probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2023-25-4-53-70probener-2732Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫENERGY SYSTEMS AND COMPLEXESЭкспериментальные исследования электрических и массообменных процессов при обратном электродиализеExperimental studies of electrical and mass transfer processes in reverse electrodialysishttps://orcid.org/0000-0002-9116-0370ЧичировА. А.ChichirovA. A.

Чичиров Андрей Александрович - д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой «Химия и водородная энергетика» 

г. Казань

Andrey A. Chichirov

Kazan

khimiya_kgeu@mai.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6238-188XФилимоноваА. А.FilimonovaA. A.

Филимонова Антонина Андреевна - д-р техн. наук, доцент кафедры «Химия и водородная энергетика» 

г. Казань

Antonina A. Filimonova

Kazan

aachichirova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8635-9177ЧичироваН. Д.ChichirovaN. D.

Чичирова Наталия Дмитриевна - д-р хим. наук, профессор, заведующая кафедрой «Атомные и тепловые электрические станции»

г. Казань

Natalia D. Chichirova

Kazan

ndchichirova@mail.ruМайоровЕ. С.MayorovE. S.

Майоров Егор Сергеевич - студент кафедры «Атомные и тепловые электрические станции»; лаборант исследователь 

г. Казань

Egor S. Mayorov

Kazan

mes.tegatu@gmail.comКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation2023251020232545370Copyright © Чичиров А.А., Филимонова А.А., Чичирова Н.Д., Майоров Е.С., 20232023Чичиров А.А., Филимонова А.А., Чичирова Н.Д., Майоров Е.С.Chichirov A.A., Filimonova A.A., Chichirova N.D., Mayorov E.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/2732ЦЕЛЬ

ЦЕЛЬ. Экспериментальные исследования по оптимизации выходных электрических и массообменных характеристик при проведении процесса обратного электродиализа.

МЕТОДЫ

МЕТОДЫ. В работе использовались приемы системного анализа и была разработана математическая модель для описания движения водных потоков и концентраций веществ в них. Описано задействованное оборудование, сконструированное для экспериментальной и промышленной отработки предлагаемых технологий с техническими характеристиками разработанных аппаратов и установок.

РЕЗУЛЬТАТЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ. Обратный электродиализ (RED - reverse electrodialysis) – новая мембранная технология для производства возобновляемой энергии с использованием градиентов солености. Конечной целью RED является достижение максимально возможного значения плотности мощности, которая зависит от нескольких параметров, связанных с собственными электрохимическими характеристиками мембран, конфигурацией стека (количество пар ячеек, длина канала), гидродинамикой, природой рабочих растворов (ионный состав, концентрация) и др. В статье представлены экспериментальные исследования влияния и моделирования различных параметров работы обратного электродиализа на выходные электрические характеристики системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Показано, что на выходную мощность системы существенное влияние оказывают состав растворов в приэлектродных камерах, внешняя нагрузка и внутреннее сопротивление, концентрации рабочих растворов и время проведения эксперимента. Максимальная электрическая эффективность составила 56% (плотность мощность 0,34 Вт/м2 ) при проведении полупромышленных экспериментов по обратному электродиализу с использованием модельных растворов NaCl, приэлектродных растворов K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 и китайских мембран IONSEP толщиной 0,6 мм.

OBJECT

OBJECT. Experimental studies on optimization of the output electrical and mass transfer characteristics of the reverse electrodialysis process.

METHODS

METHODS. System analysis techniques were used in this work and a mathematical model was developed to describe the movement of water streams and the concentrations of substances in them. The equipment involved, designed for experimental and industrial testing of the proposed technologies with technical characteristics of the developed apparatuses and installations, is described.

RESULTS

RESULTS. RED (reverse electrodialysis) is a new membrane technology for renewable energy production using salinity gradients. The ultimate goal of RED is to achieve the highest possible value of power density, which depends on several parameters related to the intrinsic electrochemical characteristics of the membranes, stack configuration (number of cell pairs, channel length), hydrodynamics, nature of the working solutions (ionic composition, concentration), and others. The paper presents experimental studies on the influence and modeling of various parameters of the reverse electrodialysis operation on the output electrical characteristics of the system.

