Summary
Vi visar tillverkning av en omvänd elektrodialys enhet med hjälp av en katjon-utbyte membran (CEM) och anjon-exchange membran (AEM) för kraftgenerering.
Abstract
Omvänd elektrodialys (RED) är ett effektivt sätt att generera kraft genom att blanda två olika saltkoncentrationer i vatten med hjälp av katjonbytarmembran (CEM) och anjonbytarmembran (AEM). RED-stacken består av ett alternerande arrangemang av katjonbytningsmembranet och anjonutbytesmembranet. Red-enheten fungerar som en potentiell kandidat för att uppfylla den universella efterfrågan på framtida energikriser. Här, i den här artikeln, visar vi en procedur för att tillverka en omvänd elektrodialysanordning med hjälp av CEM och AEM i laboratorieskala för kraftproduktion. Det aktiva området i jonbytningsmembranet är 49 cm2. I den här artikeln tillhandahåller vi en steg-för-steg-procedur för att syntetisera membranet, följt av stackens montering och effektmätning. Mätförhållandena och beräkningen av nettoeffekten har också förklarats. Dessutom beskriver vi de grundläggande parametrar som beaktas för att uppnå ett tillförlitligt resultat. Vi tillhandahåller också en teoretisk parameter som påverkar den totala cellprestandan i samband med membranet och matningslösningen. Kort sagt beskriver detta experiment hur man monterar och mäter RÖDA celler på samma plattform. Den innehåller också arbetsprincipen och beräkningen som används för att uppskatta nettoeffekten för RED-stacken med hjälp av CEM- och AEM-membran.
Introduction
Energiskörd från naturresurser är en ekonomisk metod som är miljövänlig och därmed gör vår planet grön och ren. Flera processer har hittills föreslagits för att utvinna energi, men omvänd elektrodialys (RED) har en enorm potential att övervinna energikrisfrågan1. Kraftproduktion från Reverse electrodialysis är ett tekniskt genombrott för utfasning av fossila bränslen i den globala energin. Som namnet antyder är RED en omvänd process, där det alternativa cellfacket fylls med den högkoncentrerade saltlösningen och lågkoncentrerad saltlösning2. Den kemiska potential som genereras av saltkoncentrationsskillnaden mellan jonbytarmembranen, som samlats in från elektroderna i kupésluten.
Sedan år 2000 har många forskningsartiklar publicerats, vilket ger insikt i RED teoretiskt ochexperimentellt 3,4. Systematiska studier av driftsförhållanden och tillförlitlighetsstudier under stressförhållanden förbättrade stackarkitekturen och förbättrade den totala cellprestandan. Flera forskargrupper har avlett sin uppmärksamhet mot RED: s hybridapplikation, till exempel RÖD med avsaltningsprocess5, RÖD med solenergi6, RÖD med omvänd osmos (RO) process5, RÖD med den mikrobiella bränslecellen7, och RÖD med den radiativa kylprocessen8. Som nämnts tidigare finns det mycket utrymme i genomförandet av RED: s hybridapplikation för att lösa energi- och renvattenproblemet.
Flera metoder har antagits för att förbättra RED-cellens prestanda och membranets jonutbyteskapacitet. Att skräddarsy katjonbytarmembranen med olika typer av joner med hjälp av suldonsyragrupp (-SO3H), fosfonsyragruppen (-PO3H2)och karboxylsyragruppen (-COOH) är ett av de effektiva sätten att ändra membranets fysikaliskkemiska egenskaper. Anjonbytarmembran är skräddarsydda med ammoniumgrupper ( 
)9. AEM:s och CEM:s höga joniska ledningsförmåga utan att försämra membranets mekaniska styrka är den viktigaste parametern för att välja ett lämpligt membran för applicering av enheter. Det robusta membranet under stressförhållanden ger mekanisk stabilitet till membranet och förbättrar enhetens hållbarhet. Här används en unik kombination av högpresterande fristående sulfonerat poly (etereterketon) (sPEEK) som katjonbytarmembran med FAA-3 som anjonbytarmembran i DEN RÖDA applikationen. Figur 1 visar flödesschemat för försöksförfarandet.
