Name: ion-exchange membranes for the fabrication of reverse electrodialysis device
Uploaded: 2021-07-20T13:00:00
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Diese Arbeit wurde durch den Zuschuss der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, der von der koreanischen Regierung (MEST) finanziert wurde (Nr. NRF-2017R1A2A2A05001329). Die Autoren des Manuskripts danken der Sogang University, Seoul, Republik Korea.

1. Experimentelle Anforderung
<ol><li>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.</li>
	<li>Zur Herstellung homogener Ionomerlösungen werden hochreine (>99%) Lösungsmittel, einschließlich N-Methyl-2-pyrrolidon mit Molekulargewicht 99,13 gmol-1 und N,N-Dimethylacetamid mit Molekular...

<ol>
	<li>Dlugolecki, P., Gambier, A., Nijmeijer, K., Wessling, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Practical+potential+of+reverse+electrodialysis+as+process+for+sustainable+energy+generation.">Practical potential of reverse electrodialysis as process for sustainable energy generation.</a> Environmental Science &amp; Technology. 43, 6888-6894 (2009).</li><li>Kim, D., Kwon, K., Kim, D. H., Li, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Energy Generation Using Reverse Electrodialysis: Principles, Implementation, and Applications. , (2019).</li><li>Mei, Y., Tang, C. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+developments+and+future+perspectives+of+reverse+electrodialysis+technology:+A+review.">Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: A review.</a> Desalination. 425, 156-174 (2018).</li><li>Yip, N. Y., Brogioli, D., Hamelers, H. V. M., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salinity+gradients+for+sustainable+energy:+primer,+progress,+and+prospects.">Salinity gradients for sustainable energy: primer, progress, and prospects.</a> Environmental Science &amp; Technology. 50, 12072-12094 (2016).</li><li>Li, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+hybrid+process+of+reverse+electrodialysis+and+reverse+osmosis+for+low+energy+seawater+desalination+and+brine+management.">A novel hybrid process of reverse electrodialysis and reverse osmosis for low energy seawater desalination and brine management.</a> Applied Energy. 104, 592-602 (2013).</li><li>Brauns, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salinity+gradient+power+by+reverse+electrodialysis:+effect+of+model+parameters+on+electrical+power+output.">Salinity gradient power by reverse electrodialysis: effect of model parameters on electrical power output.</a> Desalination. 237, 378-391 (2009).</li><li>Cusick, R. D., Kim, Y., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energy+capture+from+thermolytic+solutions+in+microbial+reverse-electrodialysis+cells.">Energy capture from thermolytic solutions in microbial reverse-electrodialysis cells.</a> Science. 335, 1474-1477 (2012).</li><li>Kim, D. H., Park, B. H., Kwon, K., Li, L., Kim, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+of+power+generation+with+thermolytic+reverse+electrodialysis+for+low-grade+waste+heat+recovery.">Modeling of power generation with thermolytic reverse electrodialysis for low-grade waste heat recovery.</a> Applied Energy. 189, 201-210 (2017).</li><li>Hong, J. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Potential+ion+exchange+membranes+and+system+performance+in+reverse+electrodialysis+for+power+generation:+A+review.">Potential ion exchange membranes and system performance in reverse electrodialysis for power generation: A review.</a> Journal of Membrane Science. 486, 71-88 (2015).</li><li>Choi, S. -. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+fuel+crossover+in+open+electrochemical+cells+by+tuning+the+water+nanochannel+for+power+generation.">Controlling fuel crossover in open electrochemical cells by tuning the water nanochannel for power generation.</a> ACS Sustainable Chemistry &amp; Engineering. 8, 8613-8623 (2020).</li><li>Shah, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modified+single-wall+carbon+nanotube+for+reducing+fouling+in+perfluorinated+membrane-based+reverse+electrodialysis.">Modified single-wall carbon nanotube for reducing fouling in perfluorinated membrane-based reverse electrodialysis.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 45, 30703-30719 (2020).</li><li>Kwon, K., Han, J., Park, B. H., Shin, Y., Kim, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brine+recovery+using+reverse+electrodialysis+in+membrane-based+desalination+processes.">Brine recovery using reverse electrodialysis in membrane-based desalination processes.</a> Desalination. 362, 1-10 (2015).</li><li>Kwon, K., Park, B. H., Kim, D. H., Kim, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parametric+study+of+reverse+electrodialysis+using+ammonium+bicarbonate+solution+for+low-grade+waste+heat+recovery.">Parametric study of reverse electrodialysis using ammonium bicarbonate solution for low-grade waste heat recovery.