CONCLUSIONS

CONCLUSIONS. It is shown that the system output power is significantly influenced by the composition of solutions in the near-electrode chambers, external load and internal resistance, concentrations of working solutions and time of the experiment. The maximum electrical efficiency was 56% (power density 0.34 W/m2) in semi-industrial electrodialysis reverse electrodialysis experiments using model NaCl solutions, K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 and Chinese 0.6 mm thick IONSEP membranes.

обратный электродиализэлектрохимическая генерация энергииREDreverse electrodialysiselectrochemical energy generationREDИсследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта «Проведение фундаментальных научных исследований малыми отдельными научными группами» № 22-29-01300, https://rscf.ru/en/project/22-29-01300/The study was funded by a grant Russian Science Foundation № 22-29-01300, https://rscf.ru/en/project/22-29-01300/ReferencesPost J.W., Hamelers H.V.M., Buisman C.J.N. Energy recovery from controlled mixing salt and fresh water with a reverse electrodialysis system // Environ Sci Technol. 2008;42:5785–5790.Post J.W., Hamelers H.V.M., Buisman C.J.N. Energy recovery from controlled mixing salt and fresh water with a reverse electrodialysis system // Environ Sci Technol. 2008;42:5785–5790.Wick G.L. Power from salinity gradients // Energy. 1978;3:95–100.Wick G.L. Power from salinity gradients // Energy. 1978;3:95–100.Mei Y., Tang C.Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: a review // Desalination. 2018;425:156–174.Mei Y., Tang C.Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: a review // Desalination. 2018;425:156–174.Lee W., Krantz W.B., Cornelissen E., Post J.W., Verliefde A.R.D., Tang S. New Hybrid Process Reverse Electrodialysis and Reverse Osmosis for Low Energy Sea Water Desalination and Brine Guide. Applied Energy. 2013;104:592-602.Lee W., Krantz W.B. Cornelissen E., Post J.W., Verliefde A.R.D., Tang S. New Hybrid Process Reverse Electrodialysis and Reverse Osmosis for Low Energy Sea Water Desalination and Brine Guide. Applied Energy. 2013;104:592-602.Weinstein Y.N., Leitz F.B. Electric Power From Salinity Difference: In Dialysis Accumulator. The science. 1976;191:557-9.Weinstein Y.N., Leitz F.B. Electric Power From Salinity Difference: In Dialysis Accumulator. The science. 1976;191:557-9.Wirman J., de Jong R.M., Saakes M., Metz S.J., Harmsen G.J. Reverse electrodialysis: Comparison of six commercial membrane pairs for thermodynamic efficiency and power density. Journal of Membrane Science. 2009;343:7-15.Wirman J., de Jong R.M., Saakes M., Metz S.J., Harmsen G.J. Reverse electrodialysis: Comparison of six commercial membrane pairs for thermodynamic efficiency and power density. Journal of Membrane Science. 2009;343:7-15.Vermaas D.A., Saakes M., Nijmeyer K. Doubled power density over salinity gradients with decreasing Intermembrane Distance. Environment Science & TECHNOLOGY. 2011;45:7089- 7095.Vermaas D.A., Saakes M., Nijmeyer K. Doubled power density over salinity gradients with decreasing Intermembrane Distance. Environment Science & TECHNOLOGY. 2011;45:7089- 7095.Tedesco M., Cipollina A., Tamburini A., van Baak V., Micale G. Simulation of reverse electrodialysis process with sea water and concentrated brines. Desalination and Water Treatment. 2012;49:404-424.Tedesco M., Cipollina A., Tamburini A., van Baak V., Micale G. Simulation of reverse electrodialysis process with sea water and concentrated brines. Desalination and Water Treatment. 2012;49:404-424.Tedesco M., Brauns E., Cipollina A., Micale G., Modica P., Russo G., et al. Reverse electrodialysis with saline water and concentrated brines: a laboratory study towards technology scaling up. Diary from Membrane Science. 