Figur 1: Procedurdiagram. Flödesschemat presenterar det förfarande som antagits för beredning av jonutbytesmembran följt av processen för mätning av omvänd elektrodialys. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Experimentellt krav
- Köp jonbytarjonompolymer, E-550 sulfonerad PEEK polymerfiber för att förbereda CEM och FAA-3 för att förbereda AEM. Se till att alla jonomerpolymerer förvaras i en ren, torr och dammfri miljö före användning.
- Använd lösningsmedel med hög renhet (>99%) inklusive N-Metyl-2- pyrrolidon med molekylvikt 99,13 g mol-1 och N, N-Dimetylacetamid med molekylvikt 87,12, för beredning av homogen jonomerlösning. Se till att alla kemikalier och lösningsmedel av analytisk kvalitet används för membranberedning som mottagets utan ytterligare rening.
- Efter membranens aktiveringsprocess, sänk omedelbart ner alla membran i en 0,5 M NaCl-lösning för bättre prestanda. Efter aktivering av båda membranen krävs inte torkning. Vatten med resistivitet är 18,2 MΩ vid rumstemperatur användes under hela syntesen av membranet.
- Karakterisera membranegenskaper med hjälp av ett torrt membran. Den detaljerade beskrivningen av karakteriseringsteknikerna och deras fysikalisk-kemiska egenskaper som jonutbyteskapacitet, jonledningsförmåga, tjocklek, termisk analys och ytmorfologi, är som presenteras ilitteraturerna 10,11.
- Använd en fräs för att forma membranet för CEM och AEM till RED-stapelstorleken med en aktiv yta på 49 cm2, som visas i figur 2.
- För RED stack-tillverkningen, gör en alternativ CEM- och AEM-arrangemang, separerad med distans och packning; En verklig bild av den fungerande RED-stacken presenteras i figur 3a, och dess schematiska diagram över varje lager illustreras i figur 3b.
- Placera först PMMA-plattan vänd mot elektrod uppsida; Placera nu gummipackningen och distansen på den och placera sedan CEM. Placera därefter silikonpackningen med distansen på CEM och placera sedan AEM på den. Lägg på samma sätt till kiselpackningen och distansen på toppen av AEM följt av CEM. Placera nu slutplåten PMMA, gummipackningen och distansen följt av åtdragning med skruv- och mutterbultar.
- Efter montering av RED-stacken, kontrollera det fria flödet av högkoncentrationen (HC), lågkoncentration (LC) och skölj lösningarna en efter en. Eventuellt korsflöde eller läckage måste elimineras före mätningen.
- Före ström- och spänningsmätningen, övervaka flödeshastigheten för saltlösningar och tryckmätare och se till att den stabiliseras. Se till att alla anslutningar är på exakt plats innan mätningen startar. Undvik att vidröra RED-stacken och dess anslutningsrör medan mätningen är igång.
OBS: HC- och LC-lösning flödar från sina fack för att kassera facket genom en peristaltisk pump, tryckmätare respektive RÖD stack. - Använd galvanostatmetod för mätning av ström och spänning, källmätarinstrumentet som är anslutet till RED-stacken genom krokodilklämmor.
Figur 2:Storlek och form på det bereddamembranet, packningen och distansen för tillverkning av omvänd elektrodialys. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 3:Omvänd elektrodialysstack. (a) inställning av omvänd elektrodialysstack med anslutningsrör och( b) schematisk illustration av olika skikt, inklusive PMMA-ändplattor, elektroder, packning, distans, CEM och AEM. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
2. Jonbyte membranberedning
OBS: Mängden prekursormaterial optimerades för att erhålla ett membran med 18 cm diameter och ~ 50 μm tjocklek.