</a> Energy Conversion and Management. 103, 104-110 (2015).</li><li>Hatzell, M. C., Ivanov, I., Cusick, R. D., Zhu, X., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+hydrogen+production+and+electrical+power+generation+for+energy+capture+in+closed-loop+ammonium+bicarbonate+reverse+electrodialysis+systems.">Comparison of hydrogen production and electrical power generation for energy capture in closed-loop ammonium bicarbonate reverse electrodialysis systems.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 1632-1638 (2014).</li><li>Zhu, X. P., He, W. H., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reducing+pumping+energy+by+using+different+flow+rates+of+high+and+low+concentration+solutions+in+reverse+electrodialysis+cells.">Reducing pumping energy by using different flow rates of high and low concentration solutions in reverse electrodialysis cells.</a> Journal of Membrane Science. 486, 215-221 (2015).</li><li>Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Doubled+power+density+from+salinity+gradients+at+reduced+intermembrane+distance.">Doubled power density from salinity gradients at reduced intermembrane distance.</a> Environmental Science &amp; Technology. 45, 7089-7095 (2011).</li><li>Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reverse+electrodialysis:+Performance+of+a+stack+with+50+cells+on+the+mixing+of+sea+and+river+water.">Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water.</a> Journal of Membrane Science. 327, 136-144 (2009).</li><li>Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+power+from+sea+and+river+water+by+reverse+electrodialysis:+a+first+step+from+the+laboratory+to+a+real+power+plant.">Electrical power from sea and river water by reverse electrodialysis: a first step from the laboratory to a real power plant.</a> Environmental Science &amp; Technology. 44, 9207-9212 (2010).</li><li>Batchelor, C. K., Batchelor, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> An Introduction to Fluid Dynamics. , (2000).</li><li>Schock, G., Miquel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+transfer+and+pressure+loss+in+spiral+wound+modules.">Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules.</a> Desalination. 64, 339-352 (1987).</li><li>Da Costa, A. R., Fane, A. G., Wiley, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spacer+characterization+and+pressure+drop+modelling+in+spacer-filled+channels+for+ultrafiltration.">Spacer characterization and pressure drop modelling in spacer-filled channels for ultrafiltration.</a> Journal of Membrane Science. 87, 79-98 (1994).</li><li>Vermaas, D. A., Veerman, J., Saakes, M., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+multivalent+ions+on+renewable+energy+generation+in+reverse+electrodialysis.">Influence of multivalent ions on renewable energy generation in reverse electrodialysis.</a> Energy &amp; Environmental Science. 7, 1434-1445 (2014).</li><li>Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+mixing+in+the+diffusive+boundary+layer+for+energy+generation+in+reverse+electrodialysis.">Enhanced mixing in the diffusive boundary layer for energy generation in reverse electrodialysis.</a> Journal of Membrane Science. 453, 312-319 (2014).</li><li>Moreno, J., Grasman, S., van Engelen, R., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Upscaling+reverse+electrodialysis.">Upscaling reverse electrodialysis.</a> Environmental Science &amp; Technology. 52, 10856-10863 (2018).</li><li>Sarkar, S., SenGupta, A. K., Prakash, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+donnan+membrane+principle:+opportunities+for+sustainable+engineered+processes+and+materials.">The donnan membrane principle: opportunities for sustainable engineered processes and materials.</a> Environmental Science &amp; Technology. 44, 1161-1166 (2010).</li><li>Kim, H. -. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+power+density+of+reverse+electrodialysis+with+pore-filling+ion+exchange+membranes+and+a+high-open-area+spacer.">High power density of reverse electrodialysis with pore-filling ion exchange membranes and a high-open-area spacer.</a> Journal of Materials Chemistry A. 3, 16302-16306 (2015).</li><li>D&#322;ugo&#322;&#281;cki, P., Nymeijer, K., Metz, S., Wessling, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+status+of+ion+exchange+membranes+for+power+generation+from+salinity+gradients.">Current status of ion exchange membranes for power generation from salinity gradients.</a> Journal of Membrane Science. 319, 214-222 (2008).</li><li>Geise, G. M., Curtis, A. J., Hatzell, M. C., Hickner, M. A., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salt+concentration+differences+alter+membrane+resistance+in+reverse+electrodialysis+stacks.">Salt concentration differences alter membrane resistance in reverse electrodialysis stacks.</a> Environmental Science &amp; Technology Letters. 1, 36-39 (2014).</li></ol>

