Summary
We demonstreren de fabricage van een omgekeerd elektrodialyseapparaat met behulp van een kationenuitwisselingsmembraan (CEM) en anion-uitwisselingsmembraan (AEM) voor energieopwekking.
Abstract
Omgekeerde elektrodialyse (RED) is een effectieve manier om stroom op te wekken door twee verschillende zoutconcentraties in water te mengen met behulp van kationenuitwisselingsmembranen (CEM) en anionuitwisselingsmembranen (AEM). De RED stack bestaat uit een afwisselende opstelling van het kationenuitwisselingsmembraan en het anion-uitwisselingsmembraan. Het RED-apparaat fungeert als een potentiële kandidaat om te voldoen aan de universele vraag naar toekomstige energiecrises. Hier, in dit artikel, demonstreren we een procedure om een omgekeerd elektrodialyseapparaat te fabriceren met behulp van CEM en AEM op laboratoriumschaal voor energieproductie. Het actieve gebied van het ionenuitwisselingsmembraan is 49 cm2. In dit artikel bieden we een stapsgewijze procedure voor het synthetiseren van het membraan, gevolgd door de assemblage en vermogensmeting van de stapel. Ook de meetcondities en de berekening van het nettovermogen zijn toegelicht. Verder beschrijven we de fundamentele parameters waarmee rekening wordt gehouden om tot een betrouwbaar resultaat te komen. We bieden ook een theoretische parameter die de algehele celprestaties met betrekking tot het membraan en de voedingsoplossing beïnvloedt. Kortom, dit experiment beschrijft hoe je RODE cellen op hetzelfde platform kunt assembleren en meten. Het bevat ook het werkingsprincipe en de berekening die worden gebruikt voor het schatten van het nettovermogen van de RED-stack met behulp van CEM- en AEM-membranen.
Introduction
Energiewinning uit natuurlijke hulpbronnen is een economische methode die milieuvriendelijk is, waardoor onze planeet groen en schoon wordt. Tot nu toe zijn verschillende processen voorgesteld om energie te winnen, maar omgekeerde elektrodialyse (RED) heeft een enorm potentieel om het probleem van de energiecrisis te overwinnen1. Energieproductie uit omgekeerde elektrodialyse is een technologische doorbraak voor het koolstofvrij maken van wereldwijde energie. Zoals de naam al doet vermoeden, is RED een omgekeerd proces, waarbij het alternatieve celcompartiment wordt gevuld met de hooggeconcentreerde zoutoplossing en zoutarme oplossing2. Het chemische potentieel dat wordt gegenereerd door het zoutconcentratieverschil tussen de ionenuitwisselingsmembranen, verzameld uit de elektroden aan het uiteinde van het compartiment.
Sinds het jaar 2000 zijn veel onderzoeksartikelen gepubliceerd, die inzicht geven in het RED theoretisch en experimenteel3,4. Systematische studies naar de bedrijfsomstandigheden en betrouwbaarheidsstudies onder stressomstandigheden verbeterden de stackarchitectuur en verbeterden de algehele celprestaties. Verschillende onderzoeksgroepen hebben hun aandacht gericht op de hybride toepassing van RED, zoals ROOD met ontziltingsproces5,ROOD met zonne-energie6,ROOD met omgekeerde osmose (RO) proces5, ROOD met de microbiële brandstofcel7en ROOD met het radiatieve koelproces8. Zoals eerder vermeld, is er veel ruimte bij het implementeren van red's hybride applicatie om het energie- en schoonwaterprobleem op te lossen.
Verschillende methoden zijn gebruikt om de prestaties van de RODE cel en de ionenuitwisselingscapaciteit van het membraan te verbeteren. Het afstemmen van de kationenuitwisselingsmembranen met verschillende soorten ionen met behulp van sulfonzuurgroep (-SO3H), fosfonzuurgroep (-PO3H2)en carboxylzuurgroep (-COOH) is een van de effectieve manieren om de fysisch-chemische eigenschappen van het membraan te veranderen. Anion-uitwisselingsmembranen zijn afgestemd op ammoniumgroepen ( 
)9. De hoge ionische geleidbaarheid van AEM en CEM zonder de mechanische sterkte van het membraan te verslechteren, is de essentiële parameter voor het selecteren van een geschikt membraan voor toepassing van het apparaat. Het robuuste membraan onder spanningsomstandigheden zorgt voor mechanische stabiliteit van het membraan en verbetert de duurzaamheid van het apparaat. Hier wordt een unieke combinatie van hoogwaardige vrijstaande gesulfoneerde poly (etheretherketon) (sPEEK) als kationenuitwisselingsmembranen met FAA-3 als anion-uitwisselingsmembranen gebruikt in de RED-toepassing. Figuur 1 toont het stroomschema van de experimentele procedure.
