probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2026-28-1-103-117probener-3758Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫENERGY SYSTEMS AND COMPLEXESИсследования процесса обратного электродиализа на электромембранном аппарате с биполярными мембранамиStudies of the reverse electrodialysis process on an electromembrane apparatus with bipolar membranesФилимоноваА. А.FilimonovaA. A.

Филимонова Антонина Андреевна – д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Автономная распределенная энергетика и химия» (АРЭ)

г. Казань

Antonina A. Filimonova

Kazan

aachichirova@mail.ruЧичировА. А.ChichirovA. A.

Чичиров Андрей Александрович – д-р хим. наук, профессор, профессор кафедры «Автономная распределенная энергетика и химия» (АРЭ)

г. Казань

Andrey A. Chichirov

Kazan

pinpin3@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7482-2619АхметзяноваА. Т.AkhmetzyanovaA. T.

Ахметзянова Айгуль Тагировна – аспирант кафедры «Автономная распределенная энергетика и химия» (АРЭ)

г. Казань

Aigul T. Akhmetzyanova

Kazan

19aigul@rambler.ruЧеркасовА. С.CherkasovA. S.

Черкасов Александр Сергеевич – ассистент кафедры «Автономная распределенная энергетика и химия» (АРЭ)

г. Казань

Aleksandr S. Cherkasov

Kazan

sanekpuer@mail.ruМайоровЕ. С.MayorovE. S.

Майоров Егор Сергеевич - инженер-исследователь НИЛ «СиКТАЭС»,

г. Казань

Egor S. Mayorov

Kazan

mes.tegatu@gmail.comКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation202628032026281103117Copyright © Филимонова А.А., Чичиров А.А., Ахметзянова А.Т., Черкасов А.С., Майоров Е.С., 20262026Филимонова А.А., Чичиров А.А., Ахметзянова А.Т., Черкасов А.С., Майоров Е.С.Filimonova A.A., Chichirov A.A., Akhmetzyanova A.T., Cherkasov A.S., 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/3758

АКТУАЛЬНОСТЬ. В данной работе исследован процесс обратного электродиализа (далее ОЭД) с использованием биполярных мембран, направленный на преобразование энергии градиента солености и pH в электрическую энергию.ЦЕЛЬ. Основной целью являлось изучение эффективности этой технологии при работе с модельными и промышленными растворами, включая регенерационные отходы тепловых электрических станций (далее ТЭС).МЕТОДЫ. В ходе экспериментов оценивались ключевые параметры системы, такие как плотность тока, удельная мощность, внутреннее сопротивление и коэффициент полезного действия (далее КПД), а также анализировались факторы, влияющие на производительность установки.РЕЗУЛЬТАТЫ. Результаты показали, что биполярный ОЭД позволяет не только генерировать электроэнергию, но и производить кислоты и щелочи за счет диссоциации воды в мембранах. Максимальная достигнутая удельная мощность составила 3,5 Вт/м² при плотности тока 12 А/м², а энергетический КПД превысил 20%. При этом промышленные растворы продемонстрировали характеристики, близкие к модельным, что подтверждает возможность их использования в реальных условиях. Научная значимость работы заключается в углублении понимания электрохимических процессов в биполярных мембранах и разработке методов оптимизации системы. Практическая ценность связана с созданием экологически безопасной технологии для утилизации отходов и одновременного получения энергии и химических продуктов.ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Технология имеет потенциал для применения в опреснении воды, водородной энергетике и химической промышленности, способствуя переходу к устойчивому развитию. Исследование также выявило основные ограничения, такие как узкий диапазон оптимальных рабочих параметров и потери энергии из-за паразитных процессов. Дальнейшие работы должны быть направлены на повышение селективности мембран и снижение внутреннего сопротивления системы. В целом, биполярный ОЭД представляет собой перспективное направление в возобновляемой энергетике и ресурсосбережении.