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...

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 geben3,4. 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 mikrobiellenBrennstoffzelle 7und 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 ( <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62309/62209eq1.jpg"> )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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig01.jpg"> Abbildung 1: Prozedurdiagramm. Das Flussdiagramm zeigt das Verfahren zur Herstellung der Ionenaustauschmembran, gefolgt vom Verfahren zur Messung der umgekehrten Elektrodialyse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>AEM based membrane</td>
			<td>Fumion</td>
			<td>P1810-194</td>
			<td>Ionomer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CEM based membrane</td>
			<td>Fumion</td>
			<td>E550</td>
			<td>Ionomer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital torque wrench</td>
			<td>Torqueworld</td>
			<td>WP2-030-09000251</td>
			<td>wrench</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Labview software</td>
			<td>Natiaonal Instrument</td>
			<td>-</td>
			<td>Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laptop</td>
			<td>LG</td>
			<td>-</td>
			<td>PC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stirrer</td>
			<td>Lab Companion</td>
			<td>-</td>
			<td>MS-17BB</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N, N-Dimethylacetamide</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>271012</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-Methyl-2- pyrrolidone</td>
			<td>Daejung</td>
			<td>872-50-4</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peristaltic pump</td>
			<td>EMS tech Inc</td>
			<td>-</td>
			<td>EMP 2000W</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium hexacyanoferrate(II) trihydrate</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>P3289</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium hexacyanoferrate(III)</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>244023</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure Gauge</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>-</td>
			<td>Guage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reverse electrodialysis setup</td>
			<td>fabricated in lab</td>
			<td>-</td>
			<td>Device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RO system pure water</td>
			<td>KOTITI</td>
			<td>-</td>
			<td>Water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary evaporator</td>
			<td>Hitachi</td>
			<td>YEFO-KTPM</td>
			<td>Induction motor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>S9888</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydroxide</td>
			<td>Merk</td>
			<td>1310-73-2</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Source meter</td>
			<td>Keithley</td>
			<td>-</td>
			<td>2410</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spacer</td>
			<td>Nitex, SEFAR</td>
			<td>06-250/34</td>
			<td>Spacer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfuric acid</td>
			<td>Daejung</td>
			<td>7664-93-9</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tube</td>
			<td>Masterflex tube</td>
			<td>96410-25</td>
			<td>Rubber tube</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ion-exchange membranes for the fabrication of reverse electrodialysis device

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 49cm2. 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.

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...

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Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device

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

Ionenaustauschmembranen für die Herstellung von Reverse Electrodialysegeräten

Reverse electrodialysis (RED) is an effective way to generate power by mixing two different salt concentrations in water using cation-exchange membranes ...

