أغشية التبادل الأيوني لتصنيع جهاز التحليل الكهربائي العكسي

Rahul Singh; Seok Hoon Hong; Daejoong Kim

doi:10.3791/62309

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

نحن نثبت تصنيع جهاز التحليل الكهربائي العكسي باستخدام غشاء تبادل cation (CEM) وغشاء تبادل أنيون (AEM) لتوليد الطاقة.

Abstract

التحليل الكهربائي العكسي (RED) هو وسيلة فعالة لتوليد الطاقة عن طريق خلط تركيزين مختلفين من الملح في الماء باستخدام أغشية تبادل التشجير (CEM) وأغشية تبادل الأيونات (AEM). يتكون المكدس الأحمر من ترتيب متناوب لغشاء تبادل cation وغشاء تبادل الأيونات. يعمل الجهاز RED كمرشح محتمل لتلبية الطلب العالمي على أزمات الطاقة في المستقبل. هنا، في هذه المقالة، ونحن نظهر إجراء لتصنيع جهاز التحليل الكهربائي العكسي باستخدام CEM على نطاق المختبر و AEM لإنتاج الطاقة. المنطقة النشطة من غشاء التبادل الأيوني هي 49 سم^2. في هذه المقالة، ونحن نقدم إجراء خطوة بخطوة لتجميع الغشاء، تليها التجميع المكدس وقياس الطاقة. كما تم شرح شروط القياس وحساب صافي ناتج الطاقة. وعلاوة على ذلك، فإننا نصف المعايير الأساسية التي تؤخذ في الاعتبار من أجل الحصول على نتيجة موثوقة. كما نقدم معلمة نظرية تؤثر على الأداء الكلي للخلية فيما يتعلق بالغشاء ومحلول التغذية. باختصار، تصف هذه التجربة كيفية تجميع وقياس الخلايا الحمراء على نفس المنصة. كما يحتوي على مبدأ العمل والحساب المستخدم لتقدير صافي إنتاج الطاقة من المكدس الأحمر باستخدام أغشية CEM و AEM.

Introduction

إن حصاد الطاقة من الموارد الطبيعية هو أسلوب اقتصادي صديق للبيئة، مما يجعل كوكبنا أخضر ونظيفا. وقد اقترحت عدة عمليات حتى الآن لاستخراج الطاقة، ولكن عكس التحليل الكهربائي (RED) لديه إمكانات هائلة للتغلب على أزمة الطاقة القضية¹. إنتاج الطاقة من التحليل الكهربائي العكسي هو طفرة تكنولوجية لإزالة الكربون من الطاقة العالمية. كما يوحي الاسم، RED هو عملية عكسية، حيث تمتلئ مقصورة الخلية البديلة بمحلول الملح عالي التركيز ومحلول الملح منخفض التركيز^2. الإمكانات الكيميائية الناتجة عن فرق تركيز الملح عبر أغشية التبادل الأيوني ، التي تم جمعها من الأقطاب الكهربائية في نهاية المقصورة.

منذ عام 2000 ، وقد نشرت العديد من المقالات البحثية ، وتوفير نظرة ثاقبة RED نظريا وتجريبيا³^،⁴. الدراسات المنهجية على ظروف التشغيل ودراسات الموثوقية في ظل ظروف الإجهاد تحسين بنية المكدس وتعزيز الأداء الكلي للخلية. حولت العديد من المجموعات البحثية انتباهها نحو تطبيق RED الهجين ، مثل RED مع عملية تحلية المياه⁵، RED مع الطاقة الشمسية⁶، RED مع عملية التناضح العكسي (RO)⁵، RED مع خلية الوقود الميكروبية⁷، وRED مع عملية التبريد الإشعاعي⁸. كما ذكر سابقا، هناك الكثير من المجال في تنفيذ تطبيق RED الهجين لحل مشكلة الطاقة والمياه النظيفة.