Figuur 1: Procedureschema. Het stroomschema geeft de procedure voor de bereiding van het ionenuitwisselingsmembraan, gevolgd door het proces voor de meting van omgekeerde elektrodialyse. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Experimentele eis
- Koop ionenuitwisselingsionomeerpolymeer, E-550 gesulfoneerde PEEK polymeervezel om CEM en FAA-3 voor te bereiden op AEM. Zorg ervoor dat alle ionomeerpolymeren voor gebruik in een schone, droge en stofvrije omgeving worden opgeslagen.
- Gebruik oplosmiddelen met een hoge zuiverheid (>99%), waaronder N-Methyl-2-pyrrolidone met moleculair gewicht 99,13 g mol-1 en N, N-Dimethylacetamide met moleculair gewicht 87,12, voor het bereiden van homogene ionomeeroplossing. Zorg ervoor dat alle chemicaliën en oplosmiddelen van analytische kwaliteit worden gebruikt voor membraanvoorbereiding zoals ontvangen zonder verdere zuivering.
- Dompel na het activeringsproces van de membranen onmiddellijk alle membranen onder in een 0,5 M NaCl-oplossing voor betere prestaties. Na activering van beide membranen is drogen niet nodig. Water met weerstand is 18,2 MΩ bij kamertemperatuur werd gebruikt in de synthese van het membraan.
- Karakteriseer membraaneigenschappen met behulp van een droog membraan. De gedetailleerde beschrijving van de karakteriseringstechnieken en hun fysisch-chemische eigenschappen zoals ionenuitwisselingscapaciteit, iongeleiding, dikte, thermische analyse en oppervlaktemorfologie, zijn zoals gepresenteerd in de literatuur10,11.
- Gebruik een frees om het membraan voor CEM en AEM vorm te geven tot de rode stapelgrootte met een actief gebied van 49 cm2, zoals weergegeven in figuur 2.
- Maak voor de RED stack fabricage een alternatieve CEM en AEM opstelling, gescheiden door spacer en pakking; een reëel beeld van de werkende RODE stapel wordt weergegeven in figuur 3a, en het schematische diagram van elke laag wordt geïllustreerd in figuur 3b.
- Plaats eerst de PMMA-plaat tegenover de elektrode ondersteboven; plaats nu de rubberen pakking en afstandsstuk erop en plaats vervolgens de CEM. Plaats daarna de siliconen pakking met de afstandsstuk op de CEM en plaats er vervolgens de AEM op. Voeg op dezelfde manier de siliconen pakking en afstandsstuk toe aan de bovenkant van AEM, gevolgd door CEM. Plaats nu het uiteinde PMMA-plaat, rubberen pakking en afstandsstuk gevolgd door aandraaien met schroef- en moerbouten.
- Controleer na het monteren van de RED-stapel de vrije stroom van de hoge concentratie (HC), lage concentratie (LC) en spoel de oplossingen één voor één af. Eventuele doorstroming of lekkage moet vóór de meting worden geëlimineerd.
- Controleer voorafgaand aan de stroom- en spanningsmeting het debiet van zoutoplossingen en de manometermeting en zorg ervoor dat deze gestabiliseerd wordt. Zorg ervoor dat alle aansluitingen zich op de exacte plaats bevinden voordat de meting begint. Raak de RED-stapel en de verbindingsbuizen niet aan terwijl de meting loopt.
OPMERKING: HC- en LC-oplossing stromen uit hun compartimenten om het compartiment te verwijderen via respectievelijk een peristaltische pomp, manometer en RED-stack. - Gebruik galvanostat methode voor de meting van stroom en spanning, de bronmeter instrument aangesloten op de RODE stapel door middel van krokodil clips.
Figuur 2: Grootte en vorm van het voorbereide membraan, pakking en afstandsstuk voor de fabricage van omgekeerde elektrodialyse. (a) buitenste siliconenpakking, (b) buitenafstandsstuk en binnenafstandsstuk, (c) binnenste siliconenpakking, (d) kationenuitwisselingsmembraan, (e) anion-uitwisselingsmembraan en (f) pakking en membraanassemblage. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3: Omgekeerde elektrodialysestapel. (a) opstelling van omgekeerde elektrodialysestapel met verbindingsbuizen, en (b) schematische illustratie van verschillende lagen, waaronder PMMA-eindplaten, elektroden, pakking, afstandsstuk, CEM en AEM. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
2. Ionenuitwisseling membraanvoorbereiding
OPMERKING: De hoeveelheid precursormateriaal is geoptimaliseerd voor het verkrijgen van een membraan met een diameter van 18 cm en een dikte van ~ 50 μm.
-
Kationenuitwisselingsmembraan
- Neem 5 wt% gesulfoneerde PEEK vezels in een ronde bodemkolf van 250 ml en los de vezels op in Dimethylacetamide (DMAc) als oplosmiddel met een molecuulgewicht van 87,12 g mol-1. Schud de kolf gedurende 10 minuten zodat alle ionomeerpolymeren tot rust komen.