Dieses Protokoll ist eine geräuschfreie, saubere und nachhaltige Art der Energiegewinnung. Es kann das Problem der Energiekrise leicht lösen, indem es den Salzgehaltsgradienten des Wassers in Elektrizität umwandelt. Das Verfahren bietet eine direkte Liste zur Erweiterung großflächiger Membranen mit hervorragenden physikalisch-chemischen Eigenschaften zur Erzeugung effizienter Energie mit RED.Die Ausgangsleistung des RED-Geräts kann skaliert werden und die Membran kann in anderen elektrochemischen Geräten wie Phorese- und Redox-Flow-Batterien verwendet werden. Homogene Lösungsvorbereitung, Filtration, Trocknung, Kontrolltechniken, Waschen, Membranbehandlung, regulieren die reproduzierbare Membranleistung. Die Stapelausrichtung und Druckabfalloptimierung sind entscheidend für die Herstellung einer stabilen Geräteleistung.Um eine Kationenaustauschmembran vorzubereiten, fügen Sie 5% sulfinitierte Polyetheretherketonfasern in einen 250 Milliliter Rundkolben hinzu und lösen Die Fasern in Dimethylacetamid-Lösungsmittel. Schütteln Sie dann den Kolben 10 Minuten lang, so dass sich alle Ionomerpolymere auf dem Boden des Kolbens absetzen. Die Mischung in ein Silikonölbad mit einem magnetischen Rührstab geben und die Lösung mit 500 Umdrehungen pro Minute 24 Stunden bei 80 Grad Celsius kräftig umrühren, um eine homogene Lösung zu erhalten.Am nächsten Tag filtern Sie 30 Milliliter der Lösung durch einen 0,45 Mikrometer PTFE-Filter in eine kreisförmige Glasschale mit einem Durchmesser von 18 Zentimetern. Verwenden Sie ein Luftgebläse, um Blasen zu entfernen, bevor Sie die Schüssel für 24 Stunden bei 90 Grad Celsius in den Ofen stellen, um eine etwa 50 Mikrometer dicke freistehende Membran zu erzeugen. Um die freistehende Membran zu extrahieren, füllen Sie die Schüssel mit warmem destilliertem Wasser.Nach 10 Minuten löst sich die freistehende Membran von der Schüssel. Um die Membran zu aktivieren, tauchen Sie die Membran zwei Stunden lang bei 80 Grad Celsius in eine molare Schwefelsäurelösung, gefolgt von mindestens drei 10-minütigen Wäschen mit einem Liter destilliertem Wasser bei Raumtemperatur pro Waschgang. 10 % Gewichtsprozent FAA-3-Ionomerlösung in NMP-Lösungsmittel für zwei Stunden bei Raumtemperatur und 500 Umdrehungen pro Minute auflösen.Am Ende der Inkubation etwa 30 Milliliter Lösung durch ein 100 Mikron Porensieb in eine 18 Zentimeter große Glas-Petrischale filtrieren. Nachdem Sie alle Luftblasen entfernt haben, stellen Sie das Gericht für 24 Stunden in einen 100-Grad-Celsius-Ofen. Verwenden Sie heißes destilliertes Wasser, um die getrocknete Membran wie gezeigt zu extrahieren und aktivieren Sie die Membran in einem Liter Natriumhydroxid für zwei Stunden.Anschließend waschen Sie die aktivierte Membran dreimal mit einem Liter destilliertem Wasser pro Waschgang, wie gezeigt. Schneiden Sie nach der Aktivierung die Kationen- und Anionenaustauschmembranen auf 49 Quadratzentimeter. Um einen RED-Stack herzustellen, positionieren Sie eine drei Zentimeter dicke PMMA-Platte mit der Elektrode nach oben und legen Sie eine Gummidichtung und einen Abstandshalter auf die Elektrode.Legen Sie die Kationenaustauschmembran und die Anionenaustauschmembran auf beide Seiten der Dichtung. Legen Sie eine Silikondichtung und einen Abstandhalter auf jede Membran und legen Sie eine zweite PMMA-Platte auf die zweite Schicht von Abstandshaltern und Dichtungen. Verwenden Sie dann einen digitalen Schraubenschlüsselantrieb mit einer Kraft von 25 Newtonmetern, um das Setup mit Muttern, Schrauben und Unterlegscheiben zu sichern.Wenn der Stapel zusammengebaut ist, legen Sie eine Titannetzelektrode, die mit einer Eins-zu-Eins-Mischung aus Iridium und Ruthenium beschichtet ist, an das Ende jeder Platte und verwenden Sie Krokodilklemmen, um die Elektroden mit dem Quellmessgerät zu verbinden. Mindestens zwei Stunden vor der Analyse fünf Liter einer 0,01 molaren natriumchloridarmen Lösung und fünf Liter einer 0,6 molaren Natriumchloridlösung in einzelne große Behälter geben, die an eine Peristaltikpumpe angeschlossen sind, und die Lösungen kontinuierlich bei Raumtemperatur umrühren. Um die RED-Analyse durchzuführen, fügen Sie 0,05 molare Spüllösung in einen dritten Behälter hinzu und verwenden Sie Gummischläuche, um alle drei Behälter durch die Peristaltikpumpe und manometer mit der RED-Baugruppe zu verbinden.Stellen Sie die Durchflussrate der Spüllösung auf 50 Milliliter pro Minute und die Durchflussrate der Salzlösungen auf 100 Milliliter pro Minute ein und überprüfen Sie den Schlauch, um Querstrom oder Leckagen zu vermeiden. Führen Sie eine Manometermessung durch, um sicherzustellen, dass der Messwert stabil ist. Nachdem die Lösungen mindestens fünf Minuten lang durch den Stack gelaufen sind, verwenden Sie ein Quellenmessgerät, das an beide Elektroden und an den RED-Stack angeschlossen ist, um die Leistung der umgekehrten Elektrodialyse mit der Galvanostat-Methode zu messen.Das umgekehrte Elektrodialysegerät fungiert als potenzieller Kandidat für die Erfüllung der universellen Nachfrage nach zukünftigen Energiekrisen. Die Differenz im Salzgehaltsgradienten der Salzkonzentration führt zur Leerlaufspannung, die vom Innenwiderstand des umgekehrten Elektrodialysestapels abhängt. In dieser Analyse betrug die maximale Leistungsdichte für den umgekehrten Elektrodialyse-Stack etwa 0,7 Watt pro Quadratmeter und die berechnete Nettoleistungsdichte etwa 0,65 Watt pro Quadratmeter bei einer festen Durchflussrate.Wie beobachtet, stieg die Leistungsdichte der Zelle zunächst auf den maximalen Stromdichtewert an, bevor sie als Reaktion auf eine Erhöhung des Innenwiderstands des RED-Stacks abfiel. Es ist wichtig, den Schlauchanschluss, den Lösungsquerfluss und die Flüssigkeiten regelmäßig zu überprüfen, um eine effiziente und stabile Leistung zu erzielen. Die Herstellung einer gleichmäßigen großflächigen Membran destabilisiert die Zellleistung, ohne die Membran und die Lösungsleckage zu verschmutzen.Darüber hinaus arbeitet es effizient unter Stressbedingungen.