-
Katjonbytningsmembran
- Ta 5 wt% av sulfonerade PEEK-fibrer i en 250 ml rund bottenkolv och lös upp fibrerna i Dimetylacetamide (DMAc) som lösningsmedel med molekylvikt 87,12 g mol-1. Skaka kolven i 10 minuter så att alla jonomerpolymerer sätter sig.
- Placera en magnetstång i kolven och förvara sedan blandningen i kiseloljebadet, följt av kraftig omrörning vid 500 varv/min i 24 timmar vid 80 °C för att få en homogen lösning.
- Filtrera sulfonerad PEEK-lösningen genom ett 0,45 μm porstorlek Polytetrafluoretylenfilter (PTFE).
- Häll därefter den filtrerade lösningen på en cirkulär glasform med en diameter på 18 cm. Se till att alla luftbubblor avlägsnas med en luftflare innan petriskålen placeras i ugnen.
- Placera Petri-skålen i en ugn för torkning av lösningen vid 90 °C i 24 timmar, vilket resulterar i ~50 μm tjockt fristående membran. Gör detta för att extrahera fristående membran: För att skala av membranet från Petri-skålen, fyll Petri-skålen med varmt destillationsvatten (~ 60 °C) och låt det stå i 10 min orörd. Det fristående membranet kommer automatiskt ut.
- För membranaktivering, sänk ned det beredda fristående membranet i 1 M svavelsyra (H2SO4) vattenlösning, dvs.
OBS: Detta steg kommer att säkerställa avlägsnande av främmande partiklar och andra kemikalier såsom lösningsmedel som minskar risken för membran från påväxt. - Tvätta det blötlagda membranet med 1 L destillerat vatten i 10 min, minst tre gånger vid rumstemperatur.
- Anjonbytmembran
- Lös upp FAA-3 jonomerlösning 10 wt.% i N-Metyl-2-pyrrolidonlösningsmedel (NMP).
- Förvara lösningen för omrörning i rumstemperatur i 2 timmar vid ~500 varv/min.
- Därefter filtrerar du lösningen med hjälp av nätet med 100 μm porstorlek.
- Häll ~30 ml filtrerad lösning i en cirkulär petriskål i glas med en diameter på 18 cm. Se till att alla luftbubblor avlägsnades med en luftflare innan du placerar petriskålen i ugnen. Torkningsprocessen sker vid 100 °C i 24 timmar.
- För att få ett fristående membran, häll varmt destillerat vatten i glas petriskålen och behåll den i minst 10 minuter. Skala nu av membranen och placera i 1 liter natriumhydroxidlösning (NaOH) (koncentration 1M och molekylvikt 40 g mol-1) i 2 timmar.
- Tvätta sedan membranet noggrant med 1 L destillerat vatten i 10 min, minst tre gånger i omgivande tillstånd.
OBS: Alla förberedda membran förvarades i 0,5 M NaCl-lösningen över natten innan de användes i RED-stacken. Så att membranets ledningsförmåga förbättras och kan uppnå stabiliserad uteffektprestanda under mätningen av RED-stacken. Tabell 1 beskrivermembranegenskaperna 10,11.
| Specifikation | Enhet | CEM (CEM) | AEM (AEM) |
| Svullnadsgrad | % | 5±1 | 1±0,5 |
| Laddningsdensitet eller jonutbyteskapacitet | meq/g | 1.8 | ~1,6 |
| Mekaniska egenskaper (Draghållfasthet) |
Mpa | >40 | 40-50 |
| Förlängning till paus | % | ~42 (42) | 30-50 |
| Ung Modulus (MPa) | 1500±100 | 1000-1500 | |
| Konduktivitet vid rumstemperatur | S/cm | ~0,03 | ~0.025 |
| Permselektivitet | % | 98-99 | 94-96 |
| Tjocklek | μm (μm) | 50±2 | 50±3 |
| Lösningsmedel | - | Dimetylacetamid (DMAc) | N-metyl-2-pyrrolidon (NMP) |
Tabell 1: Membranegenskaper. Sammanfattning av både katjonutbyte och anjonutbytesmembranegenskaper.