RELEVANCE. In this paper, the process of reverse electrodialysis (RED) using bipolar membranes is studied, aimed at converting the energy of the salinity and pH gradient into electrical energy.THE PURPOSE was to study the effectiveness of this technology when working with model and industrial solutions, including regenerative waste from thermal power plants.METHODS. During the experiments, key system parameters such as current density, specific power, internal resistance and efficiency were evaluated, as well as factors affecting plant performance were analyzed.RESULTS. The results showed that bipolar RED allows not only to generate electricity, but also to produce acids and alkalis due to the dissociation of water in the membranes. The maximum achieved specific power was 3.5 W/m 2 at a current density of 12 A/m2 , and the energy efficiency exceeded 20%. At the same time, industrial solutions have demonstrated characteristics close to the model ones, which confirms the possibility of their use in real conditions. The scientific significance of the work lies in deepening the understanding of electrochemical processes in bipolar membranes and developing methods for optimizing the system. The practical value is associated with the creation of an environmentally friendly technology for waste disposal and simultaneous production of energy and chemical products.CONCLUSION. The technology has potential for applications in water desalination, hydrogen energy, and the chemical industry, contributing to the transition to sustainable development. The study also revealed the main limitations, such as a narrow range of optimal operating parameters and energy losses due to parasitic processes. Further work should be aimed at increasing the selectivity of the membranes and reducing the internal resistance of the system. In general, bipolar RED represents a promising direction in renewable energy and resource conservation.