وقد اعتمدت عدة طرق لتعزيز أداء الخلية الحمراء وقدرة الغشاء على تبادل الأيونات. تكييف أغشية تبادل cation مع أنواع مختلفة من الأيونات باستخدام مجموعة حمض الكبريتيك (-SO₃H)، مجموعة حمض الفوسفونيك (-PO₃H_2)،ومجموعة حمض كاربوكسيليك (-COOH) هي واحدة من الطرق الفعالة لتغيير الخصائص الفيزيائية الكيميائية للغشاء. صممت أغشية تبادل أنيون مع مجموعات الأمونيوم ( figure-introduction-1796 )⁹. الموصلية الأيونية العالية ل AEM و CEM دون تدهور القوة الميكانيكية للغشاء هي المعلمة الأساسية لاختيار غشاء مناسب لتطبيق الجهاز. يوفر الغشاء القوي في ظل ظروف الإجهاد الاستقرار الميكانيكي للغشاء ويعزز متانة الجهاز. هنا، يتم استخدام مزيج فريد من البولي السلفونات القائم بذاته عالي الأداء (إيثر إيثر كيتون) (sPEEK) كأغشية تبادل cation مع FAA-3 كأغشية تبادل الأنيون في تطبيق RED. ويبين الشكل 1 مخطط تدفق الإجراء التجريبي.

figure-introduction-2397
الشكل 1: مخطط الإجراءات. يعرض مخطط التدفق الإجراء المعتمد لإعداد غشاء التبادل الأيوني متبوعا بعملية قياس التحليل الكهربائي العكسي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Protocol

1. شرط تجريبي

شراء البوليمر الأيونات التبادل، E-550 سلفونات-PEEK ألياف البوليمر لإعداد CEM و FAA-3 لإعداد AEM. تأكد من تخزين جميع البوليمرات الأيونومية في بيئة نظيفة وجافة وخالية من الغبار قبل الاستخدام.
استخدام المذيبات عالية النقاء (>99٪)، بما في ذلك N-ميثيل-2- بيروليدون مع الوزن الجزيئي 99.13 غرام مول^-1 ون، N-Dimethylacetamide مع الوزن الجزيئي 87.12، لإعداد حل أيونومر متجانسة. ضمان استخدام جميع المواد الكيميائية والمذيبات التحليلية الجودة لإعداد الأغشية كما وردت دون أي تنقية أخرى.
بعد عملية تنشيط الأغشية، قم بغمر جميع الأغشية على الفور في محلول NaCl 0.5 M للحصول على أداء أفضل. بعد تنشيط كلا الغشاءين ، لا يلزم التجفيف. الماء مع المقاومة هو 18.2 MΩ في درجة حرارة الغرفة كان يستخدم في جميع أنحاء توليف الغشاء.
تميز خصائص الغشاء باستخدام غشاء جاف. وصف مفصل لتقنيات التوصيف وخصائصها الفيزيائية الكيميائية مثل القدرة على التبادل الأيوني، التوصيلية الأيونية، سمك، التحليل الحراري، ومورفولوجيا السطح، كما هو معروض في الأدبيات¹⁰^،¹¹.
استخدام القاطع لتشكيل الغشاء لCEM و AEM لحجم المكدس الأحمر مع مساحة نشطة من 49 سم²، كما هو معروض في الشكل 2.
لتصنيع المكدس الأحمر، وجعل ترتيب CEM و AEM بديل، مفصولة المسافة والحشايا؛ يتم تقديم صورة حقيقية للكومة RED العمل في الشكل 3a، ويتضح الرسم التخطيطي لكل طبقة في الشكل 3b.
1. أولا، ضع لوحة PMMA التي تواجه القطب رأسا على عقب. الآن، ضع طوقا مطاطيا ومتباعدا عليه، ثم ضع CEM. بعد ذلك ، ضع طوقا السيليكون مع المتباعد على CEM ثم ضع AEM عليه. وبالمثل، إضافة طوقا السيليكون والمتباعد على الجزء العلوي من AEM تليها CEM. الآن، ضع لوحة PMMA نهاية، طوقا المطاط، والمتباعد تليها تشديد باستخدام مسامير المسمار والجوز.
بعد تجميع المكدس الأحمر، تحقق من التدفق الحر للتركيز العالي (HC)، وانخفاض التركيز (LC)، وشطف الحلول واحدا تلو الآخر. أي تدفق متقاطع أو تسرب مطلوب للتخلص منه قبل القياس.
قبل قياس التيار والجهد، ومراقبة معدل تدفق حلول الملح والضغط قياس القراءة وتأكد من ثباته. تأكد من أن جميع الاتصالات في المكان المحدد قبل بدء القياس. تجنب لمس مكدس RED وأنابيب توصيله أثناء تشغيل القياس.
ملاحظة: تدفق محلول HC وLC من مقصوراتهما لتجاهل المقصورة من خلال مضخة عمودية، وقياس الضغط، وكومة RED، على التوالي.
استخدام طريقة galvanostat لقياس التيار والجهد، وأداة متر المصدر متصلة المكدس الأحمر من خلال مقاطع التماسيح.