- Plaats een magnetische staaf in de kolf en bewaar het mengsel vervolgens in het siliconenoliebad, gevolgd door krachtig roeren bij 500 tpm gedurende 24 uur bij 80 °C om een homogene oplossing te verkrijgen.
- Filtreer de sulfonated-PEEK oplossing door een 0,45 μm poriegrootte Polytetrafluorethyleen (PTFE) filter.
- Giet daarna de gefilterde oplossing op een ronde glazen schaal met een diameter van 18 cm. Zorg ervoor dat alle luchtbellen worden verwijderd met behulp van een luchtblazer voordat u de Petrischaal in de oven plaatst.
- Plaats de Petrischaal in een oven om de oplossing gedurende 24 uur op 90 °C uit te drogen, wat resulteert in een vrijliggbraan van ~ 50 μm dik. Doe dit voor het extraheren van vrijstaand membraan: Om het membraan van de Petrischaal af te pellen, vult u de Petrischaal met warm destillatiewater (~ 60 °C) en laat u deze 10 minuten onaangeroerd staan. Het vrijstaande membraan komt er automatisch uit.
- Dompel voor membraanactivering het voorbereide vrijstaande membraan onder in 1 M zwavelzuur (H2SO4) waterige oplossing, d.w.z. 98,08 g, in 1 L gedestilleerd water en incubeer gedurende 2 uur bij 80 °C.
OPMERKING: Deze stap zorgt voor de verwijdering van vreemde deeltjes en andere chemicaliën zoals oplosmiddelen die de kans op vervuiling van het membraan verminderen. - Was het geweekte membraan gedurende 10 minuten met 1 L gedestilleerd water, minstens drie keer bij kamertemperatuur.
- Anion-uitwisselingsmembraan
- Los FAA-3 ionomeeroplossing 10 wt.% op in N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) oplosmiddel.
- Bewaar de oplossing voor roeren op kamertemperatuur gedurende 2 uur bij ~500 tpm.
- Filter daarna de oplossing met behulp van het gaas met een poriegrootte van 100 μm.
- Giet ~30 ml gefilterde oplossing in een ronde glazen petrischaal met een diameter van 18 cm. Zorg ervoor dat alle luchtbellen zijn verwijderd met behulp van een luchtblazer voordat u de glazen petrischaal in de oven plaatst. Het droogproces vindt plaats bij 100 °C gedurende 24 uur.
- Om een vrijstaand membraan te verkrijgen, giet je heet gedestilleerd water in de glazen petrischaal en bewaar je het minstens 10 minuten. Pel nu de membranen af en plaats in 1 liter natriumhydroxide (NaOH) oplossing (concentratie 1M en molecuulgewicht 40 g mol-1) gedurende 2 uur.
- Was vervolgens het membraan grondig met 1 L gedestilleerd water gedurende 10 minuten, ten minste drie keer in omgevingsconditie.
OPMERKING: Alle voorbereide membranen werden 's nachts opgeslagen in de 0,5 M NaCl-oplossing voordat ze in de RED-stapel werden gebruikt. Zodat de geleidbaarheid van het membraan wordt verbeterd en gestabiliseerde uitvoerprestaties kan bereiken tijdens het meten van de RED-stack. Tabel 1 beschrijft de membraaneigenschappen10,11.
| Specificatie | Eenheid | CEM | AEM |
| Zwellingsgraad | % | 5±1 | 1±0,5 |
| Laaddichtheid of ionenuitwisselingscapaciteit | meq/g | 1.8 | ~1,6 |
| Mechanische eigenschappen (Treksterkte) |
Mpa | >40 | 40-50 |
| Rek om te breken | % | ~42 | 30-50 |
| Jonge Modulus (MPa) | 1500±100 | 1000-1500 | |
| Geleidbaarheid bij kamertemperatuur | S/cm | ~0,03 | ~ 0,025 |
| Permselectiviteit | % | 98-99 | 94-96 |
| Dikte | μm | 50±2 | 50±3 |
| Oplosmiddel | - | Dimethylacetamide (DMAc) | N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) |
Tabel 1: Eigenschappen van membranen. Samenvatting van zowel kationenuitwisseling als anionuitwisselingsmembraaneigenschappen.
3. Fabricage van omgekeerde elektrodialyse
-
Assemblage van RODE stapel
- Bereid een modeloplossing met 0,6 M NaCl voor hoge concentratie (HC) en 0,01 M NaCl voor compartimenten met lage concentratie (LC)12.
OPMERKING: Hier wordt rivierwater beschouwd als een zoutoplossing met een lage concentratie en zeewater wordt weergegeven als een zoutoplossing met een hoge concentratie. - Bereid 5 L oplossing met hoge concentratie en lage concentratie in een grote container die met de buizen is verbonden. Houd de oplossingen minstens 2 uur roeren onder omgevingsomstandigheden (kamertemperatuur) voordat ze in de RED-stapel worden gebruikt.