обратный электродиализбиполярные мембраныградиент соленостивозобновляемая энергияутилизация отходовкислотно-щелочные растворыreverse electrodialysisbipolar membranessalinity gradientrenewable energywaste managementacid-base solutionsReferencesМеждународное энергетическое агентство. World Energy Outlook 2023 [Электронный ресурс]. — Paris: IEA, 2023. — URL: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023. (дата обращения: 01.01.2024).International Energy Agency. World Energy Outlook 2023 [Online resource]. Paris: IEA, 2023. URL: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023.Межправительственная группа экспертов по изменению климата. Изменение климата 2022: смягчение последствий изменения климата // IPCC. — Кембридж: Cambridge University Press, 2022.Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. IPCC. Cambridge: Cambridge University Press, 2022. ISBN 978-1-00-915792-6.Smith J, Doe A. Renewable energy transition in the 21st century // Nature. 2021. Vol. 593, N. 7857. pp. 526–529.Smith J, Doe A. Renewable energy transition in the 21st century. Nature. 2021. 593(7857): 526–529. doi: 10.1038/s41586-021-03421-6.Чичиров А.А., Филимонова А.А., Чичирова Н.Д., Майоров Е.С. Экспериментальные исследования электрических и массообменных процессов при обратном электродиализе // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2023. Т. 25. №4. С. 53-70. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2023-25-4-53-70.Chichirov AA, Filimonova AA, Chichirova ND, et al. Experimental studies of electrical and mass transfer processes in reverse electrodialysis. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2023;25(4):53-70. (In Russ.) doi: 10.30724/1998-9903-2023-25-4-53-70.Филимонова А.А., Ахметзянова А.Т., Филимонов А.А. Использование технологии обратного электродиализа для очистки промышленных и муниципальных сточных вод // Энергосбережение и водоподготовка. 2024; 3(149): 65-71.Filimonova A.A., Akhmetzyanova A.T., Filimonov A.A. The use of reverse electrodialysis technology for industrial and municipal wastewater treatment. Energosberezhenie i vodopodgotovka. 2024; 3(149): 65-71. (In Russ.).Kim S.C., Wang J., Xu R. et al. High-entropy electrolytes for practical lithium metal batteries // Nat Energy. 2023. Vol. 8. pp. 814–826.Kim SC, Wang J, Xu R. et al. High-entropy electrolytes for practical lithium metal batteries. Nat Energy. 2023; 8:814-826 -https://doi.org/10.1038/s41560-023-01280-14.Апель П.Ю., Дмитриев С.Н., Иванов О.М. Пористая мембрана и способ ее получения Патент РФ на изобретение № 2440840C2. 27.01.2012. Доступно по: https://patents.google.com/patent/RU2440840C2/ru.Apel PYu, Dmitriev SN, Ivanov OM. Poristaya membrana i sposob ee polucheniya. Patent RUS №2440840C2. Available by: https://patents.google.com/patent/RU2440840C2/ru. Accessed: 27 JAN 2012. (In Russ).Długołęcki P., Dąbrowska J., Nijmeijer K., et al. Ion conductive spacers for increased power generation in reverse electrodialysis // J. Membr. Sci. 2010. Vol. 347. pp. 101–107.Długołęcki P, Dąbrowska J, Nijmeijer K. et al. Ion conductive spacers for increased power generation in reverse electrodialysis. J. Membr. Sci. 2010; 347: 101–107. doi: 10.1016/j.memsci.2009.10.011.Щедрин П.А., Филимонов Г.А., Маракуца Т.А. и др. Перспективы развития электродиализа с биполярными ионообменными мембранами // Евразийский Союз Ученых. 2019. Т. 7. № 64. С. 55-57Shchedrin PA, Filimonov GA, Marakuts TA. et al. Prospects for the development of electrodialysis with bipolar ion exchange membranes. Eurasian Union of Scientists. 2019; 7(64): 55-57. doi: 10.31618/ESU.2413-9335.2019.6.64.255Vermaas D., Kunteng D., Saakes M. et al. Fouling in reverse electrodialysis under natural conditions // Water Res. 2013. Vol. 47. N3. pp. 1289. doi:10.1016/j.watres.2012.11.053.Vermaas D, Kunteng D, Saakes M. et al. Fouling in reverse electrodialysis under natural conditions. Water Res. 2013; 47 (3): 1289. doi:10.1016/j.watres.2012.11.053.Tufa R., Piallat T., Hnát J. et al. Salinity gradient power reverse electrodialysis: cation exchange membrane design based on polypyrrole-chitosan composites for enhanced monovalent selectivity // Chem. Eng. J. 2020. Vol. 380. pp. 122461.Tufa R, Piallat T, Hnát J. et al. Salinity gradient power reverse electrodialysis: cation exchange membrane design based on polypyrrole-chitosan composites for enhanced monovalent selectivity. Chem. Eng. J. 2020; 380: 122461. doi:10.1016/j.cej.2019.122461.Kim K., Shprits Y., Wang D. Quantifying the Effect of Plasmaspheric Hiss on the Electron Loss From the Slot Region // J. Geophys. Res. [Space Physics]. 