Ionenaustauschmembranen für die Herstellung von Reverse Electrodialysegeräten

Zusammenfassung

Wir demonstrieren die Herstellung eines reversen Elektrodialysegeräts unter Verwendung einer Kationenaustauschmembran (CEM) und einer Anionenaustauschmembran (AEM) zur Stromerzeugung.

Zusammenfassung

Die umgekehrte Elektrodialyse (RED) ist eine effektive Möglichkeit, Strom zu erzeugen, indem zwei verschiedene Salzkonzentrationen in Wasser mit Kationenaustauschmembranen (CEM) und Anionenaustauschmembranen (AEM) gemischt werden. Der RED-Stack besteht aus einer abwechselnden Anordnung der Kationenaustauschmembran und der Anionenaustauschmembran. Das RED-Gerät fungiert als potenzieller Kandidat für die Erfüllung der universellen Nachfrage nach zukünftigen Energiekrisen. Hier, in diesem Artikel, demonstrieren wir ein Verfahren zur Herstellung eines reversen Elektrodialysegeräts mit CEM und AEM im Labormaßstab für die Stromerzeugung. Die aktive Fläche der Ionenaustauschmembran beträgt 49^cm2. In diesem Artikel stellen wir eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Synthese der Membran vor, gefolgt von der Montage und Leistungsmessung des Stacks. Die Messbedingungen und die Berechnung der Nettoleistungsabgabe wurden ebenfalls erläutert. Darüber hinaus beschreiben wir die grundlegenden Parameter, die berücksichtigt werden, um ein zuverlässiges Ergebnis zu erzielen. Wir liefern auch einen theoretischen Parameter, der die Gesamtzellleistung in Bezug auf die Membran und die Zuführlösung beeinflusst. Kurz gesagt, dieses Experiment beschreibt, wie RED-Zellen auf derselben Plattform zusammengesetzt und gemessen werden können. Es enthält auch das Funktionsprinzip und die Berechnung, die zur Schätzung der Nettoleistung des RED-Stacks mit CEM- und AEM-Membranen verwendet werden.

Einleitung

Energy Harvesting aus natürlichen Ressourcen ist eine wirtschaftliche Methode, die umweltfreundlich ist und dadurch unseren Planeten grün und sauber macht. Bisher wurden mehrere Verfahren zur Energiegewinnung vorgeschlagen, aber die umgekehrte Elektrodialyse (RED) hat ein enormes Potenzial, das Problem der Energiekrise zu überwinden¹. Die Stromerzeugung aus der umgekehrten Elektrodialyse ist ein technologischer Durchbruch für die Dekarbonisierung der globalen Energie. Wie der Name schon sagt, ist RED ein umgekehrter Prozess, bei dem das alternative Zellkompartiment mit der hochkonzentrierten Salzlösung und der niedrig konzentrierten Salzlösung²gefüllt wird. Das chemische Potential, das durch die Salzkonzentrationsdifferenz über die Ionenaustauschmembranen erzeugt wird, die von den Elektroden am Kompartmentende gesammelt werden.

Seit dem Jahr 2000 wurden viele Forschungsartikel veröffentlicht, die theoretisch und experimentell Einblick in die RED geben^3,4. Systematische Untersuchungen der Betriebsbedingungen und Zuverlässigkeitsstudien unter Stressbedingungen verbesserten die Stack-Architektur und verbesserten die Gesamtzellleistung. Mehrere Forschungsgruppen haben ihre Aufmerksamkeit auf die hybride Anwendung von RED gelenkt, wie RED mit Entsalzungsprozess⁵, RED mit Solarenergie⁶, RED mit Umkehrosmose (RO) Prozess⁵, RED mit der mikrobiellen^{Brennstoffzelle 7}und RED mit dem Strahlungskühlprozess⁸. Wie bereits erwähnt, gibt es viel Spielraum bei der Implementierung der Hybridanwendung von RED, um das Energie- und Sauberwasserproblem zu lösen.

Es wurden mehrere Methoden eingesetzt, um die Leistung der ROTEN Zelle und die Ionenaustauschkapazität der Membran zu verbessern. Die Anpassung der Kationenaustauschmembranen mit verschiedenen Arten von Ionenunter Verwendung der Sulfonsäuregruppe (-SO3 H), der Phosphonsäuregruppe (-PO3H2) und der Carbonsäuregruppe (-COOH) ist eine der effektivsten Möglichkeiten, die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Membran zu verändern. Anionenaustauschmembranen sind mit Ammoniumgruppen ( )⁹zugeschnitten. Die hohe Ionenleitfähigkeit von AEM und CEM ohne Verschlechterung der mechanischen Festigkeit der Membran ist der wesentliche Parameter für die Auswahl einer geeigneten Membran für die Geräteanwendung. Die robuste Membran unter Belastungsbedingungen verleiht der Membran mechanische Stabilität und erhöht die Haltbarkeit des Geräts. Hier wird eine einzigartige Kombination aus hochleistungsstarkem freistehendem sulfoniertem Poly(Etheretherketon) (sPEEK) als Kationenaustauschmembranen mit FAA-3 als Anionenaustauschmembranen in der RED-Anwendung eingesetzt. Abbildung 1 zeigt das Flussdiagramm des experimentellen Verfahrens.

Abbildung 1: Prozedurdiagramm. Das Flussdiagramm zeigt das Verfahren zur Herstellung der Ionenaustauschmembran, gefolgt vom Verfahren zur Messung der umgekehrten Elektrodialyse. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Protokoll

1. Experimentelle Anforderung

1. Kaufen Sie Ionenaustausch-Ionomerpolymer, E-550 sulfonierte PEEK-Polymerfaser zur Vorbereitung von CEM und FAA-3 zur Herstellung von AEM. Stellen Sie sicher, dass alle Ionomerpolymere vor dem Gebrauch in einer sauberen, trockenen und staubfreien Umgebung gelagert werden.
2. Zur Herstellung homogener Ionomerlösungen werden hochreine (>99%) Lösungsmittel, einschließlich N-Methyl-2-pyrrolidon mit Molekulargewicht 99,13 g^mol-1 und N,N-Dimethylacetamid mit Molekulargewicht 87,12, verwendet. Stellen Sie sicher, dass alle analytischen Chemikalien und Lösungsmittel für die Membranvorbereitung verwendet werden, wie sie ohne weitere Reinigung erhalten werden.
3. Tauchen Sie nach dem Aktivierungsprozess der Membranen sofort alle Membranen in eine 0,5 M NaCl-Lösung ein, um eine bessere Leistung zu erzielen. Nach Aktivierung beider Membranen ist keine Trocknung erforderlich. Wasser mit einem Widerstand von 18,2 MΩ bei Raumtemperatur wurde während der gesamten Synthese der Membran verwendet.
4. Charakterisieren Sie die Membraneigenschaften mit einer trockenen Membran. Die detaillierte Beschreibung der Charakterisierungstechniken und ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Ionenaustauschkapazität, Ionenleitfähigkeit, Dicke, thermische Analyse und Oberflächenmorphologie sind in den Literaturen^10,11dargestellt.
5. Verwenden Sie einen Cutter, um die Membran für CEM und AEM auf die RED-Stapelgröße mit einer aktiven Fläche von 49 cm²zu formen, wie in Abbildung 2dargestellt.
6. Für die RED-Stack-Fertigung machen Sie eine alternative CEM- und AEM-Anordnung, getrennt durch Abstandhalter und Dichtung; Ein reales Bild des arbeitenden RED-Stapels ist in Abbildung 3adargestellt, und sein schematisches Diagramm jeder Schicht ist in Abbildung 3bdargestellt.
   1. Legen Sie zuerst die PMMA-Platte nach oben auf die Elektrode; Legen Sie nun die Gummidichtung und den Abstandhalter darauf und legen Sie dann den CEM ab. Danach legen Sie die Silikondichtung mit dem Abstandhalter auf den CEM und legen Sie den AEM darauf. Fügen Sie in ähnlicher Weise die Siliziumdichtung und den Abstandhalter auf der Oberseite von AEM hinzu, gefolgt von CEM. Platzieren Sie nun die endende PMMA-Platte, die Gummidichtung und den Abstandhalter, gefolgt vom Anziehen mit Schrauben und Mutternbolzen.
7. Überprüfen Sie nach der Montage des RED-Stapels den freien Fluss der hochkonzentrierten (HC), niedrigen Konzentration (LC) und spülen Sie die Lösungen nacheinander aus. Jeder Querstrom oder jede Leckage muss vor der Messung beseitigt werden.
8. Überwachen Sie vor der Strom- und Spannungsmessung die Durchflussrate von Salzlösungen und manometern und stellen Sie sicher, dass sie stabilisiert wird. Stellen Sie sicher, dass sich alle Verbindungen genau an der Stelle befinden, bevor die Messung beginnt. Vermeiden Sie es, den RED-Stapel und seine Verbindungsrohre zu berühren, während die Messung läuft.
   HINWEIS: HC- und LC-Lösung fließen aus ihren Fächern, um das Fach durch eine Peristaltikpumpe, ein Manometer und einen RED-Stack zu entsorgen.
9. Verwenden Sie die Galvanostat-Methode zur Messung von Strom und Spannung, das Quellenmessgerät, das durch Krokodilklemmen mit dem RED-Stack verbunden ist.

Abbildung 2: Größe und Form der vorbereiteten Membran, Dichtung und Abstandhalter für die Herstellung der umgekehrten Elektrodialyse. a)äußere Silikondichtung,b)äußerer Abstandhalter und innerer Abstandhalter,c)innere Silikondichtung,d)Kationenaustauschmembran,e)Anionenaustauschmembran undf)Dichtung und Membrananordnung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Umgekehrter Elektrodialysestapel. (a) Aufbau des umgekehrten Elektrodialysestapels mit Verbindungsrohren und (b) schematische Darstellung verschiedener Schichten, einschließlich PMMA-Endplatten, Elektroden, Dichtung, Abstandhalter, CEM und AEM. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Ionenaustauschmembranvorbereitung

HINWEIS: Die Menge des Vorläufermaterials wurde optimiert, um eine Membran mit 18 cm Durchmesser und ~50 μm Dicke zu erhalten.

1. Kationenaustauschmembran
   1. Nehmen Sie 5 Gew.-% sulfonierte PEEK-Fasern in einen 250 mL Rundkolben und lösen Sie die Fasern in Dimethylacetamid (DMAc) als Lösungsmittel mit Molekulargewicht 87,12 g^mol-1auf. Schütteln Sie den Kolben 10 Minuten lang, damit sich alle Ionomerpolymere absetzen.
   2. Legen Sie einen Magnetstab in den Kolben und halten Sie die Mischung dann im Silikonölbad, gefolgt von kräftigem Rühren bei 500 U / min für 24 h bei 80 ° C, um eine homogene Lösung zu erhalten.
   3. Filtern Sie die sulfonierte PEEK-Lösung durch einen 0,45 μm Porenfilter mit Polytetrafluorethylen (PTFE).
   4. Danach gießen Sie die gefilterte Lösung auf eine kreisförmige Glasschale mit einem Durchmesser von 18 cm. Stellen Sie sicher, dass alle Luftblasen mit einem Luftgebläse entfernt werden, bevor Sie die Petrischale in den Ofen stellen.
   5. Legen Sie die Petrischale in einen Ofen, um die Lösung bei 90 °C für 24 h auszutrocknen, was zu einer ~ 50 μm dicken freistehenden Membran führt. Tun Sie dies zum Extrahieren der freistehenden Membran: Um die Membran von der Petrischale abzuziehen, füllen Sie die Petrischale mit warmem Destillwasser (~ 60 ° C) und lassen Sie sie 10 minuten unberührt stehen. Die freistehende Membran kommt automatisch heraus.
   6. Zur Membranaktivierung wird die vorbereitete freistehende Membran in 1 M Schwefelsäure_(H2SO4)wässrige Lösung, d.h. 98,08 g, in 1 L destilliertes Wasser getaucht und 2 h bei 80 °C inkubiert.
      HINWEIS: Dieser Schritt stellt die Entfernung von Fremdpartikeln und anderen Chemikalien wie Lösungsmitteln sicher, die die Möglichkeit von Membranverschmutzung reduzieren.
   7. Waschen Sie die eingeweichte Membran mit 1 L destilliertem Wasser für 10 min, mindestens dreimal bei Raumtemperatur.
2. Anionenaustauschmembran
   1. FAA-3-Ionomerlösung 10 Gew.% in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)-Lösungsmittel auflösen.
   2. Bewahren Sie die Lösung zum Rühren bei Raumtemperatur für 2 h bei ~ 500 U / min auf.
   3. Danach filtern Sie die Lösung mit dem Netz mit 100 μm Porengröße.
   4. Gießen Sie ~30 ml gefilterte Lösung in eine kreisförmige Glas-Petrischale mit einem Durchmesser von 18 cm. Stellen Sie sicher, dass alle Luftblasen mit einem Luftgebläse entfernt wurden, bevor Sie die Glas-Petrischale in den Ofen stellen. Der Trocknungsprozess findet bei 100 °C für 24 h statt.
   5. Um eine freistehende Membran zu erhalten, gießen Sie heißes destilliertes Wasser in die Glas-Petrischale und halten Sie es für mindestens 10 Minuten. Nun die Membranen abziehen und 1 Liter Natronlauge (NaOH) (Konzentration 1M und Molekulargewicht 40 g^mol-1)für 2 h unterstellen.
   6. Dann waschen Sie die Membran gründlich mit 1 L destilliertem Wasser für 10 min, mindestens dreimal in Umgebungszustand.
      HINWEIS: Alle vorbereiteten Membranen wurden über Nacht in der 0,5 M NaCl-Lösung gelagert, bevor sie im RED-Stack verwendet wurden. Damit die Membranleitfähigkeit verbessert wird und eine stabilisierte Ausgangsleistung bei der Messung des RED-Stacks erreicht werden kann. Tabelle 1 beschreibt die Membraneigenschaften^10,11.