- Bereid het mengsel van 0,05 M [Fe (CN)6]-3/ [Fe (CN)6]-4 en 0,3 M NaCl in 500 ml water als spoeloplossing voor RED.
- Verbind alle drie de oplossingscontainers met RED stack met behulp van rubberen buizen via de peristaltische pomp en manometers. Gebruik de buis van maat L/S 16 voor spoeloplossing en gebruik de buis van maat L/S 25 voor HC- en LC-oplossing.
- Om een RED stack te maken, neem je twee eindplaten die bestaan uit polymethylmethacrylaat (PMMA). Verbind beide eindplaten horizontaal van aangezicht tot aangezicht met moeren, bouten en ringen met behulp van 25 Nm kracht met behulp van een digitale moersleuteldriver. De dikte van PMMA-eindplaten 3 cm en het pad van de stromingskanalen zijn ontworpen in platen voor HC, LC en spoeloplossing door een boormachine2.
- Plaats twee mesh elektroden gemaakt van metaal Titanium (Ti) gecoat met een mengsel van Iridium (Ir) en Ruthenium (Ru) in een 1:1 verhouding en plaats aan het einde van de PMMA platen. Beide eindelektroden zijn verbonden met de krokodillenklem van de bronmeter.
OPMERKING: Beide PMMA-eindplaten zijn uitgerust met gaaselektroden, beide elektroden waren gelaagd met een vierkante vorm afstandsstuk en de PMMA-eindplaat bedekt met een rubberen pakking naar binnen gericht. Daarna worden CEM en AEM als alternatief geplaatst, gescheiden door siliconen pakking en afstandsstuk, zoals weergegeven in figuur 3. - Installeer siliciumpakkingen, polymeerafstandshouders en ionenuitwisselingsmembranen (CEM en AEM) laag voor laag, zoals weergegeven in het schematische diagram figuur 4 en figuur 5. Zorg ervoor dat het actieve gebied van elektroden, zowel membranen, buiten- als binnenruimte, buiten- en binnenpakking 7 x 7 = 49 cm2is.
- Passeer oplossingen met een hoge concentratie en lage concentratie uit de respectieve compartimenten door peristaltische pompen, zoals weergegeven in het schematische diagram in figuur 4.
- Circuleren de spoeloplossing in de buitenste elektrode- en membraancompartimenten in recirculatiemodus met behulp van peristaltische pompen. Het debiet dat voor de spoeloplossing wordt gebruikt, is 50 ml min-1.
- Een vast debiet wordt gebruikt voor het analyseren van de prestaties van elk membraan. In dit experiment hebben we 100 ml min-1 gebruikt via een peristaltische pomp.
- Bereid een modeloplossing met 0,6 M NaCl voor hoge concentratie (HC) en 0,01 M NaCl voor compartimenten met lage concentratie (LC)12.
Figuur 4: Schematische weergave van de buisverbinding met omgekeerde elektrodialysestapel. Aansluiting van omgekeerde elektrodialyse met peristaltische pompen, oplossingscontainer met hoge concentratie, oplossingscontainer met lage concentratie, spoeloplossingscontainer en afvaloplossingscontainer. Het toont ook de uitlijning van de afstandsstuk met zowel een anionenuitwisselingsmembraan (AEM) als een kationenuitwisselingsmembraan (CEM). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5: Schematisch schema van verschillende lagen in de omgekeerde elektrodialyse-opstelling. (a) Doorsnedeweergave van een schematische illustratie van omgekeerde elektrodialyse toont de stroomrichting van de oplossing met hoge concentratie, oplossing met lage concentratie en elektrodespoeloplossing. Andere componenten zoals elektroden, buiten- en binnenpakkingen, buiten- en binnenafstandshouders, kationenuitwisselingsmembraan en anion-uitwisselingsmembraan. (b) Vooraanzicht van de stapel, die de stroomrichting van een oplossing aangeeft. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
4. Meting van omgekeerde elektrodialyse
-
Vermogensberekening
- Laat de hoge concentratie, lage concentratie en spoeloplossing minstens 5 minuten door de stapel lopen. Meet de RED-uitgangsprestaties met een bronmeter, die is aangesloten op beide elektroden van de RED-stack13.
- Bereken de stroomspanningskenmerken van de RED-stack in termen van vermogensdichtheid met behulp van de galvanische methode.
OPMERKING: Bij de galvanische methode wordt een constante stroom over elektroden uitgeoefend en wordt de resulterende stroom gemeet. De resulterende stroom is de stroom die wordt gegenereerd als gevolg van de elektrochemische reactie in de stapel. De meting wordt uitgevoerd onder 0,05 V statische spanning met een vaste veegstroom van 10 mA. - De maximale vermogensdichtheid voor de RED-stack wordt gemeten met behulp van de volgende vergelijking 1.