figure-protocol-2511
الشكل 2: حجم وشكل الغشاء المعد ، طوقا ، والمتباعد لتصنيع التحليل الكهربائي العكسي. (أ) طوقا السيليكون الخارجي ، (ب) المسافة الخارجية والمتباعد الداخلي ، (ج) طوقا السيليكون الداخلية ، (د) غشاء تبادل cation ، (ه) غشاء تبادل الأيونات ، و (و) طوقا وتجميع الغشاء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-3203
الشكل 3: عكس مكدس التحليل الكهربائي. (أ) إعداد مكدس التحليل الكهربائي العكسي مع أنابيب الربط، و (ب) التوضيح التخطيطي لطبقات مختلفة، بما في ذلك لوحات نهاية PMMA، والأقطاب الكهربائية، طوقا، فاصل، CEM، و AEM. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. أيون تبادل إعداد الغشاء

ملاحظة: تم تحسين كمية المواد السليفة للحصول على غشاء بقطر 18 سم وسمك ~ 50 ميكرومتر.

غشاء تبادل Cation
1. خذ 5 wt٪ من ألياف SULFONATED-PEEK في قارورة قاع مستديرة سعة 250 مل وحل الألياف في Dimethylacetamide (DMAc) كمذيب له وزن جزيئي 87.12 غرام مول^-1. يهز قارورة لمدة 10 دقيقة بحيث تستقر جميع البوليمرات الأيونومير.
2. ضع شريط مغناطيسي في القارورة ثم احتفظ بالخليط في حمام زيت السيليكون، يليه التحريك بقوة عند 500 دورة في الدقيقة لمدة 24 ساعة عند 80 درجة مئوية للحصول على محلول متجانس.
3. تصفية حل SULFONATED-PEEK من خلال 0.45 ميكرومتر حجم المسام Polytetrafluoroethylene (PTFE) مرشح.
4. بعد ذلك، صب الحل المصفاة على طبق زجاجي دائري بقطر 18 سم. تأكد من إزالة جميع فقاعات الهواء باستخدام منفاخ الهواء قبل وضع طبق بيتري في الفرن.
5. ضع طبق بيتري داخل فرن لتجفيف المحلول عند 90 درجة مئوية لمدة 24 ساعة ، مما أدى إلى غشاء قائم بذاته سمكه ~ 50 ميكرومتر. القيام بذلك لاستخراج غشاء قائم بذاته: لتقشير الغشاء من طبق بيتري، وملء طبق بيتري مع ماء التقطير الدافئ (~ 60 درجة مئوية) والسماح لها بالوقوف لمدة 10 دقيقة لم يمسها. سوف يخرج الغشاء القائم بذاته تلقائيا.
6. لتنشيط الغشاء، تزج الغشاء القائم بذاته المعدة في 1 M حمض الكبريتيك (H₂SO₄₎محلول مائي، أي 98.08 غرام، في 1 لتر من الماء المقطر، واحتضان لمدة 2 ساعة في 80 درجة مئوية.
  ملاحظة: هذه الخطوة سوف تضمن إزالة الجسيمات الأجنبية وغيرها من المواد الكيميائية مثل المذيبات التي من شأنها أن تقلل من إمكانية الغشاء من قاذورات.
7. غسل الغشاء المنقوع مع 1 لتر من الماء المقطر لمدة 10 دقائق، على الأقل ثلاث مرات في درجة حرارة الغرفة.
غشاء تبادل أنيون
1. حل حل أيونمر FAA-3 10 wt.٪ في N-ميثيل-2-بيروليدون (NMP) المذيبات.
2. الحفاظ على الحل لتحريك في درجة حرارة الغرفة لمدة 2 ساعة في ~ 500 دورة في الدقيقة.
3. بعد ذلك، قم بتصفية الحل باستخدام الشبكة بحجم مسام 100 ميكرومتر.
4. صب ~ 30 مل تصفية الحل في طبق بيتري الزجاج الدائري مع قطرها 18 سم. تأكد من إزالة جميع فقاعات الهواء باستخدام منفاخ الهواء قبل وضع طبق بيتري الزجاجي في الفرن. تتم عملية التجفيف عند 100 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
5. للحصول على غشاء قائم بذاته، صب الماء المقطر الساخن في طبق بيتري الزجاج والاحتفاظ بها لمدة 10 دقيقة على الأقل. الآن قشر قبالة الأغشية ومكان في 1 لتر من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) حل (تركيز 1M والوزن الجزيئي 40 غرام مول^-1)لمدة 2 ساعة.
6. ثم غسل الغشاء جيدا مع 1 لتر من الماء المقطر لمدة 10 دقائق، على الأقل ثلاث مرات في حالة المحيطة.
  ملاحظة: تم تخزين جميع الأغشية المعدة في محلول NaCl 0.5 M بين عشية وضحاها قبل استخدامه في كومة RED. بحيث يحصل على تعزيز الموصلية الغشاء ويمكن تحقيق أداء الناتج استقرت أثناء قياس المكدس الأحمر. يصف الجدول 1 خصائص الغشاء¹⁰^،¹¹.