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

Herstellung von VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cells für Elektrochemische Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Herstellung von uniformen Nanoschuppen-Cavities über Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) basierte Methodik zur quantitativen Bewertung von Vorwärts- und Rücklichtlichtstreuung aus Intraokularlinsen

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

Preparation of Large-area Vertical 2D Crystal Hetero-structures Through the Sulfurization of Transition Metal Films for Device Fabrication

Herstellung von großflächigen vertikale 2D Crystal Hetero-Strukturen durch Sulfurization Übergangsmetall Filme für Gerät Herstellung

We have demonstrated that through the sulfurization of transition metal films such as molybdenum (Mo) and tungsten (W), large-area and uniform transition ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Herstellung von magnetische Nanostrukturen auf Silizium-Nitrid Membranen für magnetische Wirbel Studien mit Übertragungstechniken Mikroskopie

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

Fabrication of an Optical Cell Dryer for the Spectroscopic Analysis Cells

Herstellung von eine optische Zelle Trockner für die spektroskopische Analyse-Zellen

Optical cells, which are experimental instruments, are small, square tubes sealed on one side. A sample is placed in this tube, and a measurement is ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

Hybrid für die Herstellung von intelligenten Sensoren drucken

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...

Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics

Herstellung von Nanohöhenkanälen mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung über Lithiumniobat für akustische Nanofluidik

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order ...

Pneumatically Driven Microfluidic Platform for Micro-Particle Concentration

Pneumatisch angetriebene mikrofluidische Plattform für die Mikropartikelkonzentration

The present article introduces a method for fabricating and operating a pneumatic valve to control particle concentration using a microfluidic platform. ...