3. Tillverkning av omvänd elektrodialys
-
Montering av RÖD stack
- Förbered en modelllösning med 0,6 M NaCl för hög koncentration (HC) och 0,01 M NaCl för lågkoncentrationsfack (LC)12.
OBS: Här anses flodvatten vara en saltlösning med låg koncentration, och havsvatten representeras som en saltlösning med hög koncentration. - Förbered 5 L hög koncentration och låg koncentrationslösning i en stor behållare som är ansluten till rören. Håll lösningarna omröra vid omgivningsförhållanden (rumstemperatur) i minst 2 timmar innan de används i RED-stacken.
- Förbered blandningen av 0,05 M [Fe (CN)6]-3/ [Fe (CN)6]-4 och 0,3 M NaCl i 500 ml vatten som sköljlösning för RÖTT.
- Anslut alla tre lösningsbehållare med RED stack med gummirör genom den peristaltiska pumpen och tryckmätare. Använd röret av storlek L/S 16 för sköljlösning och använd röret med storlek L/S 25 för HC- och LC-lösning.
- För att göra en RÖD stack, ta två ändplattor som består av polymethylmetylmetyltakrylat (PMMA). Anslut båda ändplattorna horisontellt ansikte mot ansikte med muttrar, bultar och brickor med hjälp av 25 Nm kraft med hjälp av en digital skiftnyckeldrivrutin. Tjockleken på PMMA-ändplattorna 3 cm och flödeskanalernas väg utformades i plattor för HC, LC och sköljlösning med en borrare2.
- Placera två nätelektroder tillverkade av titan av metall (Ti) belagda med en blandning av Iridium (Ir) och Ruthenium (Ru) i ett 1:1-förhållande och placera i slutet av PMMA-plattorna. Båda ändelektroderna är anslutna till krokodilklämman på källmätaren.
OBS: Båda PMMA-ändplattorna är utrustade med meshelektroder, båda elektroderna var skiktade med en fyrkantig form distans och PMMA-ändplattan täckt med en gummipackning vänd inuti. Därefter placeras CEM och AEM alternativt åtskilda av silikonpackning och distans, enligt figur 3. - Installera kiselpackningar, polymerdistanser och jonbytarmembran (CEM och AEM) skikt för skikt, enligt diagrammet figur 4 och figur 5. Se till att det aktiva området av elektroder, både membran, yttre och inre distans, yttre och inre packning är 7 x 7 = 49 cm2.
- Passera lösningar med hög koncentration och låg koncentration från respektive fack med peristaltiska pumpar, som visas i schematiska diagrammet i figur 4.
- Cirkulera sköljlösningen i de yttre elektrod- och membranfacken i recirkulationsläge med hjälp av peristaltiska pumpar. Flödeshastigheten som används för sköljlösningen är 50 ml min-1.
- Fast flöde används för att analysera varje membrans prestanda. I detta experiment har vi använt 100 mL min-1 genom en peristaltisk pump.
- Förbered en modelllösning med 0,6 M NaCl för hög koncentration (HC) och 0,01 M NaCl för lågkoncentrationsfack (LC)12.