مواصفات	وحدة	CEM	AEM
درجة تورم	%	5±1	1±0.5
كثافة الشحن أو سعة تبادل الأيونات	ميك / غ	1.8	~1.6
الخصائص الميكانيكية (قوة الشد)	الكروب الذهنيه	>40	40-50
استطالة لكسر	%	~ 42	30-50
مودولو الشباب (MPa)		1500±100	1000-1500
الموصلية في درجة حرارة الغرفة	S/سم	~0.03	~ 0.025
الانتقائية	%	98-99	94-96
سمك	ميكرومتر	50±2	50±3
المذيبات	-	ديميثيليستاميد (DMAc)	N-ميثيل-2-بيروليدون (NMP)

الجدول 1: خصائص الأغشية. ملخص لكل من خصائص غشاء تبادل cation وتبادل أنيون.

3. تصنيع التحليل الكهربائي العكسي

تجميع مكدس أحمر
1. إعداد حل نموذج باستخدام 0.6 M NaCl لتركيز عالي (HC) و 0.01 M NaCl لمقصورات التركيز المنخفض (LC)¹².
  ملاحظة: هنا، تعتبر مياه النهر محلول ملح منخفض التركيز، ويتم تمثيل مياه البحر كمحلول ملح عالي التركيز.
2. إعداد 5 لتر من تركيز عال وانخفاض تركيز الحل في حاوية كبيرة متصلة مع الأنابيب. الحفاظ على الحلول اثارة في الظروف المحيطة (درجة حرارة الغرفة) لمدة 2 ساعة على الأقل قبل أن يتم استخدامه في كومة الأحمر.
3. إعداد خليط من 0.05 M من [في (CN)₆]^-3/ [في (CN)₆]^-4 و 0.3 M NaCl في الماء 500 مل كحل شطف لRED.
4. قم بتوصيل حاويات الحلول الثلاثة بمكدس RED باستخدام أنابيب مطاطية من خلال المضخة العاكسة ومقاييس الضغط. استخدم أنبوب مقاس L/S 16 لحل الشطف، واستخدم أنبوب مقاس L/S 25 لحل HC وLC.
5. لجعل كومة الأحمر، واتخاذ اثنين من لوحات النهاية المصنوعة من الميثاكريل polymethyl (PMMA). قم بتوصيل اللوحتين الأماميتين أفقيا وجها لوجه بالمكسرات والبراغي والغسالات باستخدام قوة 25 نيوتن متر باستخدام برنامج تشغيل مفتاح رقمي. سمك لوحات نهاية PMMA 3 سم، وتم تصميم مسار قنوات التدفق في لوحات لHC، LC، وشطف الحل من قبل الحفار².
6. وضع اثنين من أقطاب شبكة مصنوعة من التيتانيوم المعدنية (تي) المغلفة مع خليط من الإيريديوم (Ir) وروثينيوم (رو) في نسبة 1:1 ومكان في نهاية لوحات PMMA. يتم توصيل كل من أقطاب نهاية مع مقطع التماسيح من متر المصدر.
  ملاحظة: تم تجهيز كل من لوحات نهاية PMMA بأقطاب كهربائية شبكية ، وتم وضع كلا القطبين مع فاصل شكل مربع ، ولوحة نهاية PMMA مغطاة بطوق مطاطي مواجه للداخل. بعد ذلك ، يتم وضع CEM و AEM بدلا من ذلك ، مفصولين بحشية السيليكون والمتباعد ، كما هو موضح في الشكل 3.
7. تثبيت طوقا السيليكون، والفواصل البوليمر، والأغشية التبادل الأيوني (CEM و AEM) طبقة طبقة، كما هو معروض في الرسم التخطيطي الشكل 4 والشكل 5. ضمان المنطقة النشطة من الأقطاب الكهربائية، كل من الأغشية، الخارجي والداخلي المتباعد، طوقا الخارجي والداخلي هو 7 × 7 = 49 سم².
8. تمرير عالية التركيز ومنخفضة تركيز المحاليل من المقصورات المعنية من قبل مضخات التجبير، كما هو معروض في الرسم التخطيطي في الشكل 4.
9. تعميم حل شطف في القطب الخارجي ومقصورات الغشاء في وضع إعادة التدوير باستخدام مضخات العتمة. معدل التدفق المستخدم لحل الشطف هو 50 مل دقيقة^-1.
10. يستخدم معدل التدفق الثابت لتحليل أداء كل غشاء. في هذه التجربة، استخدمنا 100 مل دقيقة^-1 من خلال مضخة التجسيم.

