ממברנות חילופי יונים לייצור התקן אלקטרודיאליזה הפוכה

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

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 התפלה^5,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 (-PO₃H_2),וקבוצת חומצה קרבוקסילית (-COOH) היא אחת הדרכים היעילות לשנות את המאפיינים הפיזיקוכימיים של הממברנה. ממברנות החלפת אניון מותאמות לקבוצות אמוניום figure-introduction-1699 ()^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.

figure-introduction-2287
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

1. דרישה ניסיונית

רכש פולימר יונומר חילופי יונים, סיבי פולימר E-550 גופרתי-PEEK להכנת CEM ו- FAA-3 להכנת AEM. ודאו שכל פולימרי היונומר מאוחסנים בסביבה נקייה, יבשה ונאטולת אבק לפני השימוש.
השתמש טוהר גבוה (>99%) ממסים, כולל N-מתיל-2- פירולידון עם משקל מולקולרי 99.13 גרם מול^-1 ו- N, N-דימתיל אקטמיד עם משקל מולקולרי 87.12, להכנת פתרון היונומר הומוגני. ודא שכל הכימיקלים והממסים אנליטיים המשמשים להכנת ממברנה כפי שהתקבל ללא כל טיהור נוסף.
לאחר תהליך ההפעלה של הממברנות, לטבול מיד את כל הממברנות בתמיסת NaCl 0.5 M לקבלת ביצועים טובים יותר. לאחר הפעלה של שתי הממברנות, אין צורך בייבוש. מים עם התנגדות הוא 18.2 MΩ בטמפרטורת החדר שימש לאורך כל הסינתזה של הממברנה.
לאפיין את תכונות הממברנה באמצעות קרום יבש. התיאור המפורט של טכניקות האפיון והמאפיינים הפיזיקוכימיים שלהן כגון יכולת החלפת יונים, מוליכות יונים, עובי, ניתוח תרמי ומורפולוגיה של פני השטח, מוצגים בספרות¹⁰^,¹¹.
השתמש בחותך כדי לעצב את הממברנה עבור CEM ו- AEM לגודל הערימה האדומה עם שטח פעיל של 49 ס"מ², כפי שמוצג באיור 2.
עבור ייצור מחסנית RED, לעשות סידור CEM ו- AEM חלופי, מופרד על ידי spacer ואטם; תמונה אמיתית של הערימה האדומה העובדת מוצגת באיור 3a, והדיאגרמה הסכמטית של כל שכבה מודגמת באיור 3b.
1. ראשית, למקם את צלחת PMMA מול אלקטרודה הפוך; עכשיו, מניחים את אטם הגומי ואת spacer על זה, ולאחר מכן למקם את CEM. לאחר מכן, מניחים את אטם הסיליקון עם המרווח על CEM ולאחר מכן מניחים עליו את ה- AEM. באופן דומה, הוסף את אטם הסיליקון ואת spacer על החלק העליון של AEM ואחריו CEM. עכשיו, מניחים את צלחת PMMA הסופית, אטם גומי, ו spacer ואחריו הידוק באמצעות ברגים ואגוזים.
לאחר הרכבת הערימה האדומה, בדוק את הזרימה החופשית של הריכוז הגבוה (HC), ריכוז נמוך (LC) ולשטוף את הפתרונות אחד אחד. כל זרימה צולבת או דליפה נדרשת כדי להיות מסולק לפני המדידה.
לפני מדידת הזרם והמתח, נטר את קצב הזרימה של פתרונות מלח וקריאה במד לחץ וודא שהוא מתייצב. ודא שכל החיבורים נמצאים במקום המדויק לפני תחילת המדידה. הימנע מלגעת בערימה האדומה ובצינורות המחברים שלה בזמן שהמדידה פועלת.
הערה: HC ו- LC פתרון לזרום מהתאים שלהם כדי להשליך את התא דרך משאבה peristaltic, מד לחץ, וערימה אדומה, בהתאמה.
השתמש בשיטת galvanostat למדידה של זרם ומתח, מכשיר מד המקור המחובר לערימה האדומה באמצעות קליפסים תנין.

