Membranas de intercambio iónico para la fabricación de dispositivos de electrodiálisis inversa

Resumen

Se demuestra la fabricación de un dispositivo de electrodiálisis inversa utilizando una membrana de intercambio catiónico (CEM) y membrana de intercambio aniónico (AEM) para la generación de energía.

Resumen

La electrodiálisis inversa (RED) es una forma efectiva de generar energía mezclando dos concentraciones de sal diferentes en agua utilizando membranas de intercambio catiónico (CEM) y membranas de intercambio aniónico (AEM). La pila ROJA se compone de una disposición alterna de la membrana de intercambio catión y la membrana de intercambio aniónico. El dispositivo RED actúa como un candidato potencial para satisfacer la demanda universal de futuras crisis energéticas. Aquí, en este artículo, demostramos un procedimiento para fabricar un dispositivo de electrodiálisis inversa utilizando CEM y AEM a escala de laboratorio para la producción de energía. El área activa de la membrana de intercambio iónico es de 49 cm^2. En este artículo, proporcionamos un procedimiento paso a paso para sintetizar la membrana, seguido por el ensamblaje de la pila y la medición de potencia. También se han explicado las condiciones de medición y el cálculo de la potencia neta de salida. Además, describimos los parámetros fundamentales que se tienen en cuenta para obtener un resultado fiable. También proporcionamos un parámetro teórico que afecta el rendimiento celular general en relación con la membrana y la solución de alimentación. En resumen, este experimento describe cómo ensamblar y medir células ROJAS en la misma plataforma. También contiene el principio de trabajo y el cálculo utilizado para estimar la potencia neta de salida de la pila RED utilizando membranas CEM y AEM.

Introducción

La recolección de energía de los recursos naturales es un método económico que es respetuoso con el medio ambiente, lo que hace que nuestro planeta sea verde y limpio. Hasta ahora se han propuesto varios procesos para extraer energía, pero la electrodiálisis inversa (RED) tiene un enorme potencial para superar el problema de la crisis energética¹. La producción de energía a partir de la electrodiálisis inversa es un avance tecnológico para la descarbonización de la energía global. Como su nombre indica, el ROJO es un proceso inverso, donde el compartimiento celular alternativo se llena con la solución de sal de alto concentrado y la solución de sal de bajo concentrado^2. El potencial químico generado por la diferencia de concentración de sal a través de las membranas de intercambio iónico, recogido de los electrodos en el extremo del compartimiento.

Desde el año 2000, se han publicado muchos artículos de investigación, proporcionando información sobre la RED teórica y experimentalmente^3,4. Los estudios sistemáticos sobre las condiciones de operación y los estudios de confiabilidad en condiciones de estrés mejoraron la arquitectura de la pila y mejoraron el rendimiento general de la célula. Varios grupos de investigación han desviado su atención hacia la aplicación híbrida de RED, como RED con proceso de desalación^5,RED con energía solar^6,RED con proceso de ósmosis inversa (RO)^5,RED con la pila de combustible microbiana^7,y RED con el proceso de enfriamiento radiativo^8. Como se mencionó anteriormente, hay mucho margen en la implementación de la aplicación híbrida de RED para resolver el problema de la energía y el agua limpia.

Se han adoptado varios métodos para mejorar el rendimiento de los glóbulos ROJOs y la capacidad de intercambio iónico de la membrana. Adaptar las membranas de intercambio catión con diferentes tipos de iones utilizando el grupo ácido sulfónico (-SO₃H), el grupo ácido fosfónico (-PO₃H₂₎y el grupo ácido carboxílico (-COOH) es una de las formas efectivas de alterar las propiedades fisicoquímicas de la membrana. Las membranas de intercambio aniónico se adaptan con grupos de amonio ( )⁹. La alta conductividad iónica de AEM y CEM sin deteriorar la resistencia mecánica de la membrana es el parámetro esencial para seleccionar una membrana adecuada para la aplicación del dispositivo. La membrana robusta en condiciones de estrés proporciona estabilidad mecánica a la membrana y mejora la durabilidad del dispositivo. Aquí, una combinación única de poli sulfonado independiente de alto rendimiento (éter éter cetona) (sPEEK) como membranas de intercambio catiónico con FAA-3 como membranas de intercambio aniónico se utilizan en la aplicación RED. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo del procedimiento experimental.

Figura 1:Tabla de procedimientos. El diagrama de flujo presenta el procedimiento adoptado para la preparación de la membrana de intercambio iónico seguido por el proceso de medición de la electrodiálisis inversa. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Protocolo

1. Requisito experimental

1. Compre polímero de ion-ion-exchange ionomer, fibra de polímero E-550 sulfonado-PEEK para preparar CEM y FAA-3 para preparar AEM. Asegúrese de que todos los polímeros de ionómero se almacenen en un ambiente limpio, seco y libre de polvo antes de su uso.
2. Utilizar disolventes de alta pureza (>99%), incluyendo N-Metil-2-pirrolifina con peso molecular 99,13 g mol^-1 y N, N-Dimetilacetamida con peso molecular 87,12, para preparar una solución de ionómero homogénea. Asegúrese de que todos los productos químicos y disolventes de grado analítico se utilizan para la preparación de membranas tal como se reciben sin ninguna purificación adicional.
3. Después del proceso de activación de las membranas, sumerja inmediatamente todas las membranas en una solución de NaCl de 0,5 M para un mejor rendimiento. Después de la activación de ambas membranas, no se requiere secado. El agua con resistividad es de 18,2 MΩ a temperatura ambiente se utilizó en toda la síntesis de la membrana.
4. Caracterizar las propiedades de la membrana utilizando una membrana seca. La descripción detallada de las técnicas de caracterización y sus propiedades fisicoquímicas tales como capacidad de intercambio iónico, conductividad iónica, espesor, análisis térmico y morfología superficial, son las presentadas en las literaturas^10,11.
5. Utilice una herramienta de corte para dar forma a la membrana para CEM y AEM para el tamaño de pila RED con un área activa de 49 cm^2,como se muestra en la Figura 2.
6. Para la fabricación de la pila ROJA, haga una disposición alternativa de CEM y AEM, separada por espaciador y junta; una imagen real de la pila ROJA de trabajo se presenta en la Figura 3a,y su diagrama esquemático de cada capa se ilustra en la Figura 3b.
   1. En primer lugar, coloque la placa PMMA frente al electrodo al revés; ahora, coloque la junta de goma y el espaciador en ella, luego coloque el CEM. Después de eso, coloque la junta de silicona con el espaciador en el CEM y luego coloque el AEM en él. Del mismo modo, agregue la junta de silicio y el espaciador en la parte superior de AEM seguido de CEM. Ahora, coloque la placa PMMA final, la junta de goma y el espaciador seguidos con el apriete usando tornillos y tuercas.
7. Después de ensamblar la pila ROJA, compruebe el flujo libre de la alta concentración (HC), baja concentración (LC), y enjuague las soluciones una por una. Se requiere que cualquier flujo cruzado o fuga se elimine antes de la medición.
8. Antes de la medición de corriente y voltaje, monitoree el caudal de las soluciones de sal y la lectura del manómetro y asegúrese de que se estabilice. Asegúrese de que todas las conexiones estén en el lugar exacto antes de que comience la medición. Evite tocar la pila ROJA y sus tubos de conexión mientras se ejecuta la medición.
   NOTA: La solución HC y LC fluyen desde sus compartimentos para descartar el compartimiento a través de una bomba peristáltica, un manómetro y una pila ROJA, respectivamente.
9. Utilice el método de galvanostat para la medición de la corriente y el voltaje, el instrumento del medidor de fuente conectado a la pila RED a través de clips de cocodrilo.

Figura 2:Tamaño y forma de la membrana, junta y espaciador preparados para la fabricación de electrodiálisis inversa. (a)junta de silicona externa,(b)espaciador exterior y espaciador interior,(c)junta interna de silicona,(d)membrana de intercambio catiónico,(e)membrana de intercambio anión, y(f)junta y ensamblaje de membrana. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 3:Pila de electrodiálisis inversa. (a)configuración de la pila de electrodiálisis inversa con tubos de conexión, y(b)ilustración esquemática de diferentes capas, incluyendo placas finales de PMMA, electrodos, junta, espaciador, CEM y AEM. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

2. Preparación de la membrana de intercambio iónico

NOTA: La cantidad de material precursor se optimizó para la obtención de una membrana con 18 cm de diámetro y ~50 μm de espesor.

1. Membrana de intercambio catión
   1. Tomar el 5% en peso de las fibras sulfonadas-PEEK en un matraz de fondo redondo de 250 ml y disolver las fibras en dimetilacetamida (DMAc) como disolvente con un peso molecular de 87,12 g mol^-1. Agite el matraz durante 10 minutos para que todos los polímeros de ionómero se asienten.
   2. Colocar una barra magnética en el matraz y, a continuación, mantener la mezcla en el baño de aceite de silicio, seguido de agitar vigorosamente a 500 rpm durante 24 h a 80 °C para obtener una solución homogénea.
   3. Filtre la solución sulfonada-PEEK a través de un filtro de politetrafluoroetileno (PTFE) de tamaño de poro de 0,45 μm.
   4. Después de eso, vierta la solución filtrada sobre un plato de vidrio circular con un diámetro de 18 cm. Asegúrese de que todas las burbujas de aire se eliminen con un soplador de aire antes de colocar la placa de Petri en el horno.
   5. Coloque la placa de Petri dentro de un horno para secar la solución a 90 °C durante 24 h, lo que resulta en una membrana independiente de ~ 50 μm de espesor. Haga esto para extraer la membrana independiente: Para despegar la membrana de la placa de Petri, llene la placa de Petri con agua destilada tibia (~ 60 ° C) y déjela reposar durante 10 minutos intacta. La membrana independiente saldrá automáticamente.
   6. Para la activación de la membrana, sumergir la membrana independiente preparada en 1 M de ácido sulfúrico (H₂SO₄₎solución acuosa, es decir, 98,08 g, en 1 L de agua destilada, e incubar durante 2 h a 80 °C.
      NOTA: Este paso asegurará la eliminación de partículas extrañas y otros productos químicos como disolventes que reducirán la posibilidad de que la membrana se ensucie.
   7. Lave la membrana empapada con 1 L de agua destilada durante 10 min, al menos tres veces a temperatura ambiente.
2. Membrana de intercambio aniónico
   1. Disolver la solución de ionómero FAA-3 al 10% en peso en disolvente de N-metil-2-pirrolidana (NMP).
   2. Mantenga la solución para agitar a temperatura ambiente durante 2 h a ~ 500 rpm.
   3. Después de eso, filtre la solución usando la malla con un tamaño de poro de 100 μm.
   4. Vierta ~ 30 mL solución filtrada en una placa de Petri de vidrio circular con un diámetro de 18 cm. Asegúrese de que todas las burbujas de aire se eliminaron con un soplador de aire antes de colocar la placa de Petri de vidrio en el horno. El proceso de secado tiene lugar a 100 °C durante 24 h.
   5. Para obtener una membrana independiente, vierta agua destilada caliente en la placa de Petri de vidrio y guárdela durante al menos 10 min. Ahora pelar las membranas y colocar en 1 litro de hidróxido de sodio (NaOH) solución (concentración 1M y peso molecular 40 g mol^-1)durante 2 h.
   6. Luego, lave bien la membrana con 1 L de agua destilada durante 10 min, al menos tres veces en condiciones ambientales.
      NOTA: Todas las membranas preparadas se almacenaron en la solución de NaCl de 0,5 M durante la noche antes de usarla en la pila RED. Para que la conductividad de la membrana se mejore y pueda lograr un rendimiento de salida estabilizado durante la medición de la pila RED. En la Tabla 1 se describen las propiedades de la membrana^10,11.

Especificación	Unidad	CEM	AEM
Grado de hinchazón	%	5±1	1±0,5
Densidad de carga o capacidad de intercambio iónico	meq/g	1.8	~1.6
Propiedades mecánicas (Resistencia a la tracción)	Mpa	>40	40-50
Elongación para romper	%	~42	30-50
Módulo joven (MPa)		1500±100	1000-1500
Conductividad a temperatura ambiente	S/cm	~0,03	~0,025
Permselectividad	%	98-99	94-96
Espesor	μm	50±2	50±3
Solvente	-	Dimetilacetamida (DMAc)	N-metil-2-pirrolidana (NMP)

Tabla 1: Propiedades de las membranas. Resumen de las propiedades de la membrana de intercambio catión y de intercambio aniónico.