figure-protocol-10496
الشكل 4: تمثيل تخطيطي للاتصال أنبوب مع كومة التحليل الكهربائي العكسي. اتصال التحليل الكهربائي العكسي مع مضخات التجبير، حاوية محلول عالي التركيز، حاوية محلول منخفض التركيز، وعاء حل الشطف، وحاوية محلول التخلص. كما يظهر محاذاة المتباعد مع كل من غشاء تبادل أنيون (AEM) وغشاء تبادل cation (CEM). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-11118
الشكل 5:الرسم التخطيطي للطبقات المختلفة في إعداد التحليل الكهربائي العكسي. (أ) عرض مقطع عرضي لرسم تخطيطي للتحليل الكهربائي العكسي يظهر اتجاه تدفق محلول التركيز العالي ، محلول التركيز المنخفض ، ومحلول شطف القطب الكهربائي. مكونات أخرى مثل الأقطاب الكهربائية، طوقا الخارجي والداخلي، الفواصل الخارجية والداخلية، غشاء تبادل cation، وغشاء تبادل أنيون. (ب) عرض أمامي للكدسة، والذي يظهر اتجاه تدفق الحل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. قياس التحليل الكهربائي العكسي

حساب الطاقة
1. السماح للتركيز العالي، وانخفاض التركيز، وشطف الحل، تشغيل من خلال كومة على الأقل لمدة 5 دقائق. قياس أداء الإخراج RED بواسطة مقياس المصدر، الذي يرتبط بكل من الأقطاب الكهربائية للكومة الحمراء¹³.
2. احسب خصائص الجهد الحالي للكدسة الحمراء من حيث كثافة الطاقة باستخدام طريقة galvanostat.
  ملاحظة: في طريقة galvanostat، يتم تطبيق تيار ثابت عبر الأقطاب الكهربائية ويقيس التيار الناتج. التيار الناتج هو التيار المتولد بسبب التفاعل الكهروكيميائية في المكدس. يتم إجراء القياس تحت الجهد الثابت 0.05 V مع تيار اكتساح ثابت 10 mA.
3. يتم قياس كثافة الطاقة القصوى للكدسة الحمراء بمساعدة المعادلة التالية 1.
  (1)
  هنا، P_ماكسهو الحد الأقصى لكثافة الطاقة من المكدس الأحمر (WM^-2)،_{يو كومة}هو الجهد (V) التي تنتجها الغشاء في المكدس، وأنا_كومة هو التيار المسجل (A)،_وميمهو المنطقة النشطة من الأغشية (م²).

النتائج

صافي إنتاج الطاقة
تولد الخلية الحمراء بشكل عام طاقة كهربائية من تدرج الملوحة لمحلول الملح ، أي حركة الأيونات في الاتجاه المعاكس من خلال الغشاء. لتجميع المكدس الأحمر بشكل صحيح ، يحتاج المرء إلى محاذاة جميع الطبقات ، بما في ذلك الأقطاب الكهربائية والحشايا والأغشية والفواصل في ال...

Discussion

ويهيمن أساسا على مبدأ العمل الأحمر من قبل خصائص الغشاء الفيزيائية الكيميائية، والتي هي جزء حاسم من النظام RED، كما هو موضح في الشكل 3. هنا، ونحن نصف الخصائص الأساسية للغشاء لتقديم نظام RED عالية الأداء. نفاذية الغشاء الأيونية المحددة تجعله يمرر نوعا واحدا من الأيونات من خلال ?...

Disclosures

ولا يعلن صاحبا البلاغ عن وجود تضارب في المصالح.

Acknowledgements

وقد تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) منحة ممولة من الحكومة الكورية (MEST) (رقم. NRF-2017R1A2A2A05001329). إن مؤلفي المخطوطة ممتنون لجامعة سوغانغ، سيول، جمهورية كوريا.

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. , (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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

173

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: