Ионообменные мембраны для изготовления устройства обратного электродиализа

Резюме

Мы демонстрируем изготовление устройства обратного электродиализа с использованием катионообменных мембран (CEM) и анионообменных мембран (AEM) для производства электроэнергии.

Аннотация

Обратный электродиализ (RED) является эффективным способом получения энергии путем смешивания двух различных концентраций солей в воде с использованием катионообменных мембран (CEM) и анионообменных мембран (AEM). Стек RED состоит из чередующегося расположения катионообмонной мембраны и анионообменных мембран. Устройство RED выступает в качестве потенциального кандидата для удовлетворения универсального спроса на будущие энергетические кризисы. Здесь, в этой статье, мы демонстрируем процедуру изготовления устройства обратного электродиализа с использованием лабораторных CEM и AEM для производства электроэнергии. Активная площадь ионообмонной мембраны составляет 49^см2. В этой статье мы представляем пошаговую процедуру синтеза мембраны с последующим измерением сборки и мощности стека. Также были объяснены условия измерения и расчет чистой выходной мощности. Кроме того, мы описываем фундаментальные параметры, которые учитываются для получения достоверного результата. Мы также предоставляем теоретический параметр, который влияет на общую производительность клеток, относящуюся к мембране и кормовому раствору. Короче говоря, этот эксперимент описывает, как собирать и измерять красные клетки на одной платформе. Он также содержит принцип работы и расчет, используемые для оценки чистой выходной мощности стека RED с использованием мембран CEM и AEM.

Введение

Сбор энергии из природных ресурсов является экономичным методом, который является экологически чистым, тем самым делая нашу планету зеленой и чистой. До сих пор было предложено несколько процессов для извлечения энергии, но обратный электродиализ (RED) имеет огромный потенциал для преодоления энергетического кризиса проблема^1. Производство электроэнергии от обратного электродиализа является технологическим прорывом для декарбонизации мировой энергетики. Как следует из названия, RED представляет собой обратный процесс, при котором альтернативный клеточный компартмент заполняется высококонцентрированным солевым раствором и низкоконцентрированным солевым раствором^2. Химический потенциал, генерируемый разностью концентраций солей на ионообменных мембранах, собранных с электродов на конце отсека.

С 2000 года было опубликовано много научных статей, дающих представление о RED теоретически и экспериментально^3,4. Систематические исследования условий эксплуатации и исследования надежности в стрессовых условиях улучшили архитектуру стека и повысили общую производительность ячейки. Несколько исследовательских групп отвлекли свое внимание на гибридное применение RED, такие как RED с процессом опреснения^5,RED с солнечной энергией^6,RED с процессом обратного осмоса (RO)^5,RED с микробным топливным элементом⁷и RED с процессом радиационного охлаждения^8. Как упоминалось ранее, существует много возможностей для реализации гибридного приложения RED для решения проблемы энергии и чистой воды.

Было принято несколько методов для повышения производительности КРАСНЫХ клеток и ионообменных способностей мембраны. Адаптация катионообменных мембран с различными типами ионов с использованием группы сульфоновой кислоты (-SO₃H), группы фосфоновой кислоты (-PO₃H₂₎и группы карбоновой кислоты (-COOH) является одним из эффективных способов изменения физико-химических свойств мембраны. Арионообменные мембраны сшиты с аммониевыми группами ( )⁹. Высокая ионная проводимость AEM и CEM без ухудшения механической прочности мембраны является важным параметром для выбора подходящей мембраны для применения в устройстве. Прочная мембрана в условиях напряжения обеспечивает механическую стабильность мембраны и повышает долговечность устройства. Здесь в приложении RED используется уникальная комбинация высокоэффективных отдельно стоящих сульфированных поли (эфир эфир кетонов) (sPEEK) в качестве катионообменных мембран с FAA-3 в качестве анионообменных мембран. На рисунке 1 показана блок-схема экспериментальной процедуры.