3. Fabricación de electrodiálisis inversa

1. Montaje de pila RED
   1. Preparar una solución modelo utilizando compartimentos de 0,6 M de NaCl para alta concentración (HC) y 0,01 M de NaCl para compartimentos de baja concentración (LC)¹².
      NOTA: Aquí, el agua de río se considera una solución de sal de baja concentración, y el agua de mar se representa como una solución de sal de alta concentración.
   2. Preparar 5 L de solución de alta concentración y baja concentración en un recipiente grande conectado con los tubos. Mantenga las soluciones revolviendo en condiciones ambientales (temperatura ambiente) durante al menos 2 h antes de que se utilice en la pila ROJA.
   3. Preparar la mezcla de 0,05 Mde [Fe(CN)6]-3/[Fe(CN)6]-4 y 0,3 M de NaCl en 500 mL de agua como solución de enjuague para RED.
   4. Conecte los tres contenedores de solución con la pila RED utilizando tubos de goma a través de la bomba peristáltica y los manómetros. Utilice el tubo de tamaño L/S 16 para la solución de enjuague, y utilice el tubo de tamaño L/S 25 para la solución HC y LC.
   5. Para hacer una pila ROJA, tome dos placas finales compuestas de metacrilato de polimetil (PMMA). Conecte ambas placas de extremo horizontalmente cara a cara con tuercas, pernos y arandelas usando una fuerza de 25 Nm utilizando un controlador de llave digital. El espesor de las placas finales de PMMA de 3 cm, y la trayectoria de los canales de flujo se diseñó en placas para HC, LC y solución de enjuague por un perforador^2.
   6. Coloque dos electrodos de malla hechos de titanio metálico (Ti) recubiertos con una mezcla de iridio (Ir) y rutenio (Ru) en una proporción de 1:1 y colótela al final de las placas de PMMA. Ambos electrodos finales están conectados con el clip de cocodrilo del medidor de la fuente.
      NOTA: Ambas placas finales de PMMA están equipadas con electrodos de malla, ambos electrodos estaban en capas con un espaciador de forma cuadrada, y el endplate de PMMA cubierto con una junta de goma orientada al interior. Después de eso, CEM y AEM se colocan alternativamente, separados por junta de silicona y espaciador, como se muestra en la Figura 3.
   7. Instale juntas de silicio, espaciadores de polímeros y membranas de intercambio iónico (CEM y AEM) capa por capa, como se presenta en el diagrama esquemático Figura 4 y Figura 5. Asegurar que el área activa de los electrodos, ambas membranas, espaciador exterior e interior, junta exterior e interior sea de 7 x 7 = 49 cm^2.
   8. Pase soluciones de alta concentración y baja concentración desde los compartimentos respectivos por bombas peristálticas, como se muestra en el diagrama esquemático de la Figura 4.
   9. Circule la solución de enjuague en los compartimentos externos del electrodo y la membrana en modo de recirculación utilizando bombas peristálticas. El caudal utilizado para la solución de enjuague es de 50 mL min^-1.
   10. El caudal fijo se utiliza para analizar el rendimiento de cada membrana. En este experimento, hemos utilizado 100 mL min^-1 a través de una bomba peristáltica.

Figura 4: Representación esquemática de la conexión del tubo con pila de electrodiálisis inversa. Conexión de la electrodiálisis inversa con bombas peristálticas, contenedor de solución de alta concentración, contenedor de solución de baja concentración, contenedor de solución de enjuague y contenedor de solución de descarte. También muestra la alineación del espaciador con una membrana de intercambio aniónico (AEM) y una membrana de intercambio catiónico (CEM). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 5:Diagrama esquemático de diferentes capas en la configuración de electrodiálisis inversa. (a ) La vista de sección transversal de una ilustración esquemática de electrodiálisis inversa muestra la dirección del flujo de la solución de alta concentración, la solución de baja concentración y la solución de enjuague de electrodos. Otros componentes como electrodos, juntas externas e internas, espaciadores externos e internos, membrana de intercambio catiónico y membrana de intercambio aniónico. (b) Vista frontal de la pila, que muestra la dirección del flujo de una solución. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

4. Medición de la electrodiálisis inversa

1. Cálculo de potencia
   1. Deje que la solución de alta concentración, baja concentración y enjuague, pase por la pila al menos durante 5 min. Mida el rendimiento de salida RED mediante un medidor de fuente, que está conectado a ambos electrodos de la pila RED¹³.
   2. Calcule las características de voltaje de corriente de la pila RED en términos de densidad de potencia utilizando el método del galvanostato.
      NOTA: En el método del galvanostat, se aplica una corriente constante a través de los electrodos y mide la corriente resultante. La corriente resultante es la corriente generada debido a la reacción electroquímica en la pila. La medición se realiza bajo tensión estática de 0,05 V con una corriente de barrido fija de 10 mA.
   3. La densidad de potencia máxima para la pila RED se mide con la ayuda de la siguiente ecuación 1.
      (1)
      Aquí, P_max es la densidad de potencia máxima de la pila ROJA (Wm^-2), la_pila U es el voltaje (V) producido por la membrana en la pila, I_stack es la corriente registrada (A), y A_mem es el área activa de las membranas (m²).

Resultados

Potencia neta de salida
La célula ROJA generalmente genera energía eléctrica a partir del gradiente de salinidad de la solución salina, es decir, el movimiento de los iones en la dirección opuesta a través de la membrana. Para ensamblar la pila ROJA correctamente, es necesario alinear todas las capas, incluyendo electrodos, juntas, membranas y espaciadores en la pila cuidadosamente, como se muestra en el diagrama esquemático en la Figura 4 y la...

Discusión

El principio de funcionamiento del RED está dominado principalmente por las propiedades fisicoquímicas de la membrana, que es una parte crucial del sistema RED, como se ilustra en la Figura 3. Aquí, describimos las características fundamentales de la membrana para la entrega de un sistema RED de alto rendimiento. La permeabilidad específica de iones de la membrana hace que pase un tipo de iones a través de su nanocanal polimérico. Como su nombre indica, cem puede pasar catión de un l...

Materiales

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