻기 위해 섭씨 80도에서 24 시간 동안 분당 500 회전에서 용액을 적극적으로 저어줍니다.다음 날, 0.45 마이크로미터 PTFE 필터를 통해 용액의 30 밀리리터를 원형 18cm 직경 유리 접시에 넣습니다. 공기 송풍기를 사용하여 거품을 제거한 후 오븐에 접시를 섭씨 90도에서 24시간 동안 배치하여 약 50마이크로미터 두께의 독립형 멤브레인멤브레인을 생성합니다. 독립형 멤브레인을 추출하려면 접시를 따뜻한 증류수로 채웁니다.10분 후, 독립형 멤브레인이 접시에서 분리됩니다. 멤브레인을 활성화하려면 80°C에서 2시간 동안 1개의 어금니 황산 용액에 멤브레인을 담그고, 세척당 실온에서 증류수 1리터로 최소 3리터의 세척을 합니다. NMP 용매에서 실온에서 2시간, 분당 500회 회전하는 10%의 무게 FAA-3 이오노머 용액을 용해하십시오.인큐베이션이 끝나면 100미크론 모공 스트레이너를 통해 약 30밀리리터의 용액을 18센티미터 유리 페트리 접시에 넣습니다. 기포를 제거한 후 24시간 동안 100도 의 오븐에 접시를 놓습니다. 뜨거운 증류수를 사용하여 말린 멤브레인을 추출하고 2시간 동안 수산화 나트륨 1리터로 멤브레인을 활성화합니다.그런 다음 활성화 된 멤브레인을 세 번 세척당 증류수 1 리터로 세 번 씻습니다. 활성화 후, 양이온 및 애니메이션 교환 멤브레인을 49 평방 센티미터로 자른다. RED 스택을 제작하려면 전극이 위로 향하도록 3센티미터 두께의 PMMA 플레이트를 배치하고 고무 개스킷과 스페이서를 전극에 놓습니다.개스킷의 양쪽에 양이온 교환 멤브레인과 이온 교환 멤브레인을 놓습니다. 실리콘 개스킷과 스페이서는 각 멤브레인에 놓고 두 번째 PMMA 플레이트를 스페이서와 개스킷의 두 번째 층에 놓습니다. 그런 다음 25 뉴턴 미터 의 힘으로 디지털 렌치 드라이브를 사용하여 너트, 볼트 및 와셔로 설정을 확보하십시오.스택이 조립되면 각 플레이트 끝에 이리듐과 루테늄을 일대일로 혼합하여 코팅한 티타늄 메쉬 전극 1개를 배치하고 악어 클립을 사용하여 전극을 소스 미터에 연결합니다. 분석 최소 2시간 전에 0.01 mlar 저염화 나트륨 용액 5리터와 0.6 mlar 고염화 나트륨 용액 5리터를 연동 펌프에 연결된 개별 대형 용기에 추가하고 실온에서 지속적으로 솔루션을 저어줍니다. RED 분석을 수행하기 위해 0.05 어금니 린스 용액을 제3 용기에 추가하고 고무 튜브를 사용하여 연동 펌프 및 압력 게이지를 통해 세 개의 용기를 모두 연결하여 RED 어셈블리에 연결합니다.헹도 용액의 유량을 분당 50 밀리리터로 설정하고 소금 용액의 유속량을 분당 100 밀리리터로 설정하고 튜브를 확인하여 십류 또는 누설을 제거합니다. 판독값이 안정적이지 않도록 압력 게이지 판독을 수행합니다. 용액이 적어도 5분 동안 스택을 통해 실행된 후, 전극과 RED 스택모두에 연결된 소스 미터를 사용하여 갈바노스타트 방법에 의한 역전투분해 출력 성능을 측정합니다.역전기분해 장치는 미래의 에너지 위기에 대한 보편적 인 수요를 충족시키기위한 잠재적 인 후보자 역할을합니다. 염 농도의 염분 그라데이션의 차이는 역전기분해 스택의 내부 저항에 따라 달라지는 개방 회로 전압을 야기한다. 이 분석에서 역전기분해 스택의 최대 전력 밀도는 평방 미터당 약 0.7 와트였으며 계산된 순 전력 밀도는 고정 유량으로 평방 미터당 약 0.65 와트였습니다.관찰된 바와 같이, RED 스택의 내부 저항증가에 대응하여 떨어지기 전에 셀의 전력 밀도가 처음에는 최대 전류 밀도 값으로 증가했습니다. 효율적이고 안정적인 성능 생산을 위해 튜브 연결, 용액 교차 흐름 및 액체를 정기적으로 교차 확인하는 것이 중요합니다. 균일한 넓은 면적 멤브레인의 준비는 멤브레인과 용액 누설을 손상시키지 않으면서 세포 성능을 불안정하게 합니다.또한 스트레스 조건에서 효율적으로 작동합니다.

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

Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

우리는 전기화학 및 생전기화학 시스템을 사용하여 암모늄이 풍부한 흐름에서 암모늄을 추출하는 것을 보여줍니다. 반응기 설정, 작동 및 데이터 분석에 대해 설명합니다.

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이 원고는 실리콘 멤브레인을 기반으로 하는 유전체 엘라스토머 소프트 액추에이터의 제조를 위한 제조 공정을 보여줍니다. 생산의 세 가지 주요 단계가 자세히 제시됩니다 : 얇은 실리콘 멤브레인의 블레이드 주조; 준수 전극의 패드 인쇄; 그리고 모든 구성 요소의 조립.

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작동 조건에 관계없이 상기 ICP 대역의 전파를 정지 할 수있는 신규 한 이온 농도 분극 (ICP) 플랫폼에 대한 프로토콜을 설명한다. 플랫폼의 독특한 능력은 ICP 현상이 극성은 이온 고갈과 농축, 병합의 사용에있다.

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역전기분해 장치 제조를 위한 이온 교환 멤브레인

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