(1)
Hier is Pmax de maximale vermogensdichtheid van de RODE stapel (Wm-2),U-stack is de spanning (V) geproduceerd door het membraan in de stapel,ik-stack is de geregistreerde stroom (A) en eenmem is het actieve gebied van de membranen (m2).
(1)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nettovermogen
RODE cel genereert over het algemeen elektrische energie uit de zoutgehaltegradiënt van de zoutoplossing, d.w.z. de beweging van ionen in de tegenovergestelde richting door het membraan. Om de RED-stapel correct te monteren, moet men alle lagen, inclusief elektroden, pakkingen, membranen en afstandhouders in de stapel zorgvuldig uitlijnen, zoals aangetoond in het schematische diagram in figuur 4 en figuur 5. Als de stapel niet perfect is uitgelijnd, kunnen zich twee problemen voordoen: (i) HC- en LC-oplossingsdoorstroming kan optreden in de stapel en (ii) lekkage van de oplossing in de stapel kan optreden. Het is noodzakelijk om beide problemen te elimineren voordat u begint met het daadwerkelijk meten van het uitgangsvermogen. Andere parameters moeten worden vastgesteld, waaronder het debiet van de HC- en LC-oplossing, de pompdruk en de toegepaste spanning, om een efficiënt uitgangsvermogen te verkrijgen. Om het nettovermogen van de RED-stack te schatten, moet men het hydrodynamische vermogensverlies aftrekken van het verkregen nettovermogen10. Het maximale vermogen wordt verkregen uit de RED-stack door de verkregen spanning en stroom te vermenigvuldigen. Daarentegen moeten het actieve gebied en het aantal membraanparen worden verdeeld om de werkelijke vermogensdichtheid van de stapel te verkrijgen, zoals gegeven door vergelijking 114,15. Het totale vermogen verkregen uit de RED-stack wordt afgetrokken door een hydrodynamisch vermogensverlies of pompvermogensverlies dat door de pomp wordt gegenereerd en gegeven door de volgende vergelijking 2.
(2)
Hier isP-verlies een hydrodynamisch pompvermogensverlies (W m-2)geproduceerd in de RED-stack door intern verlies. Pmax is het maximale vermogen (W m-2) verkregen uit het experiment. Het hoogste nettovermogen gerapporteerd voor RED is 1,2 W m-2 met behulp van rivierwater en zeewater door Vermaas16. Vermogensverlies wordt weergegeven als een drukverschil bij in- en uitlaat van HC - en LC-oplossing aan de stapel en wordt gegeven door drukval (ΔP), debiet (Q) en pompefficiëntie (ηpomp)17,18.
(3)
Hier zijn QH en QL het debiet (ml mim-1) van een oplossing met hoge concentratie en een oplossing met lage concentratie in ml min-1 en ΔPH en ΔPL is de drukval aan de kant met hoge concentratie en het lage concentratiecompartiment in Pa. Hier is de gemeten drukval van de manometer voor het HC-compartiment 11.790 Pa en lc-compartiment 11.180 Pa. Het berekende pompvermogensverlies(P-verlies) is 0,038 W m-2.
Theoretische parameterschatting
Kortom, een RED-systeem bestaat uit twee verschillende soorten ionenuitwisselingsmembranen, pakking, pomp, afstandhouders en elektrode. De drukval over de RED-stapel wordt theoretisch geschat met behulp van de Darcy-Weisbach-vergelijking11,19. In een ideaal RED-systeem wordt een laminaire stroom van oplossing in een oneindig breed uniform kanaal gebruikt voor het berekenen van de drukval.
(4)
Hier is dh (m) de hydraulische diameter van het kanaal, terwijl de hydraulische diameter voor een oneindig breed kanaal 2 uur is. Andere parameters zijn de viscositeit van water (Pa·s), tres is de verblijftijd (s), L is de lengte van het membraan (cm). In RED stack wordt sPEEK als CEM en FAA-3 als AEM gebruikt, en de afstand tussen beide membranen wordt gegeven door de term b, die direct evenredig is met de waarde van de hydraulische diameter in het geval van het geprofileerde membraan, en "h" is de intermembrane afstand (m), wordt gegeven door vergelijking 520.
(5)
Voor een oneindig breed kanaal is de waarde berekend uit vergelijking 6 meestal veel lager dan de waarde van het eindige brede kanaal. De verkregen waarden zijn laag van omvang, wat te wijten is aan de niet-uniformiteit van inlaat- en uitlaatoplossingen. Het afstandsnet beperkt de stroom van waterige zoutoplossingen vanwege het spacerschaduweffect, wat resulteert in een toename van het pompvermogen. Door de waarde verkregen uit de verhouding tussen oppervlak en volume (Ssp / V sp) van afstandsgaas in de formule te plaatsen, ε de porositeit is, kan men de dikte van met afstand gevulde kanalen schatten uit vergelijking 621,22.
