Возможности генерации электрической энергии методом обратного электродиализа с использованием новых российских катионообменных мембран
Аннотация
Обратный электродиализ – это развивающийся метод генерации возобновляемой электрической энергии из энергии градиента солесодержания с использованием ионообменных мембран. Для улучшения перспектив внедрения обратного электродиализа требуется создание новых мембран, соответствующих требованиям стоимости, электропроводности и селективности, и совершенствование конструкции установок для устранения паразитных токов. Предметом исследования была проверка возможности генерации электрической энергии методом обратного электродиализа с использованием новых катионообменных мембран и установки, отличающейся от обычно используемых для обратного электродиализа отсутствием внутренних коллекторов раствора. Целью работы было исследование генерации электрической энергии методом обратного электродиализа с использованием мембранного пакета, содержащего катионообменные мембраны производства Краснодарского компрессорного завода и анионообменные мембраны производства Fujifilm. Для этого в установку подавали более разбавленный раствор, содержавший 0.1 г/дм3 NaCl, что имитировало солесодержание речной воды, и один из двух вариантов более концентрированного раствора; в первом варианте более концентрированный раствор содержал 10 г/л NaCl, что имитировало солесодержание морской воды, а во втором варианте для проверки влияния присутствия полизарядных ионов более концентрированный раствор одновременно содержал 9 г/дм3 NaCl и 1.215 г/дм3 Na2SO4. Методом варьирования сопротивления внешней нагрузки и регистрации значений скачка потенциала между концевыми электродами и силы тока во внешней цепи определяли зависимость генерируемой мощности от силы тока во внешней цепи. В результате было показано, что не содержащая внутренних коллекторов раствора установка с мембранным пакетом, включающим новые катионообменные мембраны, действительно способна генерировать электрическую энергию, что присутствие полизарядных ионов ожидаемо снижает генерируемые мощность и скачок потенциала, однако во всех случаях максимальный скачок потенциала между электродами оказался существенно ниже ожидаемого исходя из расчетных диффузионных потенциалов, а максимальная генерируемая мощность – существенно ниже достижимой на текущем уровне развития техники. Можно заключить, что одного лишь перехода к схеме, не содержащей внутренних коллекторов раствора, недостаточно для повышения эффективности установок, и перспективным становится пересмотр конструкции и сравнение свойств новых мембран с аналогами в устройствах, позволяющих лучше продемонстрировать их возможные преимущества.
Скачивания
Литература
Leading countries by renewable energy consumption worldwide in 2023. Available at: https://www.statista.com/statistics/237090/renewable-energy-consumption-of-the-top-15-countries/ (accessed 25.03.2025).
Alvarez-Silva O.A., Osorio A.F., Win-ter C., Practical global salinity gradient energy potential, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016; 60: 1387-1395. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.03.021
Touati K., Tadeo F., Chae S.H., Kim J.H., Alvarez-Silva O. Pressure retarded osmo-sis: Renewable energy generation and recov-ery. Cambridge, Academic Press, 2017, 188 p.
Rahman S.N., Saleem H., Zaidi S.J., Progress in membranes for pressure retarded osmosis application, Desalination, 2023; 549: 116347. https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.116347
Chae S., Kim H., Hong J. G., Jang J., Higa M., Pishnamazi M., Choi J.-H., Walgama R.C., Bae C., Kim I.S., Park J.-S., Clean pow-er generation from salinity gradient using re-verse electrodialysis technologies: Recent ad-vances, bottlenecks, and future direction, Chem. Eng. J., 2023; 452 pt. 4: 139482. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139482
Pawlowski S., Geraldes V., Crespo J.G., Velizarov S., Computational fluid dynam-ics (CFD) assisted analysis of profiled mem-branes performance in reverse electrodialysis, J. Membr. Sci., 2016; 502: 179-190. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2015.11.031
Veerman J., Post J.W., Saakes M., Metz S.J., Harmsen G.J., Reducing power losses caused by ionic shortcut currents in re-verse electrodialysis stacks by a validated model, J. Membr. Sci., 2008; 310(1-2): 418-430. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2007.11.032
Yamane R., Ichikawa M., Mizutani Y., Onoue Y., Concentrated brine production from sea water by electrodialysis using exchange membranes, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1969; 8(2): 159-165. https://doi.org/10.1021/i260030a003
Shaposhnik V.A., Kesore K., An early history of electrodialysis with permselective membranes, J. Membr. Sci., 1997; 136(1-2): 35-39. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(97)00149-X
Shaposhnik V.A., Eliseeva T.V., Mile-stones in the history of science (for the 170th anniversary of ion exchange discovery and the 130th anniversary of electrodialysis), Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy, 2020; 20(2): 305-314. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2020.20/2786 (In Russ.)
Zabolotskii V.I., Berezina N.P., Ni-konenko V.V., Shaposhnik V.A., Tskhai A.A., Razvitie elektrodializa v Rossii, Membrany, 1999; (6): 4-27. (In Russ.)
Vasil'eva V.I., Shaposhnik V.A., Grigorchuk O.V., Local mass transfer during electrodialysis with ion-exchange membranes and spacers, Russian Journal of Electrochemis-try, 2001; 37(11): 1164-1171.
Wang L., Zhao Y., Zhichun L., Liu W., Long R., Deep learning-assisted prediction and profiled membrane microstructure inverse de-sign for reverse electrodialysis, Energy, 2024; 312: 133484. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.133484
Kotov V.V., Isaev N.I., Shaposhnik V.A., Perenos slabyh elektrolitov cherez ionoobmennye membrany, Zh. Fiz. Khim., 1972; 46: 539-540. (In Russ.)