2015;492:9-20.Tedesco M., Brauns E., Cipollina A., Micale G., Modica P., Russo G., et al. Reverse electrodialysis with saline water and concentrated brines: a laboratory study towards technology scaling up. Diary from Membrane Science. 2015;492:9-20.Daniilidis A., Vermaas D.A., Herber R., Nijmeijer K. Experimentally achievable energy from mixing river water, sea water, or brines with reverse electrodialysis. Renewable Energy. 2014;64:123-131.Daniilidis A., Vermaas D.A., Herber R., Nijmeijer K. Experimentally achievable energy from mixing river water, sea water, or brines with reverse electrodialysis. Renewable Energy. 2014;64:123-131.Vermaas D.A., Guler E., Saakes M., Nijmeijer K. Theoretical force density versus salinity gradients using reverse run electrodialysis. Energy Procedure. 2012;20:170-184.Vermaas D.A., Guler E., Saakes M., Nijmeijer K. Theoretical force density versus salinity gradients using reverse run electrodialysis. Energy Procedure. 2012;20:170-184.Tufa R.A., Pawlowski S., Veerman J., Bouzek K., Fontananova E., di Profio G. Progress and prospects in reverse electrodialysis for salinity gradient energy conversion and storage // Appl. Energy. 2018;225:290–331.Tufa R.A., Pawlowski S., Veerman J., Bouzek K., Fontananova E., di Profio G. Progress and prospects in reverse electrodialysis for salinity gradient energy conversion and storage // Appl. Energy. 2018l;225:290–331Weiner A.M., McGovern R.K., Lienhard V.J. A new electrodialysis flyback A STRATEGY design that significantly reduces the cost of electricity. Diary from Membrane Science. 2015;493:605-14.Weiner A.M., McGovern R.K., Lienhard V.J. A new electrodialysis flyback A STRATEGY design that significantly reduces the cost of electricity. Diary from Membrane Science. 2015;493:605-14.Fontanova E., Zhang W., Nicotera I., Simari S., van Baak W., Di Profio G., et al. Probing membrane and interface properties in concentrated electrolyte solutions. Diary from Membrane Science. 2014;459:177-89.Fontanova E., Zhang W., Nicotera I., Simari S., van Baak W., Di Profio G., et al. Probing membrane and interface properties in concentrated electrolyte solutions. Diary from Membrane Science. 2014;459:177-89.Moreno J., Díez V., Saakes M., Nijmeijer K. Mitigation of the effects of multivalued ion transport in reverse electrodialysis. Diary from Membrane Science. 2018;550:155-62.Moreno J., Díez V., Saakes M., Nijmeijer K. Mitigation of the effects of multivalued ion transport in reverse electrodialysis. Diary from Membrane Science. 2018;550:155-62.Galama A., Vermaas D.A., Wirman J., Saakes M., Reinaarts H.M., Post J.W. Membrane resistance: the effect of salinity gradients on a cation-exchange membrane. Journal of Membrane Science. 2014;467:279-91.Galama A., Vermaas D.A., Wirman J., Saakes M., Reinaarts H.M., Post J.W. Membrane resistance: the effect of salinity gradients on a cation-exchange membrane. Journal of Membrane Science. 2014;467:279-91.Avchi A., Sarkar P., Tufa R.A., Messana D., Argurio P., Fontanova E. et al. Influence of Mg2+ ions on energy generation Author: Electrodialysis reversal. Diary from Membrane Science. 2016;520:499-506.Avchi A., Sarkar P., Tufa R.A., Messana D., Argurio P., Fontanova E. et al. Influence of Mg2+ ions on energy generation Author: Electrodialysis reversal. Diary from Membrane Science. 2016;520:499-506.Кадер Д.М., Алексеева Н.В. Влияние рабочих параметров и характеристик мембран на производительность аппарата обратного электродиализа // Южно-Сибирский научный вестник. 2019;2:161–168.Kader D.M., Alekseeva N.V. Influence of operating parameters and characteristics of membranes on the performance of the reverse electrodialysis apparatus // South Siberian Scientific Bulletin. 