(6)
De dikte van de afstandslijn en de andere parameters, waaronder open verhouding, maasopening en draaddiameters, worden in alle compartimenten constant gehouden. Zowel HC- als LC-compartimenten gebruikten dezelfde oplossing (NaCl) met verschillende concentraties. Daarom is het gemakkelijk om de parameters te initialiseren en kan theoretisch pompverlies worden gegeven door vergelijking 723.
(7)
Waarbij A het actieve membraangebied in m2 is en het debiet van de Q-voedingsoplossing in m3 s-1. Hier is μ de viscositeit van water gemeten in Pa·s, L is de lengte van het membraan gegeven door cm, en tres is een verblijftijd in de tweede.
De prestaties van de RED stack
De uitvoerprestaties van de RED-stack werden onderzocht met behulp van één celpaar met een vast debiet van 100 ml min-1. De concentratie van de voederoplossing werd ook vastgesteld voor een hogere concentratie (0,6 M) en een lagere concentratie (0,01 M) bereid uit NaCl-zout. Er wordt opgemerkt dat de maximale vermogensdichtheid 0,69 W m-2 bij 100 ml min-1is , en de netto vermogensdichtheid is 0,66 W m-2 zoals weergegeven in figuur 6. Een hoger debiet en een hoge ionenuitwisselingscapaciteit spelen een belangrijke rol bij het verkrijgen van betere celprestaties, omdat het transport van ionen actiever is bij een hoger debiet. Aan de andere kant vermindert het de diffusiegrenslaagweerstand op de interface. Het verschil in zoutgehaltegradiënt van de zoutconcentratie geeft aanleiding tot de open-circuitspanning, zoals geïllustreerd in figuur 6. Deze spanning is afhankelijk van de interne weerstand van de RED stack en andere parameters. Opgemerkt wordt dat naarmate de stroomdichtheid toeneemt, de spanningsstart afneemt, terwijl in eerste instantie de vermogensdichtheid van de cel toeneemt en maxima verkrijgt bij een bepaalde stroomdichtheidswaarde en vervolgens daalt. Deze afname van de vermogensdichtheid is toe te schrijven aan een toename van de interne weerstand van de stack, zoals weergegeven in figuur 6.
Figuur 6: Uitgangsprestaties van de omgekeerde elektrodialyse-inrichting: (a) variatie van de uitgangsspanning met wisselende stroom, en (b) netto vermogensdichtheid met een variërende stroomdichtheid van de RED-stack. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het werkingsprincipe van het RED wordt voornamelijk gedomineerd door de fysisch-chemische eigenschappen van het membraan, wat een cruciaal onderdeel is van het RED-systeem, zoals geïllustreerd in figuur 3. Hier beschrijven we de fundamentele kenmerken van het membraan voor het leveren van een hoogwaardig RED-systeem. De specifieke ionendoorlaatbaarheid van het membraan zorgt ervoor dat het één type ionen door hun polymeernanokanaal passeert. Zoals de naam al doet vermoeden, kan CEM kationen van de ene naar de andere kant doorgeven en anion beperken, terwijl AEM anion kan doorgeven en kationen kan beperken. Zoals weergegeven in figuur 2,werden alle membranen gevormd tot een RODE stapelgrootte met inlaat- en uitlaatdoorgang voor stromingsoplossing. De hoeveelheid ionen die door het membraan wordt uitgewisseld, is direct evenredig met de geleidbaarheid van het membraan en dus met het uitgangsvermogen van de stapel24. De beweging van ionen in het ionenuitwisselingsmembraan werkt volgens het Donnan-uitsluitingsprincipe25. De ladingsgroep die met de polymeerruggraat is bevestigd, stoot dezelfde lading af die in de oplossing aanwezig is. Dus, hoger de ladingsdichtheid groter zal de afstoting zijn, die meestal afhangt van de perm selectiviteit. Over het algemeen vindt in RODE cellen de beweging van ionen door het membraan plaats van hogere concentratie naar lagere concentratie van de oplossing. Dit ionentransport van het ene compartiment naar het andere door het membraan geeft een open circuitspanning en stroomwaarden, die worden gebruikt om het nettovermogen van de cel te berekenen26.