Spezifikation	Einheit	CEM	AEM
Quellgrad	%	5±1	1±0,5
Ladedichte oder Ionenaustauschkapazität	meq/g	1.8	~1,6
Mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit)	Mpa	>40	40-50
Bruchdehnung	%	~42	30-50
Junger Modul (MPa)		1500±100	1000-1500
Leitfähigkeit bei Raumtemperatur	S/cm	~0,03	~0,025
Permselektivität	%	98-99	94-96
Dicke	μm	50±2	50±3
Lösungsmittel	-	Dimethylacetamid (DMAc)	N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)

Tabelle 1: Eigenschaften von Membranen. Zusammenfassung der Eigenschaften der Kationenaustausch- und Anionenaustauschmembran.

3. Herstellung der umgekehrten Elektrodialyse

1. Montage von RED Stack
   1. Herstellung einer Modelllösung mit 0,6 M NaCl für hohe Konzentration (HC) und 0,01 M NaCl für Kompartimente mit niedriger Konzentration (LC)¹².
      HINWEIS: Hier wird Flusswasser als Salzlösung mit niedriger Konzentration und Meerwasser als Salzlösung mit hoher Konzentration dargestellt.
   2. Bereiten Sie 5 L Lösung mit hoher Konzentration und niedriger Konzentration in einem großen Behälter vor, der mit den Röhrchen verbunden ist. Halten Sie die Lösungen mindestens 2 h bei Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur) rührend, bevor sie im RED-Stack verwendet werden.
   3. Die Mischung aus 0,05 M [Fe(CN)6]-3/[Fe(CN)6]-4 und 0,3 M NaCl in 500 mL Wasser wird als Spüllösung für RED vorbereitet.
   4. Verbinden Sie alle drei Lösungsbehälter mit RED Stack unter Verwendung von Gummischläuchen durch die Peristaltikpumpe und manometer. Verwenden Sie das Röhrchen der Größe L / S 16 für die Spüllösung und verwenden Sie das Röhrchen der Größe L / S 25 für HC- und LC-Lösung.
   5. Um einen RED-Stapel herzustellen, nehmen Sie zwei Endplatten aus Polymethylmethacrylat (PMMA). Verbinden Sie beide Endplatten horizontal von Angesicht zu Angesicht mit Muttern, Schrauben und Unterlegscheiben mit 25 Nm Kraft über einen digitalen Schraubenschlüsseltreiber. Die Dicke der PMMA-Endplatten 3 cm und der Weg der Strömungskanäle wurden in Platten für HC, LC und Spüllösung von einem Bohrer²entworfen.
   6. Zwei Netzelektroden aus Metall Titan (Ti), beschichtet mit einer Mischung aus Iridium (Ir) und Ruthenium (Ru), in einem Verhältnis von 1:1 platzieren und am Ende der PMMA-Platten platzieren. Beide Endelektroden sind mit dem Krokodilclip des Quellenmessgeräts verbunden.
      HINWEIS: Beide PMMA-Endplatten sind mit Netzelektroden ausgestattet, beide Elektroden wurden mit einem quadratischen Abstandshalter geschichtet und die PMMA-Endplatte mit einer Gummidichtung nach innen bedeckt. Danach werden CEM und AEM abwechselnd platziert, getrennt durch Silikondichtung und Abstandhalter, wie in Abbildung 3 dargestellt.
   7. Installieren Sie Siliziumdichtungen, Polymer-Abstandhalter und Ionenaustauschmembranen (CEM und AEM) Schicht für Schicht, wie im schematischen Diagramm Abbildung 4 und Abbildung 5dargestellt. Stellen Sie sicher, dass der aktive Bereich der Elektroden, beide Membranen, äußerer und innerer Abstandhalter, äußere und innere Dichtung 7 x 7 = 49 cm²beträgt.
   8. Übergeben Sie Hochkonzentrations- und Niedrigkonzentrationslösungen aus den jeweiligen Kompartimenten durch Peristaltikpumpen, wie im schematischen Diagramm in Abbildung 4dargestellt.
   9. Zirkulieren Sie die Spüllösung in den äußeren Elektroden- und Membrankompartimenten im Rezirkulationsmodus mit Peristaltikpumpen. Die für die Spüllösung verwendete Durchflussmenge beträgt 50 mL min^-1.
   10. Für die Analyse der Leistung jeder Membran wird eine feste Durchflussrate verwendet. In diesem Experiment haben wir 100 ml min^-1 durch eine Peristaltikpumpe verwendet.

