Экспериментальные исследования электрических и массообменных процессов при обратном электродиализе

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

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. 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. 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.

1. 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.

2. Wick G.L. Power from salinity gradients // Energy. 1978;3:95–100.

3. Mei Y., Tang C.Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: a review // Desalination. 2018;425:156–174.

4. 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.

5. Weinstein Y.N., Leitz F.B. Electric Power From Salinity Difference: In Dialysis Accumulator. The science. 1976;191:557-9.

6. 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.

7. Vermaas D.A., Saakes M., Nijmeyer K. Doubled power density over salinity gradients with decreasing Intermembrane Distance. Environment Science & TECHNOLOGY. 2011;45:7089- 7095.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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;537:115854.

23. Чичиров 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.