figure-protocol-2492
איור 2: גודלה וצורה של הממברנה המוכנה, האטם והמרווח לייצור אלקטרודיליזה הפוכה. (א)אטם סיליקון חיצוני, (b)מרווח חיצוני ומרווח פנימי, (c)אטם סיליקון פנימי, (d)קרום חילופי קטיונים, (e) קרום החלפת אניון, ו -( ו) אטם ומכלול ממברנה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-3159
איור 3: מחסנית אלקטרודיאליזה הפוכה( א)של מחסנית אלקטרודיאליזה הפוכה עם צינורות חיבור, ו -( b)איור סכמטי של שכבות שונות, כולל לוחות קצה PMMA, אלקטרודות, אטם, spacer, CEM ו- AEM. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

2. הכנת ממברנה חילופי יון

הערה: כמות החומר הקדמה הייתה מותאמת לקבלת ממברנה עם קוטר 18 ס"מ ועובי ~ 50 מיקרומטר.

קרום חילופי Cation
1. קח 5 wt% של סיבי Sulfonated-PEEK בבקבוקון התחתון עגול 250 מ"ל ולהמיס את הסיבים דימתיל אצטמיד (DMAc) כממס בעל משקל מולקולרי 87.12 גרם מול^-1. לנער את הבקבוק במשך 10 דקות, כך שכל פולימרים ionomer להתיישב.
2. מניחים פס מגנטי בבקבוק ולאחר מכן לשמור את התערובת באמבט שמן הסיליקון, ואחריו ערבוב נמרץ ב 500 סל"ד עבור 24 שעות ב 80 °C (80 °F) כדי לקבל פתרון הומוגני.
3. סנן את פתרון ה- Sulfonated-PEEK באמצעות מסנן פוליטרפלואורואתילן (PTFE) בגודל 0.45 מיקרומטר.
4. לאחר מכן, יוצקים את הפתרון המסונן על צלחת זכוכית עגולה בקוטר של 18 ס"מ. ודא כי כל בועות האוויר מוסרות באמצעות מפוח אוויר לפני הצבת צלחת פטרי בתנור.
5. מניחים את צלחת הפטרי בתוך תנור לייבוש הפתרון ב 90 °C (50 °F) במשך 24 שעות, וכתוצאה מכך ~ 50 מיקרומטר קרום עצמאי עבה. לעשות זאת לחילוץ קרום עצמאי: כדי לקלף את הממברנה מן צלחת פטרי, למלא את צלחת פטרי עם מים זיקוק חם (~ 60 °C) ולתת לו לעמוד במשך 10 דקות ללא פגע. הממברנה העומדת בפניו תצא באופן אוטומטי.
6. להפעלת הממברנה, לטבול את הממברנה מוכנה ב 1 M חומצה גופרתית (H₂SO₄) פתרון מימי, כלומר, 98.08 גרם, ב 1 ליטר של מים מזוקקים, ודגרה עבור 2 שעות ב 80 °C (70 °F).
  הערה: צעד זה יבטיח הסרה של חלקיקים זרים וכימיקלים אחרים כגון ממיסים שיפחיתו את האפשרות של ממברנה מלכלוך.
7. לשטוף את הממברנה הספוגה עם 1 ליטר של מים מזוקקים במשך 10 דקות, לפחות שלוש פעמים בטמפרטורת החדר.
קרום החלפת אניון
1. התמוסס FAA-3 פתרון ionomer 10 wt.% בממס N-מתיל-2-פירולידון (NMP).
2. שמור את הפתרון לבחוש בטמפרטורת החדר במשך 2 שעות ב ~ 500 סל"ד.
3. לאחר מכן, לסנן את הפתרון באמצעות רשת שינוי עם גודל נקבובית 100 מיקרומטר.
4. יוצקים ~ 30 mL פתרון מסונן לתוך צלחת פטרי עגולה בקוטר של 18 סמ. ודא כי כל בועות האוויר הוסרו באמצעות מפוח אוויר לפני הצבת צלחת פטרי זכוכית בתנור. תהליך הייבוש מתבצע ב 100 °C (50 °F) עבור 24 שעות.
5. כדי להשיג קרום העומד בפניו, יוצקים מים מזוקקים חמים לתוך צלחת פטרי זכוכית ולשמור אותו לפחות 10 דקות. עכשיו לקלף את הממברנות ולהניח 1 ליטר של פתרון נתרן הידרוקסיד (NaOH) (ריכוז 1M ומשקל מולקולרי 40 גרם מול^-1) עבור 2 שעות.
6. לאחר מכן, לשטוף את הממברנה ביסודיות עם 1 ליטר של מים מזוקקים במשך 10 דקות, לפחות שלוש פעמים במצב הסביבה.
  הערה: כל הממברנות המוכנות אוחסנו בתמיסת NaCl 0.5 M לילה לפני השימוש בו בערימה האדומה. כך מוליכות הממברנה משתפרת והוא יכול להשיג ביצועי פלט מיוצבים במהלך המדידה של מחסנית אדום. טבלה 1 מתארת את מאפייני הממברנה^10,¹¹.

