Membranas de troca de íons para a fabricação do dispositivo de eletrodiálise reversa
Summary
Demonstramos a fabricação de um dispositivo de eletrodiálise reversa usando uma membrana de troca de cáção (CEM) e membrana de troca de ânion (AEM) para geração de energia.
Abstract
A eletrodiálise reversa (RED) é uma maneira eficaz de gerar energia misturando duas concentrações de sal diferentes na água usando membranas de troca de cáção (CEM) e membranas de troca de ânion (AEM). A pilha RED é composta por um arranjo alternado da membrana de troca de cá de cáção e membrana de troca de ânion. O dispositivo RED atua como um potencial candidato para atender à demanda universal por futuras crises energéticas. Aqui, neste artigo, demonstramos um procedimento para fabricar um dispositivo de eletrodiálise reversa utilizando CEM e AEM em escala laboratorial para produção de energia. A área ativa da membrana de troca de íons é de 49 cm2. Neste artigo, fornecemos um procedimento passo-a-passo para sintetizar a membrana, seguido da montagem da pilha e medição de energia. As condições de medição e o cálculo da saída de energia líquida também foram explicados. Além disso, descrevemos os parâmetros fundamentais que são levados em consideração para a obtenção de um resultado confiável. Também fornecemos um parâmetro teórico que afeta o desempenho geral da célula relacionada à membrana e à solução de alimentação. Em suma, este experimento descreve como montar e medir células VERMELHAs na mesma plataforma. Ele também contém o princípio de trabalho e o cálculo utilizados para estimar a saída de energia líquida da pilha RED usando membranas CEM e AEM.
Introduction
A coleta de energia dos recursos naturais é um método econômico que é ecologicamente correto, tornando nosso planeta verde e limpo. Vários processos foram propostos até agora para extrair energia, mas a eletrodiálise reversa (RED) tem um enorme potencial para superar a questão da crise energética1. A produção de energia da eletrodiálise reversa é um avanço tecnológico para a descarbonização da energia global. Como o nome sugere, o RED é um processo inverso, onde o compartimento de células alternativas é preenchido com a solução de sal de alta concentração e solução de sal de baixa concentração2. O potencial químico gerado pela diferença de concentração de sal entre as membranas de troca de íons, coletados dos eletrodos na extremidade do compartimento.
Desde o ano 2000, muitos artigos de pesquisa foram publicados, fornecendo insights sobre o RED teoricamente e experimentalmente3,4. Estudos sistemáticos sobre as condições de operação e estudos de confiabilidade em condições de estresse melhoraram a arquitetura da pilha e melhoraram o desempenho geral das células. Vários grupos de pesquisa desviaram sua atenção para a aplicação híbrida red, como RED com processo de dessalinização5, RED com energia solar6, VERMELHO com osmose reversa (RO) processo5, VERMELHO com a célula de combustível microbiano7, e VERMELHO com o processo de resfriamento radiativo8. Como mencionado anteriormente, há muito escopo na implementação da aplicação híbrida da RED para resolver o problema de energia e água limpa.
Vários métodos foram adotados para melhorar o desempenho da célula RED e a capacidade de troca de íons da membrana. A alfaiataria das membranas de troca de cáção com diferentes tipos de íons utilizando grupo de ácido sulfônico (-SO3H), grupo de ácido fosfônico (-PO3H2) e grupo de ácido carboxílico (-COOH) é uma das formas eficazes de alterar as propriedades físico-químicas da membrana. As membranas de troca de ânion são adaptadas com grupos de amônio ( 
)9. A alta condutividade iônica de AEM e CEM sem deteriorar a resistência mecânica da membrana é o parâmetro essencial para a seleção de uma membrana adequada para aplicação do dispositivo. A membrana robusta sob condições de estresse proporciona estabilidade mecânica à membrana e aumenta a durabilidade do dispositivo. Aqui, uma combinação única de poli sulfoado livre de alto desempenho (cetona éter) (sPEEK) como membranas de troca de cáation com FAA-3 como membranas de troca de ânion são usadas na aplicação RED. A Figura 1 mostra o fluxograma do procedimento experimental.
Figura 1: Gráfico de procedimento. O fluxograma apresenta o procedimento adotado para a preparação da membrana de troca de íons seguida do processo de medição da eletrodiálise reversa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
O princípio de trabalho do RED é dominado principalmente pelas propriedades físico-químicas da membrana, que é uma parte crucial do sistema RED, conforme ilustrado na Figura 3. Aqui, descrevemos as características fundamentais da membrana para a entrega de um sistema RED de alto desempenho. A permeabilidade de íons específico da membrana faz com que passe um tipo de íons através de seu nanocanal de polímero. Como o nome sugere, o CEM pode passar o cáção de um lado para o outro …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) financiada pelo governo da Coreia (MEST) (No. NRF-2017R1A2A2A05001329). Os autores do manuscrito são gratos à Universidade de Sogang, Seul, República da Coreia.
Materials
| 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 |
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