Figur 4: Schematisk representation av röranslutningen med omvänd elektrodialysstack. Anslutning av omvänd elektrodialys med peristaltiska pumpar, behållare med hög koncentrationslösning, behållare med låg koncentrationslösning, sköljlösningsbehållare och behållare för kasserade lösningar. Det visar också distansens inriktning med både ett anjonutbytesmembran (AEM) och katjonutbytesmembran (CEM). Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 5: Schematiskt diagram över olika skikt i denomvända elektrodialysinställningen. (a) Tvärsnittsvy av en schematisk illustration av omvänd elektrodialys visar flödesriktningen för högkoncentrationslösningen, lågkoncentrationslösningen och elektrodsköljlösningen. Andra komponenter som elektroder, yttre och inre packningar, yttre och inre distanser, katjonbytarmembran och anjonbytarmembran. b)Frontvy av stapeln, som visar en lösnings flödesriktning. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
4. Mätning av omvänd elektrodialys
-
Effektberäkning
- Låt den höga koncentrationen, låg koncentrationen och sköljlösningen gå igenom stapeln minst i 5 minuter. Mät RED-utgångsprestandan med en källmätare, som är ansluten till båda elektroderna i RED-stacken13.
- Beräkna RED-stackens strömspänningsegenskaper när det gäller effekttäthet med hjälp av galvanostatmetoden.
OBS: I galvanostatmetoden appliceras en konstant ström över elektroder och mäter den resulterande strömmen. Den resulterande strömmen är den ström som genereras på grund av den elektrokemiska reaktionen i stapeln. Mätningen utförs under statisk spänning på 0,05 V med en fast svepström som är 10 mA. - Den maximala effekttätheten för RED-stacken mäts med hjälp av följande ekvation 1.
(1)
Här är Pmax den maximala effekttätheten för RED-stacken (Wm-2),U-stack är spänningen (V) som produceras av membranet i stapeln, jagstaplar är den registrerade strömmen (A) och A mem ärmembranets aktiva område (m2).
(1)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nettoeffekt
RÖD cell genererar i allmänhet elektrisk energi från saltlösningens saltlösnings saltlösnings saltgradient, dvs jonernas rörelse i motsatt riktning genom membranet. För att montera RED-stacken korrekt måste man justera alla lager, inklusive elektroder, packningar, membran och distanser i stacken noggrant, vilket visas i schematdiagrammet i figur 4 och figur 5. Om stacken inte är perfekt justerad kan två problem uppstå: (i) HC och LC-lösningskorsningar kan uppstå i stacken och (ii) läckage av lösningen i stacken kan uppstå. Det är nödvändigt att eliminera båda problemen innan den faktiska mätningen av uteffekten påbörjas. Andra parametrar måste åtgärdas, inklusive HC- och LC-lösningens flödeshastighet, pumptryck och anbringad spänning för att få effektiv uteffekt. För att uppskatta RED-stackens nettoeffekt måste man dra av den hydrodynamiska effektförlusten från erhållna nettoeffekt10. Den maximala uteffekten erhålls från RED-stacken genom att multiplicera den erhållna spänningen och strömmen. Däremot måste membranparens aktiva yta och antal delas upp för att erhålla stackens faktiska effekttäthet, enligt ekvation 114,15. Den totala effekt som erhålls från RED-stacken subtraheras av en hydrodynamisk effektförlust eller pumpkraftförlust som genereras av pumpen och ges av följande ekvation 2.
(2)
Här ärP-förlust en hydrodynamisk pumpeffektförlust (W m-2)som produceras i RED-stacken genom intern förlust. Pmax är den maximala effekt (W m-2)som erhålls från experimentet. Den högsta nettoeffekten som rapporteras för RED är 1,2 Wm -2 med flodvatten och havsvatten av Vermaas16. Effektförlust representeras som en tryckskillnad vid inlopp och utlopp för HC- och LC-lösning vid stapeln och ges av tryckfall (ΔP),flödeshastighet (Q) och pumpeffektivitet (ηpump)17,18.
(3)
Här är QH och QL flödeshastigheten (mL mim-1)för en högkoncentrationslösning och lågkoncentrationslösning i mL min-1 och ΔPH och ΔPL är tryckfallet vid högkoncentrationssidan och lågkoncentrationsfacket i Pa. Här är det uppmätta tryckfallet från tryckmätaren för HC-facket 11 790 Pa och LC-facket är 11 180 Pa. Den beräknade pumpeffektförlusten(P-förlust)är 0,038 W m-2.