מפרט	יחידה	CEM	AEM
דרגת נפיחות	%	5±1	1±0.5
צפיפות טעינה או קיבולת חילופי יוני	meq/g	1.8	~ 1.6
תכונות מכניות (חוזק מתיחה)	MPa	>40	40-50
התארכות להפסקה	%	~ 42	30-50
מודולוס הצעיר (MPa)		1500±100	1000-1500
מוליכות בטמפרטורת החדר	S/ס"מ	~0.03	~ 0.025
Permselectivity	%	98-99	94-96
עובי	מיקרומטר	50±2	50±3
הממס	-	דימתיל אצטמיד (DMAc)	N-מתיל-2-פירולידון (NMP)

טבלה 1: מאפייני ממברנות. סיכום הן של cation-exchange והן תכונות ממברנה החלפת אניון.

3. ייצור של אלקטרודיאליזה הפוכה

הרכבה של מחסנית אדומה
1. הכן פתרון מודל באמצעות 0.6 M NaCl לריכוז גבוה (HC) ו 0.01 M NaCl עבור ריכוז נמוך (LC) תאים¹².
  הערה: כאן, מי הנהר נחשבים לתמיסת מלח בריכוז נמוך, ומי ים מיוצגים כתמיסת מלח בריכוז גבוה.
2. הכן 5 ליטר של ריכוז גבוה ופתרון ריכוז נמוך במיכל גדול המחובר לצינורות. שמור את הפתרונות ערבוב בתנאי סביבה (טמפרטורת החדר) לפחות 2 שעות לפני שהוא משמש בערימה האדומה.
3. הכן את התערובת של 0.05 M של [Fe (CN)₆]^-3/ [Fe (CN)₆]^-4 ו 0.3 M NaCl במים 500 מ"ל כתמיסת שטיפה עבור אדום.
4. חבר את כל שלושת מיכלי הפתרון עם מחסנית RED באמצעות צינורות גומי דרך המשאבה peristaltic ומדי הלחץ. השתמש בצינור בגודל L/S 16 לפתרון שטיפה, והשתמש בצינור בגודל L/S 25 לפתרון HC ו- LC.
5. כדי ליצור מחסנית אדומה, יש ליטול שני לוחות-קצה המורכבים מפולימתיל מתאקרילט (PMMA). חבר את שני לוחות הקצה אופקית פנים אל פנים עם אגוזים, ברגים, מכונות כביסה באמצעות כוח 25 ננומטר באמצעות מנהל התקן מפתח ברגים דיגיטלי. עובי לוחית הקצה PMMA 3 ס"מ, ואת הנתיב של ערוצי הזרימה תוכנן לוחות עבור HC, LC, ופתרון לשטוף על ידי מקדח².
6. מניחים שתי אלקטרודות רשת העשויות מטיטניום ממתכת (Ti) מצופות בתערובת של אירידיום (Ir) ורותניום (Ru) ביחס של 1:1 ומניחים בסוף לוחות PMMA. שתי האלקטרודות הסופיות מחוברות לקליפ התנין של מד המקור.
  הערה: שתי לוחות הקצה של PMMA מצוידים באלקטרודות רשת, שתי האלקטרודות היו בשכבות עם מרווח צורה מרובע, ואת לוחית הקצה PMMA מכוסה אטם גומי הפונה פנימה. לאחר מכן, CEM ו- AEM ממוקמים לחלופין, מופרדים על ידי אטם סיליקון ומרווח, כפי שמוצג באיור 3.
7. התקן אטמי סיליקון, מרווחי פולימר וממברנות חילופי יונים (CEM ו- AEM) שכבה אחר שכבה, כפי שמוצג בתרשים הסכמטי איור 4 ואיור 5. ודא שהאזור הפעיל של אלקטרודות, שתי הממברנות, החלל החיצוני והפניומי, האטם החיצוני והפניומי הוא 7 x 7 = 49 ס"מ².
8. העבירו פתרונות בריכוז גבוה ובריכוז נמוך מתאים בהתאמה על ידי משאבות פרייסטליות, כפי שמוצג בתרשים הסכמטי באיור 4.
9. יש להפיץ את תמיסת השטיפה בתאי האלקטרודה והממברנה החיצוניים במצב מחזור באמצעות משאבות פרייסטליות. קצב הזרימה המשמש לפתרון השטיפה הוא 50 מ"ל דקה^-1.
10. קצב זרימה קבוע משמש לניתוח הביצועים של כל ממברנה. בניסוי זה, השתמשנו 100 מ"ל^דקות-1 דרך משאבה peristaltic.