Pismenskaya N., Nikonenko V., Auclair B., Pourcelly G., Transport of weak-electrolyte anions through anion exchange memranes: Current-voltage characteristics, J. Membr. Sci., 2001; 189(1): 129-140. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(01)00405-7
Gaber R.I., Le T.P.P., Alhseinat E., Nogueira R.P., Shetty D., Hasan S.W., Banat F., Energy recovery from produced water via reverse electrodialysis: The role of heavy met-als and soluble organics on process perfor-mance, Energy Conversion and Management, 2023; 293: 117433. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117433
Slavinskaya G.V., Shaposhnik V.A., Pilkina O.I., Strizhak N.P., Kuznetsova N.S., Izmenenie elektrohimicheskih svojstv ani-onoobmennoj membrany MA-40 v vodnyh rastvorah ful'vokislot, Journal of Water Chem-istry and Technology, 1989; 11(9): 813-316. (In Russ.)
Kingsbury R.S., Liu F., Zhu S., Boggs C., Armstrong M.D., Call D.F., Coronell O., Impact of natural organic matter and inorganic solutes on energy recovery from five real salin-ity gradients using reverse electrodialysis, J. Membr. Sci., 2017; 541: 621-632. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.07.038
Jin D., Jin Y., Sustainable power gen-eration from salinity gradients by reverse elec-trodialysis: Influence of divalent ions, Chemi-cal Engineering Research and Design, 2023; 198: 69-80. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2023.08.044
Loza S.A., Korzhov A.N., Romanyuk N.A., Smyshliaev N.A., Modificirovannye ionoobmennye membrany dlya obratnogo el-ektrodializa, Physical chemistry and electro-chemistry of molten and solid electrolytes”, Proceedings of the XVIII Russian Conference, September 21-25, 2020, Nalchik, 2020, 211-212. (In Russ.)
Avci A.H., Rijnaarts T., Fontananova E., Di Profio G., Vankelecom I.F.V., De Vos W.M., Curcio E., Sulfonated polyethersulfone based cation exchange membranes for reverse electrodialysis under high salinity gradients, J. Membr. Sci., 2020; 595: 117585. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117585
Filimonova A.A., Chichirov A.A., Chichirova N.D., The utilization of highly min-eralized liquid waste from a chemical desalina-tion water treatment plant of a TPP with the generation of electrical energy by reverse elec-trodialysis, Membranes and Membrane Tech-nologies, 2021; 3(5): 344-350. https://doi.org/10.1134/S2218117221050059
Semenyuk A.V., Knyajev V.V., Gar-mash S.A., Ship water-desalinating installation with electric power development, Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka, 2010; (2): 340-343. (In Russ.)
Novitsky E.G., Grushevenko E.A., Va-silevsky V.P., Volkov A.V., Studying the pos-sibilities of generating electric-power by re-verse electrodialysis of monoethanolamine aqueous solutions, Membranes and Membrane Technologies, 2020; 2(2): 109-114. https://doi.org/10.1134/S2218117221050059
Bykov V.I., Il’ina S.I., Ravichev L.V., Production of electrical energy from industrial wastewater using reverse electrodialysis, In-dustrial Processes and Technologies, 2023; 3(2(9)): 79-85. https://doi.org/10.37816/2713-0789-2023-3-2(9)-79-85
Ponomar M., Korzhova E., Lopatin D., Sarapulova V., Dammak L., Voroshilov I., Characterization of pore-filling cation-exchange membrane in sodium chloride solu-tion, “Ion transport in organic and inorganic membranes”, Proceedings of the International conference, May 27 – June 01, 2024, Sochi, 2024: 239-241.
Sarapulova V., Shkorkina I., Mareev S., Pismenskaya N., Kononenko N., Larchet C., Dammak L., Nikonenko V., Transport characteristics of Fujifilm ion-exchange mem-branes as compared to homogeneous mem-branes AMX and CMX and to heterogeneous membranes MK-40 and MA-41, Membranes (Basel), 2019; 9(7): 84. https://doi.org/10.3390/membranes9070084
Rijnaarts T., Huerta E., van Baak W., Nijmeijer K., Effect of divalent cations on RED performance and cation exchange membrane selection to enhance power densities, Environ. Sci. Technol., 2009; 51(21): 13028-13035. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.7b03858
Veerman J., de Jong R.M., Saakes M., Metz S.J., Harmsen G.J., Reverse electrodialy-sis: Comparison of six commercial membrane pairs on the thermodynamic efficiency and power density, J. Membr. Sci., 2009; 343(1-2): 7-15. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.05.047
Vermaas D.A., Guler E., Saakes M., Nijmeijer K., Theoretical power density from salinity gradients using reverse electrodialysis, Energy Procedia, 2012; 20: 170-184. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2012.03.018
Lacey R.E., Energy by reverse electro-dialysis, Ocean Engineering, 1969; 3(1): 1-47. https://doi.org/10.1016/0029-8018(80)90030-X
Loza S.A., Korzhov A.N., Loza N.V., Romanyuk N.A., Energy generation by reverse electrodialysis, “Energy Systems”, Proceedings of the IV International Scientific and Technical Conference, October 31 – November 01, 2019, Belgorod, 2020, article 012057.