Рисунок 1:Процедурная диаграмма. На блок-схеме представлена процедура, принятая для получения ионообменных мембран с последующим процессом измерения обратного электродиализа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

протокол

1. Экспериментальное требование

1. Приобрести ионообменный иономерный полимер, полимерное волокно E-550 сульфированное-PEEK для приготовления CEM и FAA-3 для приготовления AEM. Убедитесь, что все иономерные полимеры хранятся в чистой, сухой и свободной от пыли среде перед использованием.
2. Для получения однородного растворителя иономера используют растворители высокой чистоты (>99%) растворители, в том числе N-метил-2-пирролидон с молекулярной массой^99,13 г моль-1 и N,диметилацетамид с молекулярной массой 87,12. Убедитесь, что все аналитические химикаты и растворители используются для мембранной подготовки без какой-либо дальнейшей очистки.
3. После процесса активации мембран немедленно погрузите все мембраны в раствор NaCl 0,5 М для повышения производительности. После активации обеих мембран сушка не требуется. Вода с удельным сопротивлением 18,2 МОм при комнатной температуре использовалась на протяжении всего синтеза мембраны.
4. Охарактеризуйте свойства мембраны с помощью сухой мембраны. Подробное описание методов характеризации и их физико-химических свойств, таких как ионообменная способность, ионнопроводность, толщина, термический анализ и морфология поверхности, представлены в литературе^10,11.
5. Используйте резак для приведения мембраны для CEM и AEM в размер стека RED с активной площадью 49^см2,как показано на рисунке 2.
6. Для изготовления стека RED сделайте альтернативное расположение CEM и AEM, разделенное прокладкой и прокладкой; реальная картина работающего стека RED представлена на рисунке 3a,а его принципиальная схема каждого слоя проиллюстрирована на рисунке 3b.
   1. Во-первых, поместите пластину ПММА, обращенную к электроду вверх; Теперь поместите на нее резиновую прокладку и прокладку, затем поместите CEM. После этого поместите силиконовую прокладку с прокладкой на CEM, затем поместите на нее AEM. Аналогичным образом, добавьте силиконовую прокладку и прокладку поверх AEM, а затем CEM. Теперь поместите торцевую пластину из ПММА, резиновую прокладку и прокладку с последующей затяжкой с помощью винтовых и гайковых болтов.
7. После сборки стека RED проверьте свободный поток высококонцентрарной (HC), низкой концентрации (LC) и промойте растворы один за другом. Любой поперечный поток или утечка должны быть устранены до измерения.
8. Перед измерением тока и напряжения контролируйте скорость потока солевых растворов и показания манометра и убедитесь, что он стабилизируется. Убедитесь, что все соединения находятся в точном месте до начала измерения. Избегайте прикосновения к стеку RED и его соединительным трубкам во время измерения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Растворы HC и LC поступают из их отсеков в отсек для сброса через перистальтический насос, манометр и трубу RED, соответственно.
9. Используйте метод гальваностата для измерения тока и напряжения, прибор измерителя источника подключается к стеку RED через крокодиловые зажимы.

Рисунок 2:Размер и форма подготовленной мембраны, прокладки и прокладки для изготовления обратного электродиализа. (a) наружнаясиликоновая прокладка,(b)внешняя прокладка и внутренняя прокладка,(c)внутренняя силиконовая прокладка,(d)катионообменная мембрана,(e)анионообменная мембрана и(f)прокладка и мембранный узел. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3:Обратный электродиализный стек. (а)установка обратного электродиализного стека с соединительными трубками и(б)схематическая иллюстрация различных слоев, включая концевые пластины ПММА, электроды, прокладку, прокладку, CEM и AEM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Подготовка ионообменных мембран

ПРИМЕЧАНИЕ: Количество материала-предшественника было оптимизировано для получения мембраны диаметром 18 см и толщиной ~50 мкм.