figure-protocol-10191
איור 4: ייצוג סכמטי של חיבור הצינור עם מחסנית אלקטרודיאליזה הפוכה. חיבור של אלקטרודיאליזה הפוכה עם משאבות פרייסטלטיות, מיכל פתרון בריכוז גבוה, מיכל פתרון בריכוז נמוך, מיכל פתרון שטיפה, ולהיפטר מיכל פתרון. זה גם מראה את היישור של spacer עם קרום חילופי אניון (AEM) וקרום חילופי cation (CEM). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-10819
איור 5: תרשיםסכמטי של שכבות שונות בהגדרת האלקטרו-דיליזה ההפוכה. (א)תצוגה חתך של איור סכמטי של אלקטרודיאליזה הפוכה מראה את כיוון הזרימה של פתרון הריכוז הגבוה, פתרון בריכוז נמוך ופתרון שטיפת אלקטרודה. רכיבים אחרים כגון אלקטרודות, אטמים החיצוניים והפנימיים, מרווחים החיצוניים והפנימיים, קרום חילופי הקטיונים וקרום חילופי האניון. (ב)תצוגה קדמית של הערימה, המציגה את כיוון הזרימה של פתרון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

4. מדידת אלקטרודיאליזה הפוכה

חישוב צריכת חשמל
1. תן לריכוז הגבוה, ריכוז נמוך, ולשטוף את הפתרון, לרוץ דרך הערימה לפחות במשך 5 דקות. מדוד את ביצועי הפלט האדום לפי מד מקור, המחובר לשתי האלקטרודות של הערימה האדומה¹³.
2. חשב את מאפייני מתח הזרם של מחסנית RED במונחים של צפיפות הספק באמצעות שיטת galvanostat.
  הערה: בשיטת galvanostat, זרם קבוע מוחל על פני אלקטרודות ומודד את הזרם המתקבל. הזרם המתקבל הוא הזרם שנוצר עקב התגובה האלקטרוכימית בערימה. המדידה מתבצעת תחת מתח סטטי 0.05 V עם זרם טאטוא קבוע שהוא 10 mA.
3. צפיפות צריכת החשמל המרבית עבור מחסנית RED נמדדת בעזרת המשוואה הבאה 1.
  (1)
  כאן, P_maxהוא צפיפות הכוח המרבית של מחסנית אדום (Wm^-2),_מחסניתU היא המתח (V) המיוצר על ידי הממברנה בערימה, אני_מחסנית הוא הזרם המוקלט (A), ו_Memהוא האזור הפעיל של הממברנות (מ^'2).

תוצאות

תפוקת חשמל נטו
תא אדום בדרך כלל מייצר אנרגיה חשמלית משיפוע המליחות של תמיסת המלח, כלומר, תנועת היונים בכיוון ההפוך דרך הממברנה. כדי להרכיב את הערימה האדומה בצורה נכונה, יש ליישר את כל השכבות, כולל אלקטרודות, אטמים, ממברנות ומרווחים בערימה בקפידה, כפי שהודגם בתרשים הסכמטי

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

המחברים אינם מצהירים על ניגודי עניינים.

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

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:

Method Article