De prestaties van de RED stack zijn voornamelijk afhankelijk van de ionenuitwisselingscapaciteit en zwellingsdichtheid van CEM- en AEM-gebaseerde membranen27. Er wordt opgemerkt dat hoe hoger de ionenuitwisselingscapaciteit van de CEM en AEM, hoe beter de geleidbaarheid is. De hogere ionenuitwisselingscapaciteit van het membraan leidt echter tot een hoge zwelling, waardoor de mechanische sterkte van het membraan gemakkelijk verslechtert. Het is dus essentieel om de zwellingsdichtheid en de geleidbaarheid van de membranen te optimaliseren voor betere en betrouwbare celprestaties. Aan de andere kant is het ook cruciaal om de stapelweerstand te optimaliseren met de functie van de stroom van de voedingsoplossing in beide compartimenten. Naarmate het debiet toeneemt, neemt de stapelweerstand af en nemen de prestaties van de uitvoercel toe. Theoretisch wordt de weerstand van de RODE stapel gegeven door vergelijking 8.
(8)
N is het aantal celparen (alternatieve opstelling van anion- en kationenuitwisselingsmembranen), A is het effectieve gebied van beide membranen (m2),RA is de anionuitwisselingsmembraanweerstand (Ω m 2), RC is de kationenuitwisselingsmembraanweerstand (Ω m2),d c is de dikte van het compartiment met de geconcentreerde oplossing (m), k c is de ionische geleidbaarheid (S m -1), d dis de dikte van het compartiment met de geconcentreerde oplossing (m), k c is de ionische geleidbaarheid Ω (S m -1), d d d is de dikte van het compartiment met de geconcentreerde oplossing (m), k c is de ionische geleidbaarheid (S m -1), d d is de dikte van het compartiment met de verdunde oplossing (m), d is de dikte van het compartiment met de geconcentreerde oplossing (m), k c is de ionische geleidbaarheid (S m -1), d d is de dikte van het compartiment met de verdunde oplossing (m), d is de dikte van het compartiment met de geconcentreerde oplossing (m), k c is de ionische geleidbaarheid (S m -1), d d is de dikte van het compartiment met de verdunde oplossing (m), d is de dikte van het compartiment met de geconcentreerde oplossing (m), k c is de ionische geleidbaarheid (S m -1), d d is de dikte van het compartiment met de verdunde oplossing (m), d is de dikte van het compartiment met de geconcentreerde oplossing (m), kc is de ionische geleidbaarheid (S m-1),d d is de dikte van het compartiment met de verdunde oplossing (m) Het verminderen van de stackweerstand is een essentiële factor voor het verbeteren van het netto uitgangsvermogen, maar andere factoren beïnvloeden ook de celprestaties28, die ook moeten worden overwogen. Het spacerschaduweffect, de stroom van de voedingsoplossing, de compartimentbreedte en de concentratie van de voedingsoplossing, de schematische illustratie van de RODE cel worden weergegeven in figuur 5.
In RODE cellen fungeerde het membraan als een beperkende factor en vereiste het een stabiel hooggeleidend membraan. Afgezien daarvan moeten zowel CEM als AEM vergelijkbare iongeleidende eigenschappen hebben, zodat de cel een efficiënt en geoptimaliseerd uitgangsvermogen kan produceren. Bij betrouwbare RED-prestaties moet ook rekening worden gehouden met de afbraak van ionenuitwisselingscapaciteit en zoutaccumulatie. Nieuw membraanmateriaal en state-of-the-art apparaatarchitectuur kunnen de celprestaties in de komende toekomst verder verbeteren en zullen een pad effenen voor toekomstige onderzoeksrichting.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren geen belangenconflicten.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Research Foundation of Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (MEST) (nr. NRF-2017R1A2A2A05001329). De auteurs van het manuscript zijn de Sogang University, Seoul, Republiek Korea dankbaar.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AEM based membrane | Fumion | P1810-194 | Ionomer |
| CEM based membrane | Fumion | E550 | Ionomer |
| Digital torque wrench | Torqueworld | WP2-030-09000251 | wrench |
| Labview software | Natiaonal Instrument | - | Software |
| Laptop | LG | - | PC |
| Magnetic stirrer | Lab Companion | - | MS-17BB |
| N, N-Dimethylacetamide | Sigma aldrich | 271012 | Chemical |
| N-Methyl-2- pyrrolidone | Daejung | 872-50-4 | Chemical |
| Peristaltic pump | EMS tech Inc | - | EMP 2000W |
| Potassium hexacyanoferrate(II) trihydrate | Sigma aldrich | P3289 | Chemical |
| Potassium hexacyanoferrate(III) | Sigma aldrich | 244023 | Chemical |
| Pressure Gauge | Swagelok | - | Guage |
| Reverse electrodialysis setup | fabricated in lab | - | Device |
| RO system pure water | KOTITI | - | Water |
| Rotary evaporator | Hitachi | YEFO-KTPM | Induction motor |
| Sodium Chloride | Sigma aldrich | S9888 | Chemical |
| Sodium Hydroxide | Merk | 1310-73-2 | Chemical |
| Source meter | Keithley | - | 2410 |
| Spacer | Nitex, SEFAR | 06-250/34 | Spacer |
| Sulfuric acid | Daejung | 7664-93-9 | Chemical |
| Tube | Masterflex tube | 96410-25 | Rubber tube |
References
- 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. Energy Generation Using Reverse Electrodialysis: Principles, Implementation, and Applications. , Springer. (2019).