1. Катионообменная мембрана
   1. Возьмите 5 мас.% сульфированных волокон PEEK в колбе круглого дна объемом 250 мл и растворите волокна в диметилацетамиде (DMAc) в качестве растворителя, имеющего молекулярную массу 87,12 г^моль-1. Встряхните колбу в течение 10 минут, чтобы все полимеры иономера осели.
   2. Поместите магнитный стержень в колбу, а затем держите смесь в кремниевой масляной ванне, а затем энергично перемешивайте при 500 об/мин в течение 24 ч при 80 °C для получения однородного раствора.
   3. Фильтруйте сульфированный раствор PEEK через фильтр политетрафторэтилена (PTFE) размером 0,45 мкм.
   4. После этого вылейте процеженный раствор на круглую стеклянную посуду диаметром 18 см. Убедитесь, что все пузырьки воздуха удалены с помощью воздуходувки, прежде чем помещать чашку Петри в духовку.
   5. Поместите чашку Петри в духовку для высыхания раствора при 90 °C в течение 24 ч, в результате чего получается отдельно стоящая мембрана толщиной ~50 мкм. Сделайте это для извлечения отдельно стоящей мембраны: чтобы снять мембрану с чашки Петри, наполните чашку Петри теплой дистиллированной водой (~ 60 ° C) и дайте ей постоять в течение 10 минут нетронутыми. Отдельно стоящая мембрана автоматически выйдет наружу.
   6. Для мембранной активации погружают приготовленную отдельно стоящую мембрану в водный раствор 1_Мсерной кислоты (Н2_СО4),т.е. 98,08 г, в 1 л дистиллированной воды, и инкубируют в течение 2 ч при 80 °С.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот этап обеспечит удаление посторонних частиц и других химических веществ, таких как растворители, что уменьшит вероятность загрязнения мембраны.
   7. Промыть пропитанную мембрану 1 л дистиллированной воды в течение 10 мин, не менее трех раз при комнатной температуре.
2. Амионообменная мембрана
   1. Растворить раствор иономера FAA-3 10 мас.% в растворителе N-метил-2-пирролидона (NMP).
   2. Держите раствор для перемешивания при комнатной температуре в течение 2 ч при ~500 об/мин.
   3. После этого процедить раствор с помощью сетки с размером пор 100 мкм.
   4. Налейте ~30 мл фильтрованного раствора в круглую стеклянную чашку Петри диаметром 18 см. Убедитесь, что все пузырьки воздуха были удалены с помощью воздуходувки, прежде чем помещать стеклянную чашку Петри в духовку. Процесс сушки происходит при 100 °C в течение 24 ч.
   5. Чтобы получить отдельно стоящую мембрану, налейте горячую дистиллированную воду в стеклянную чашку Петри и держите ее не менее 10 минут. Теперь снимите оболочки и поместите в 1 л раствора гидроксида натрия (NaOH) (концентрация 1М и молекулярная масса 40 г^моль-1)в течение 2 ч.
   6. Затем тщательно промыть мембрану 1 л дистиллированной воды в течение 10 мин, не менее трех раз в окружающем состоянии.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Все подготовленные мембраны хранили в растворе 0,5 М NaCl в течение ночи перед использованием его в стеке RED. Таким образом, проводимость мембраны повышается и может достигать стабилизированных выходных характеристик во время измерения стека RED. В таблице 1 описаны свойства мембраны^10,11.

Спецификация	Единица	СЕМ	АЕМ
Степень отека	%	5±1	1±0,5
Плотность заряда или емкость ионого обмена	мекв/г	1.8	~1,6
Механические свойства (Прочность на растяжение)	Мпа	>40	40-50
Удлинение до разрыва	%	~42	30-50
Модуль юнга (МПа)		1500±100	1000-1500
Проводимость при комнатной температуре	См/см	~0,03	~0,025
Пермселективность	%	98-99	94-96
Толщина	мкм	50±2	50±3
Растворитель	-	Диметилацетамид (DMAc)	N-метил-2-пирролидон (NMP)

Таблица 1: Свойства мембран. Обобщение свойств как катионообменных, так и анионообменных мембран.

3. Изготовление обратного электродиализа

1. Сборка стека RED
   1. Готовят модельный раствор, используя 0,6 М NaCl для высокой концентрации (HC) и 0,01 М NaCl для низкоконцентраций (LC) в отсеках^12.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь речная вода считается раствором соли низкой концентрации, а морская вода представлена в виде раствора соли высокой концентрации.
   2. Готовят 5 л раствора высокой и низкой концентрации в большой емкости, соединенной с пробирками. Держите растворы помешивающимися при окружающей среде (комнатной температуре) в течение не менее 2 ч, прежде чем они будут использованы в красной стопке.
   3. Готовят смесь 0,05 М [Fe (CN)^6]-3/[Fe(CN)6]-4 и 0,3 М NaCl в воде 500 мл в виде раствора для полоскания для КРАСНОГО.
   4. Соедините все три контейнера для раствора со стеком RED с помощью резиновых трубок через перистальтический насос и манометры. Используйте трубку размера L/S 16 для промывки раствора, а для раствора HC и LC используйте трубку размера L/S 25.
   5. Чтобы сделать стек RED, возьмите две концевые пластины, состоящие из полиметилметакрилата (ПММА). Соедините обе концевые пластины горизонтально лицом к лицу с помощью гаек, болтов и шайб, используя усилие 25 Нм с помощью цифрового гаечный ключ. Толщина торцевых пластин ПММА 3 см, а путь прототочных каналов был спроектирован в пластинах для HC, LC и промывного раствора бурильщиком^2.
   6. Поместите два сетчатых электрода из металлического титана (Ti), покрытые смесью иридия (Ir) и рутения (Ru) в соотношении 1:1, и поместите на конец пластин PMMA. Оба торных электрода соединены крокодиловым зажимом измерителя источника.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Обе концевые пластины ПММА оснащены сетчатыми электродами, оба электрода были покрыты проставкой квадратной формы, а концевая пластина ПММА покрыта резиновой прокладкой, обращенной внутрь. После этого CEM и AEM размещают альтернативно, разделенные силиконовой прокладкой и прокладкой, как показано на фиг.3.
   7. Установите кремниевые прокладки, полимерные прокладки и ионообменные мембраны (CEM и AEM) слой за слоем, как показано на принципиальной схеме Фиг.4 и Фиг.5. Убедитесь, что активная площадь электродов, как мембран, наружной, так и внутренней прокладки, наружной и внутренней прокладки составляет 7 х 7 = 49^см2.
   8. Пропускайте растворы с высокой и низкой концентрацией из соответствующих отсеков перистальтическими насосами, как показано на принципиальной схеме на рисунке 4.
   9. Циркулируют раствор промывки во внешнем электроде и мембранных отсеках в режиме рециркуляции с помощью перистальтических насосов. Расход, используемый для промывки раствора, составляет 50 мл^мин-1.
   10. Фиксированный расход используется для анализа производительности каждой мембраны. В этом эксперименте мы использовали 100 мл^мин-1 через перистальтический насос.

Рисунок 4:Схематическое изображение соединения трубки с обратным электродиализным стеком. Соединение обратного электродиализа с перистальтическими насосами, контейнером для высококонцентрированного раствора, контейнером для раствора с низкой концентрацией, контейнером для промывки раствора и контейнером для выброса раствора. Он также показывает выравнивание спейсера как с анионообмонной мембраной (AEM), так и с катионообмонной мембраной (CEM). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5:Принципиальная схема различных слоев в установке обратного электродиализа. (a) Поперечное сечение схематической иллюстрации обратного электродиализа показывает направление потока высококонцентрированного раствора, раствора с низкой концентрацией и раствора для промывки электродов. Другие компоненты, такие как электроды, наружные и внутренние прокладки, наружные и внутренние прокладки, катионообменная мембрана и анионообменная мембрана. b)Вид дымовой трубы спереди, на котором показано направление потока раствора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

4. Измерение обратного электродиализа

1. Расчет мощности
   1. Дайте высокой концентрации, низкой концентрации и промыть раствор, пробежать по стопке не менее 5 мин. Измерьте производительность выхода RED с помощью измерителя источника, который подключен к обоим электродам стека^{RED 13.}
   2. Рассчитайте характеристики тока-напряжения стека RED с точки зрения плотности мощности с использованием метода гальваностата.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В методе гальваностата постоянный ток подается на электроды и измеряет результирующий ток. Результирующий ток - это ток, генерируемый в результате электрохимической реакции в дымовой трубе. Измерение проводится под статическим напряжением 0,05 В с фиксированным током развертки, который составляет 10 мА.
   3. Максимальная плотность мощности для стека RED измеряется с помощью следующего уравнения 1.
      (1)
      Здесь P_max - максимальная плотность мощности стека RED (Wm^-2),_стек U - напряжение (V), производимое мембраной в стеке, I_stack - зарегистрированный ток (A), а A_mem - активная площадь мембран^(m2).

Результаты

Выходная полезная мощность
КРАСНАЯ клетка обычно генерирует электрическую энергию из градиента солености раствора соли, то есть движения ионов в противоположном направлении через мембрану. Чтобы правильно собрать стек RED, необходимо тщательно выровнять все слои, включая э?...

Обсуждение

В принципе работы RED в основном доминируют физико-химические свойства мембраны, которая является важной частью системы RED, как показано на рисунке 3. Здесь мы опишем фундаментальные характеристики мембраны для обеспечения высокопроизводительной системы RED. Удельная иоп...

Материалы

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