Teoretisk parameteruppskattning
I grund och botten består ett RÖTT system av två olika typer av jonbytarmembran, packning, pump, distanser och elektrod. Tryckfallet över RED-stacken uppskattas teoretiskt med Darcy-Weisbach ekvation11,19. I ett idealiskt RÖTT system används ett laminärt flöde av lösning i en oändligt bred enhetlig kanal för att beräkna tryckfallet.
(4)
Här är dh (m) kanalens hydrauliska diameter, medan den hydrauliska diametern för en oändlig bred kanal är 2h. Andra parametrar är vattnets viskositet (Pa·s), tres är uppehållstiden (s), L är membranets längd (cm). I RÖD stapel ges sPEEK som CEM och FAA-3 som AEM, och avståndet mellan båda membranen ges med termen b, som står i direkt proportion till den hydrauliska diameterns värde för det profilerade membranet, och "h" är det intermembrane avståndet (m), ges med ekvation 520.
(5)
För en oändlig bred kanal är värdet som beräknas från ekvation 6 vanligtvis mycket lägre än den finita breda kanalens värde. De erhållna värdena är av låg storlek, vilket beror på att inlopps- och utloppslösningarna inte är enhetliga. Distansnätet begränsar flödet av vattenhaltiga saltlösningar på grund av distansskuggans effekt, vilket resulterar i en ökning av pumpkraften. Om man placerar värdet från förhållandet mellan yta och volym(Ssp / V sp)av distansnät i formeln, ε är porositeten, kan man uppskatta tjockleken på distansfyllda kanaler från ekvation 621,22.
(6)
Distanstjockleken och de andra parametrarna, inklusive öppet förhållande, nätöppning och tråddiametrar, hålls konstanta i alla fack. Både HC- och LC-fack använde samma lösning (NaCl) med olika koncentrationer. Därför är det lätt att initiera parametrarna, och teoretisk pumpförlust kan ges genom ekvation 723.
(7)
Där A är det aktiva membranområdet i m2 och Q matningslösningens flöde i m3 s-1. Här är μ viskositeten hos vatten mätt i Pa·s, L är längden påmembranet som ges av cm, och t res är en uppehållstid i andra.
Prestanda för RED-stacken
RED-stackens utdataprestanda undersöktes med hjälp av ett cellpar med ett fast flödeshastighet på 100 mL min-1. Foderlösningens koncentration hölls också fast för en högre koncentration (0,6 M) och en lägre koncentration (0,01 M) framställd av NaCl-salt. Det observeras att den maximala effekttätheten är 0,69 W m-2 vid 100 mL min-1, och nettoeffekttätheten är 0,66 W m-2 enligt figur 6. Högre flödeshastighet och hög jonutbyteskapacitet spelar en viktig roll för att uppnå bättre cellprestanda eftersom jonernas transport är mer aktiv i ett högre flöde. Å andra sidan minskar det diffusionsgränsskiktets motstånd vid gränssnittet. Skillnaden i saltkoncentrationens salthaltsgradient ger upphov till spänning med öppen krets, vilket illustreras i figur 6. Denna spänning beror på det interna motståndet hos RED-stacken och andra parametrar. Det noteras att när den nuvarande densiteten ökar minskar spänningsstarten medan cellens effekttäthet initialt ökar för att erhålla maxima vid ett visst strömtäthetsvärde och sedan sjunker ner. Denna minskning av effekttätheten beror på en ökning av stackens inre motstånd, vilket visas i figur 6.