2019;2:161-168Tian H., Wang Y., Pei Y., Crittenden J.C. Unique applications and improvements of reverse electrodialysis: A review and outlook // Applied Energy. 2020;262:114482.Tian H., Wang Y., Pei Y., Crittenden J.C. Unique applications and improvements of reverse electrodialysis: A review and outlook // Applied Energy. 2020;262:114482.Вафин Т.Ф., Чичирова Н.Д., Чичиров А.А., Закиров И.А. Технологические схемы утилизации стоков водоподготовительных испарительных установок с использованием электромембранных аппаратов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012;1-2:182-186.Vafin T.F., Chichirova N.D., Chichirov A.A., Zakirov I.A. Technological schemes of the effluent utilization of water treatment evaporator plants using electromembrane devices // Power engineering: research, equipment, technology. 2012;1-2:182-186.Azadeh N., Hamed K., Ehsan S., Seyed M.M., Hideto M. Recent progress in membrane development, affecting parameters, and applications of reverse electrodialysis: A review / Journal of Water Process Engineering. 2022;47:102706.Azadeh N., Hamed K., Ehsan S., Seyed M.M., Hideto M. Recent progress in membrane development, affecting parameters, and applications of reverse electrodialysis: A review / Journal of Water Process Engineering. 2022;47:102706Muhammad N.Z.A., Mohamed M.N., Joost V. Towards the development of new generation of ion exchange membranes for reverse electrodialysis: A review, Desalination. 2022;537:115854.Muhammad N.Z.A., Mohamed M.N., Joost V. Towards the development of new generation of ion exchange membranes for reverse electrodialysis: A review, Desalination. 2022;537:115854Чичиров А.А., Филимонова А.А., Чичирова Н.Д., Минибаев А.И. Приемы системного анализа и ресурсосберегающие электромембранные технологии при создании малосточной системы водопользования объектов энергетики республики Татарстан // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2022;24:3:66-82.Chichirov A.A., Filimonova A.A., Chichirova N.D., Minibaev A.I. System analysis techniques and resource-saving electromembrane technologies in the creation of the low-east water use system of the power engineering facilities of the Republic of Tatarstan // Power engineering: research, equipment, technology. 2022;24:3:66-82.Syed A.S., Zeeshan H., Majid S., Daejoong K. Development of an Efficient System for Blue Energy Production Based on Reverse Electrodialysis (RED) by Optimizing Electrolyte Composition: Experimental and Theoretical Simulations Energy Fuels. 2022;12:6353–6361.Syed A.S., Zeeshan H., Majid S., Daejoong K. Development of an Efficient System for Blue Energy Production Based on Reverse Electrodialysis (RED) by Optimizing Electrolyte Composition: Experimental and Theoretical Simulations Energy Fuels 2022;12:6353–6361Susanto H., Fitrianingtyas M., Widiasa N., Istirokhatun T., Fahni Y., Abdurahman A.U. The Role of Membrane, Feed Characteristic and Process Parameters on RED Power generation International Journal of Renewable Energy Development. 2023;12:203-208.Susanto H., Fitrianingtyas M., Widiasa N., Istirokhatun T., Fahni Y., Abdurahman A.U. The Role of Membrane, Feed Characteristic and Process Parameters on RED Power generation International Journal of Renewable Energy Development. 2023;12:203-208.Филимонова А.А., Чичиров А.А., Чичирова Н.Д. Утилизация жидких высокоминерализованных отходов химобессоливающей водоподготовительной установки ТЭС с генерацией электроэнергии методом обратного электродиализа Мембраны и мембранные технологии. 2021;11:5:382–390.Filimonova А.A., Chichirov A.A., Chichirova N.D. Utilization of Liquid Highly Mineralized Wastes from Chemical Bessalination Water Treatment Plant of TPP with Electricity Generation by Reverse Electrodialysis Method Membranes and Membrane Technologies. 2021;11:5:382-390.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.