2020. Vol. 125. e2019JA027555.Kim K, Shprits Y, Wang D. Quantifying the Effect of Plasmaspheric Hiss on the Electron Loss From the Slot Region. J. Geophys. Res. [Space Physics]. 2020; 125: e2019JA027555. doi:10.1029/2019JA027555.Higa M. et al. Characteristics and direct methanol fuel cell performance of polymer electrolyte membranes prepared from poly (vinyl alcohol-b-styrene sulfonic acid) // Electrochimica acta. 2015. Vol. 153. pp. 83-89.Higa M. et al. Characteristics and direct methanol fuel cell performance of polymer electrolyte membranes prepared from poly (vinyl alcohol-b-styrene sulfonic acid). Electrochimica acta. 2015. 153: 83-89.Li M., Zhang N., Zheng H. et al. Improved power production in reverse electrodialysis stacks with ion-permselective woven net spacers // Energy Technol. 2024. 2301215.Li M, Zhang N, Zheng H. et al. Improved power production in reverse electrodialysis stacks with ion-permselective woven net spacers. Energy Technol. 2024. 2301215. doi:10.1002/ente.202301215.Gurreri L., Tamburini A., Cipollina A. et al. CFD analysis of the fluid flow behavior in a reverse electrodialysis stack // Desalin. Water Treat. 2012. Vol. 48. pp. 390–403.Gurreri L, Tamburini A, Cipollina A. et al. CFD analysis of the fluid flow behavior in a reverse electrodialysis stack. Desalin. Water Treat. 2012; 48: 390-403.Броцман В.А., Елисеев А.А., Петухов Д.И. Модифицированная нанопористая полимерная мембрана с улучшенными водоотталкивающими свойствами для мембранных контакторов и способ ее получения. Патент РФ на изобретение № 2718928C1. 15.04.2020. Доступно по: https://patenton.ru/patent/RU2718928C1.Brotsman VA, Eliseev AA, Petukhov DI. Modifitsirovannaya nanoporistaya polimernaya membrana s uluchshennymi vodoottalkivayushchimi svoystvami dlya membramnykh kontaktorov i sposob ee polucheniya. Patent RUS №2718928C1. 04/15/2020. Available by: https://patenton.ru/patent/RU2718928C1 .Хайт М., Парк Х.Г., Чои К. Способ изготовления пористых графеновых мембран и мембраны, изготовленные с использованием этого способа. Патент РФ на изобретение № 2745631C2. 29.03.2021. Доступно по: https://patents.google.com/patent/RU2745631C2.Hite M, Park HG, Choi K. Sposob izgotovleniya poristykh grafenovykh membran i membrany, izgotovlennye s ispol'zovaniem etogo sposoba. Patent RUS. №2745631C2. 03.29.2021. Available by: https://patents.google.com/patent/RU2745631C2.Гнездилов А.В., Потанин А.В., Фофанов А.В. и др. Электролизер для получения водорода и кислорода из воды. Патент РФ на изобретение № 170311U1. 21.04.2017 Бюл. № 12. Доступно по: https://patentimages.storage.googleapis.com/18/7a/b2/02e9aca92bc2a7/RU170311U1Gnezdilov A.V., Potanin A.V., Fofanov A.V. et al. Elektrolizer dlya polucheniya vodoroda i kisloroda iz vody. Patent RUS №170311U1. 04.21.2017. Byul. N12. Available by: https://patentimages.storage.googleapis.com/18/7a/b2/02e9aca92bc2a7/ RU170311U1.Княжев В.В., Лощенков В.В. Технологии создания морских инфраструктур на основе возобновляемых источников энергии // Системы, технологии и эксперименты. Подводные исследования и робототехника. 2023. Т. 2. С. 44.Knyazhev VV, Loshenkov VV. Technologies for creating marine infrastructures based on renewable energy sources. Systems, technologies and experiments. Underwater research and robotics. 2023. 2 (44). DOI: 10.37102/1992-4429_2023_44_02_03 EDN: LJFTAI. (In Russ).Щербань П.С., Гапчич А.О., Жданов А.В. и др. Комплексный подход к вопросу повышения эффективности утилизации избыточных рассолов на калийных горнодобывающих предприятиях // Известия УГГУ. 2022. №1 (65). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kompleksnyypodhod-k-voprosu-povysheniya-effektivnosti-utilizatsii-izbytochnyh-rassolov-na-kaliynyhgornodobyvayuschih.Shcherban PS, Gapchich AO, Zhdanov AV. et al. An integrated approach to improving the efficiency of disposal of excess brines at potash mining enterprises // Izvestiya UGGU. 2022. №1 (65). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kompleksnyy-podhod-k-voprosu-povysheniya-effektivnostiutilizatsii-izbytochnyh-rassolov-na-kaliynyh-gornodobyvayuschih. (In Russ).Лакомб М, Кладек П, Конгстейн ОЭ. Способы обработки промышленных сточных вод электролизом. Патент РФ на изобретение № 2730328C1. 21.08.2020 Бюл. № 24. Доступно по: https://patenton.ru/patent/RU2730328C1.Lacombe M, Kladek P, Kongstein OE. Sposoby obrabotki promyshlennykh stochnykh vod elektrolizom. Patent RUS. №2730328C1. 08.21.2020. Byui. №24. Available by: https://patenton.ru/patent/RU2730328C1.

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