Abbildung 4: Schematische Darstellung der Rohrverbindung mit umgekehrtem Elektrodialysestapel. Anschluss der umgekehrten Elektrodialyse mit Peristaltikpumpen, hochkonzentriertem Lösungsbehälter, niedrigkonzentriertem Lösungsbehälter, Spüllösungsbehälter und Entsorgungslösungsbehälter. Es zeigt auch die Ausrichtung des Abstandhalters sowohl mit einer Anionenaustauschmembran (AEM) als auch mit einer Kationenaustauschmembran (CEM). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Schematische Darstellung der verschiedenen Schichten im umgekehrten Elektrodialyseaufbau. (a) Querschnittsansicht einer schematischen Darstellung der umgekehrten Elektrodialyse zeigt die Fließrichtung der hochkonzentrierten Lösung, der niedrig konzentrierten Lösung und der Elektrodenspüllösung. Andere Komponenten wie Elektroden, äußere und innere Dichtungen, äußere und innere Abstandhalter, Kationenaustauschmembran und Anionenaustauschmembran. (b) Vorderansicht des Stapels, die die Fließrichtung einer Lösung anzeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

4. Messung der umgekehrten Elektrodialyse

1. Leistungsberechnung
   1. Lassen Sie die hohe Konzentration, die niedrige Konzentration und die Spüllösung mindestens 5 Minuten durch den Stapel laufen. Messen Sie die RED-Ausgangsleistung mit einem Quellenmessgerät, das mit beiden Elektroden des RED-Stacks¹³verbunden ist.
   2. Berechnen Sie die Strom-Spannungs-Eigenschaften des RED-Stacks in Bezug auf die Leistungsdichte mit der Galvanostat-Methode.
      HINWEIS: Bei der Galvanostat-Methode wird ein konstanter Strom über Elektroden angelegt und misst den resultierenden Strom. Der resultierende Strom ist der Strom, der durch die elektrochemische Reaktion im Stack erzeugt wird. Die Messung erfolgt unter 0,05 V statischer Spannung mit einem festen Sweep-Strom von 10 mA.
   3. Die maximale Leistungsdichte für den RED-Stack wird mit Hilfe der folgenden Gleichung 1 gemessen.
      (1)
      Hier ist P_max die maximale Leistungsdichte des RED-Stacks^(Wm-2),_U-Stack ist die Spannung (V), die von der Membran im Stack erzeugt wird,_I-Stack ist der aufgezeichnete Strom (A) und A_mem ist der aktive Bereich der Membranen (m^2).

Ergebnisse

Netto-Ausgangsleistung
Red Cell erzeugt im Allgemeinen elektrische Energie aus dem Salzgehaltsgradienten der Salzlösung, d.h. der Bewegung der Ionen in die entgegengesetzte Richtung durch die Membran. Um den RED-Stapel korrekt zusammenzusetzen, müssen alle Schichten, einschließlich Elektroden, Dichtungen, Membranen und Abstandshalter im Stapel, sorgfältig ausgerichtet werden, wie im schematischen Diagramm in Abbildung 4 und Abbildung 5gez...

Diskussion

Das Funktionsprinzip des RED wird hauptsächlich von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Membran dominiert, die ein entscheidender Teil des RED-Systems sind, wie in Abbildung 3dargestellt. Hier beschreiben wir die grundlegenden Eigenschaften der Membran für die Bereitstellung eines leistungsstarken RED-Systems. Die spezifische Ionenpermeabilität der Membran führt dazu, dass eine Art von Ionen durch ihren Polymer-Nanokanal führt. Wie der Name schon sagt, kann CEM Kation von eine...

Materialien

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