Figur 6: Utgångsprestanda för den omvända elektrodialysanordningen: (a) variation av utgångsspänning med varierande ström och( b) nettoeffekttäthet med en varierande strömtäthet hos RED-stacken. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den rödas arbetsprincip domineras främst av membranets fysikaliskkemiska egenskaper, som är en avgörande del av DET RÖDA systemet, vilket illustreras i figur 3. Här beskriver vi membranets grundläggande egenskaper för att leverera ett högpresterande RÖTT system. Membranets specifika jonpermeabilitet gör att den passerar en typ av joner genom deras polymernanopakanal. Som namnet antyder kan CEM passera katjon från en sida till en annan och begränsar anjonen, medan AEM kan passera anjon och begränsa katjonen. Som visas i figur 2 formadesalla membran till en RÖD stapelstorlek som innehåller inlopps- och utloppspassage för flödeslösning. Mängden jon som utbyts genom membranet står i direkt proportion till membranets ledningsförmåga och därmedstackens uteffekt 24. Jonernas rörelse i jonbytningsmembranet fungerar på Donnan-uteslutningsprincipen25. Laddningsgruppen som är fäst med polymerens ryggrad avvisar samma laddning som finns i lösningen. Således högre laddningstätheten större kommer att vara avstötningen, som vanligtvis beror på perm selektiviteten. I röda blodkroppar sker i allmänhet jonernas rörelse genom membranet från högre koncentration till lägre koncentration av lösningen. Denna jontransport från ett fack till ett annat genom membranet ger en öppen kretsspänning och strömvärden, som används för att beräkna nettoeffekten förcellen 26.
DEN RÖDA stackens prestanda beror främst på jonutbyteskapaciteten och svullnadstätheten hos CEM- och AEM-baserademembran 27. Det observeras att ju högre jonutbyteskapacitet CEM och AEM har, desto bättre är konduktiviteten. Membranets högre jonbytningskapacitet leder dock till hög svullnad, vilket lätt försämrar membranets mekaniska styrka. Således är det viktigt att optimera svullnadstätheten och membranens ledningsförmåga för bättre och tillförlitlig cellprestanda. Å andra sidan är det också viktigt att optimera stapelmotståndet med funktionen hos matningslösningens flöde i båda facken. När flödeshastigheten ökar minskar stackmotståndet och utdatacellens prestanda ökar. Teoretiskt ges RED stackmotstånd genom ekvation 8.
(8)
N är antalet cellpar (alternativt arrangemang av anjon- och katjonbytarmembran), A är det effektiva området för båda membranen (m2), RA är anjonutbytesmembranets resistens (Ω m2), RC är katjonutbytesmembranets resistens (Ω m2), dc är tjockleken på facket med den koncentrerade lösningen (m), kc är dess joniska ledningsförmåga (S m-1 ), dd är tjockleken på facket med den utspädda lösningen (m), kd är dess joniska ledningsförmåga (S m-1), och Re är elektrodbeständigheten (Ω). Att minska stackmotståndet är en viktig faktor för att förbättra nettoeffekten, men andra faktorer påverkar ocksåcellprestandan 28, som också måste beaktas. Distansskuggans effekt, matningslösningens flöde, utrymmesbredden och koncentrationen av matningslösningen, den schematiska illustrationen av DEN RÖDA cellen presenteras i figur 5.
I RÖDA celler fungerade membranet som en begränsande faktor och krävde ett stabilt högt ledande membran. Bortsett från det måste både CEM och AEM ha jämförbara jon ledande egenskaper så att cellen kan producera en effektiv och optimerad uteffekt. Försämring av jonutbyteskapaciteten och saltackumulering måste också beaktas för tillförlitlig RED-prestanda. Nytt membranmaterial och toppmodern enhetsarkitektur kan ytterligare förbättra cellprestandan under den kommande framtiden och bana väg för framtida forskningsriktning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av National Research Foundation of Korea (NRF) bidrag finansierat av Koreas regering (MEST) (Nr. NRF-2017R1A2A2A05001329). Författarna till manuskriptet är tacksamma mot Sogang University, Seoul, Sydkorea.
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).
