Мы демонстрируем изготовление устройства обратного электродиализа с использованием катионообменных мембран (CEM) и анионообменных мембран (AEM) для производства электроэнергии.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Мы демонстрируем изготовление устройства обратного электродиализа с использованием катионообменных мембран (CEM) и анионообменных мембран (AEM) для производства электроэнергии.
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.
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 (
)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.

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.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
1. Экспериментальное требование

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.

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.
| 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

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.

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)Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
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 пробле...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
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 ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
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.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Мембрана на основе AEM | Fumion | P1810-194 | Иономерная |
| мембрана на основе CEM | Fumion | E550 | Иономерный |
| Цифровой динамометрический ключ | Torqueworld | WP2-030-09000251 | гаечный ключ |
| Labview программное обеспечение | Natiaonal | Instrument-Software | |
| Ноутбук | LG-PC | ||
| Магнитная мешалка | Лабораторный компаньон-MS-17BB | ||
| N, N-диметилацетамид | Sigma aldrich | 271012 | химический |
| N-метил-2-пирролидон | Daejung | 872-50-4 | Химический |
| перистальтический насос | EMS tech | Inc-EMP | 2000W |
| Тригидрат гексацианоферрата калия(II) | Sigma aldrich | P3289 | Химический |
| калий гексацианоферрат(III) | Sigma aldrich | 244023 | Химический |
| манометр | Swagelok-Guage | ||
| Установка обратного электродиализа | , изготовленная в | лаборатории-Устройство | |
| системы обратного осмоса чистая вода | KOTITI-Вода | ||
| Ротационный испаритель | Hitachi | YEFO-KTPM | Асинхронный двигатель |
| Хлорид натрия | Sigma aldrich | S9888 | Химический |
| гидроксид натрия | Merk | 1310-73-2 | Измеритель химического |
| источника | Keithley-2410 | ||
| Прокладка | Nitex, SEFAR | 06-250/34 | Прокладка |
| Серная кислота | Daejung | 7664-93-9 | Химическая |
| трубка | Masterflex Tube | 96410-25 | Резиновая трубка |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.