ממברנות חילופי יונים לייצור התקן אלקטרודיאליזה הפוכה
Summary
אנו מדגימים ייצור של התקן אלקטרודיאליזה הפוכה באמצעות קרום חילופי cation (CEM) וקרום החלפת אניון (AEM) לייצור חשמל.
Abstract
אלקטרודיאליזה הפוכה (אדום) היא דרך יעילה לייצר כוח על ידי ערבוב שני ריכוזי מלח שונים במים באמצעות ממברנות חילופי cation (CEM) וממברנות החלפת אניון (AEM). הערימה האדומה מורכבת מהסדר לסירוגין של קרום חילופי הקטיון וקרום החלפת האניון. מכשיר RED משמש כמועמד פוטנציאלי למימוש הביקוש האוניברסלי למשברי אנרגיה עתידיים. כאן, במאמר זה, אנו מדגימים הליך לייצור התקן אלקטרודיאליזה הפוך באמצעות CEM בקנה מידה מעבדה ו- AEM לייצור חשמל. האזור הפעיל של קרום חילופי היונים הוא 49 ס”מ2. במאמר זה, אנו מספקים הליך שלב אחר שלב לסינתזה של הממברנה, ואחריו ההרכבה של הערימה ומדידת כוח. תנאי המדידה וחישוב פלט החשמל נטו הוסברו גם הם. יתר על כן, אנו מתארים את הפרמטרים הבסיסיים הנלקחים בחשבון להשגת תוצאה אמינה. אנו מספקים גם פרמטר תיאורטי המשפיע על ביצועי התא הכוללים הקשורים לממברנה ולפתרון ההזנה. בקיצור, ניסוי זה מתאר כיצד להרכיב ולמדוד תאים אדומים על אותה פלטפורמה. הוא מכיל גם את עקרון העבודה ואת החישוב המשמש להערכת תפוקת הכוח נטו של הערימה האדומה באמצעות ממברנות CEM ו- AEM.
Introduction
קצירת אנרגיה ממקורות טבע היא שיטה חסכונית ידידותית לסביבה, ובכך הופכת את כוכב הלכת שלנו לירוק ונקי. מספר תהליכים הוצעו עד כה כדי לחלץ אנרגיה, אבל אלקטרודיאליזה הפוכה (אדום) יש פוטנציאל עצום להתגבר על בעיית משבר האנרגיה1. ייצור חשמל מאלקטרו-דיליזה הפוכה הוא פריצת דרך טכנולוגית לדה-קרבוניזציה של אנרגיה גלובלית. כפי שהשם מרמז, RED הוא תהליך הפוך, שבו תא התא החלופי מלא בתמיסת מלח מרוכזת גבוהה ותמיסת מלח בריכוז נמוך2. הפוטנציאל הכימי שנוצר על ידי הפרש ריכוז המלח על פני ממברנות חילופי היונים, שנאסף מהאלקטרודות בקצה התא.
מאז שנת 2000, מאמרי מחקר רבים פורסמו, מתן תובנה לתוך אדום תיאורטית וניסיונית3,4. מחקרים שיטתיים על תנאי הפעולה ומחקרי אמינות בתנאי לחץ שיפרו את ארכיטקטורת המחסנית ושיפרו את ביצועי התא הכוללים. מספר קבוצות מחקר הסיטו את תשומת לבם ליישום ההיברידי של RED, כגון RED עם תהליך התפלה5,אדום עם אנרגיה סולארית6, אדום עם תהליך אוסמוזה הפוכה (RO)5, אדום עם תא דלק מיקרוביאלי7, ו- RED עם תהליך הקירור הקריבי8. כאמור, יש היקף רב ביישום היישום ההיברידי של RED כדי לפתור את בעיית האנרגיה והמים הנקיים.
מספר שיטות אומצו כדי לשפר את הביצועים של התא האדום ואת יכולת החלפת היונים של הממברנה. התאמת ממברנות חילופי הקטיונים עם סוגים שונים של יונים באמצעות קבוצת חומצה גופרתית (-SO3H), קבוצת חומצה פוספונית (-PO3H2),וקבוצת חומצה קרבוקסילית (-COOH) היא אחת הדרכים היעילות לשנות את המאפיינים הפיזיקוכימיים של הממברנה. ממברנות החלפת אניון מותאמות לקבוצות אמוניום 
()9. מוליכות יונית גבוהה של AEM ו- CEM מבלי לדרדר את הכוח המכני של הממברנה היא הפרמטר החיוני לבחירת ממברנה מתאימה ליישום המכשיר. הממברנה החזקה בתנאי לחץ מספקת יציבות מכנית לממברנה ומשפרת את עמידות המכשיר. כאן, שילוב ייחודי של פולי גופרתי בעל ביצועים גבוהים (אתר אתר קטון) (sPEEK) כמו ממברנות חילופי קטיונים עם FAA-3 כמו ממברנות החלפת אניון משמשים ביישום אדום. איור 1 מציג את תרשים הזרימה של ההליך הניסיוני.
איור 1: תרשים הליכים. תרשים הזרימה מציג את ההליך שאומץ להכנת קרום חילופי יונים ואחריו תהליך למדידת אלקטרודיאליזה הפוכה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
עיקרון העבודה של ה-RED נשלט בעיקר על ידי המאפיינים הפיזיקוכימיים של הממברנה, המהווה חלק מכריע במערכת RED, כפי שמודגם באיור 3. כאן, אנו מתארים את המאפיינים הבסיסיים של הממברנה להעברת מערכת אדומה בעלת ביצועים גבוהים. החדירות הספציפית של הממברנה גורמת לו לעבור סוג אחד של יונים דר?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענק קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון ממשלת קוריאה (MEST) (לא. NRF-2017R1A2A2A05001329). מחברי כתב היד אסירי תודה לאוניברסיטת סוגאנג, סיאול, הרפובליקה של קוריאה.
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 |
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. , (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. , (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. Upscaling reverse electrodialysis. Environmental Science & Technology. 52, 10856-10863 (2018).
- 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).
