Исследования процесса обратного электродиализа на электромембранном аппарате с биполярными мембранами

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.

1. Международное 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).

2. Межправительственная группа экспертов по изменению климата. Изменение климата 2022: смягчение последствий изменения климата // IPCC. — Кембридж: Cambridge University Press, 2022.

3. Smith J, Doe A. Renewable energy transition in the 21st century // Nature. 2021. Vol. 593, N. 7857. pp. 526–529.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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. 55-57

10. Vermaas 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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/RU170311U1

19. 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.

20. 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.

21. 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.