- Mei, Y., Tang, C. Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: A review. Desalination. 425, 156-174 (2018).
- Yip, N. Y., Brogioli, D., Hamelers, H. V. M., Nijmeijer, K. Salinity gradients for sustainable energy: primer, progress, and prospects. Environmental Science & Technology. 50, 12072-12094 (2016).
- Li, W., et al. A novel hybrid process of reverse electrodialysis and reverse osmosis for low energy seawater desalination and brine management. Applied Energy. 104, 592-602 (2013).
- Brauns, E. Salinity gradient power by reverse electrodialysis: effect of model parameters on electrical power output. Desalination. 237, 378-391 (2009).
- Cusick, R. D., Kim, Y., Logan, B. E. Energy capture from thermolytic solutions in microbial reverse-electrodialysis cells. Science. 335, 1474-1477 (2012).
- Kim, D. H., Park, B. H., Kwon, K., Li, L., Kim, D. Modeling of power generation with thermolytic reverse electrodialysis for low-grade waste heat recovery. Applied Energy. 189, 201-210 (2017).
- Hong, J. G., et al. Potential ion exchange membranes and system performance in reverse electrodialysis for power generation: A review. Journal of Membrane Science. 486, 71-88 (2015).
- Choi, S. -Y., et al. Controlling fuel crossover in open electrochemical cells by tuning the water nanochannel for power generation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 8, 8613-8623 (2020).
- Shah, S. A., et al. Modified single-wall carbon nanotube for reducing fouling in perfluorinated membrane-based reverse electrodialysis. International Journal of Hydrogen Energy. 45, 30703-30719 (2020).
- Kwon, K., Han, J., Park, B. H., Shin, Y., Kim, D. Brine recovery using reverse electrodialysis in membrane-based desalination processes. Desalination. 362, 1-10 (2015).
- Kwon, K., Park, B. H., Kim, D. H., Kim, D. Parametric study of reverse electrodialysis using ammonium bicarbonate solution for low-grade waste heat recovery. Energy Conversion and Management. 103, 104-110 (2015).
- Hatzell, M. C., Ivanov, I., Cusick, R. D., Zhu, X., Logan, B. E. Comparison of hydrogen production and electrical power generation for energy capture in closed-loop ammonium bicarbonate reverse electrodialysis systems. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 1632-1638 (2014).
- Zhu, X. P., He, W. H., Logan, B. E. Reducing pumping energy by using different flow rates of high and low concentration solutions in reverse electrodialysis cells. Journal of Membrane Science. 486, 215-221 (2015).
- Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. Doubled power density from salinity gradients at reduced intermembrane distance. Environmental Science & Technology. 45, 7089-7095 (2011).
- Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water. Journal of Membrane Science. 327, 136-144 (2009).
- Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. Electrical power from sea and river water by reverse electrodialysis: a first step from the laboratory to a real power plant. Environmental Science & Technology. 44, 9207-9212 (2010).
- Batchelor, C. K., Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. , Cambridge University Press. (2000).
- Schock, G., Miquel, A. Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules. Desalination. 64, 339-352 (1987).
- Da Costa, A. R., Fane, A. G., Wiley, D. E. Spacer characterization and pressure drop modelling in spacer-filled channels for ultrafiltration. Journal of Membrane Science. 87, 79-98 (1994).
- Vermaas, D. A., Veerman, J., Saakes, M., Nijmeijer, K. Influence of multivalent ions on renewable energy generation in reverse electrodialysis. Energy & Environmental Science. 7, 1434-1445 (2014).
- Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. Enhanced mixing in the diffusive boundary layer for energy generation in reverse electrodialysis. Journal of Membrane Science. 453, 312-319 (2014).
- Moreno, J., Grasman, S., van Engelen, R., Nijmeijer, K.
- Sarkar, S., SenGupta, A. K., Prakash, P. The donnan membrane principle: opportunities for sustainable engineered processes and materials. Environmental Science & Technology. 44, 1161-1166 (2010).
- Kim, H. -K., et al. High power density of reverse electrodialysis with pore-filling ion exchange membranes and a high-open-area spacer. Journal of Materials Chemistry A. 3, 16302-16306 (2015).
- Długołęcki, P., Nymeijer, K., Metz, S., Wessling, M. Current status of ion exchange membranes for power generation from salinity gradients. Journal of Membrane Science. 319, 214-222 (2008).
- Geise, G. M., Curtis, A. J., Hatzell, M. C., Hickner, M. A., Logan, B. E. Salt concentration differences alter membrane resistance in reverse electrodialysis stacks. Environmental Science & Technology Letters. 1, 36-39 (2014).
