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Umgekehrte Elektrodialyse mit Nafion™-Membranen erzeugt erneuerbare Energie

Um dem weltweiten Bedarf an sauberen Energiequellen gerecht zu werden, stößt die durch umgekehrte Elektrodialyse (UED) gewonnene Energie mit Salzgehaltsgradienten in den letzten Jahren auf großes Interesse. Darüber hinaus wird Solelösung aus der Meerwasserentsalzung derzeit als Abfall betrachtet. Dank seines hohen Salzgehalts kann es jedoch als wertvolle Ressource für die UED genutzt werden. Die UED ist eine technische Anpassung der osmotischen Energieproduktion der Natur, bei der Ionen über die Zellmembran fließen, um die universelle biologische Währung ATP zu produzieren. Diese Energie wird auch durch die UED-Technologie gewonnen.

Mehr denn je besteht Bedarf an nachhaltigen und umweltfreundlichen technologischen Lösungen, um mit der ständig wachsenden Nachfrage nach sauberem Wasser und sauberer Energie Schritt zu halten. Die traditionelle lineare Art der Energieproduktion ist nicht nachhaltig und der neue Ansatz der Kreislaufwirtschaft hat einen Platz gefunden, an dem Abfälle als wertvolle Ressource für einen anderen Prozess betrachtet werden können. In dieser Hinsicht ist die umgekehrte Elektrodialyse eine vielversprechende elektromembranbasierte Technologie zur Erzeugung von Strom aus konzentrierten Lösungen durch Ernte der freien Gibbs-Energie zum Mischen der Lösungen mit unterschiedlichem Salzgehalt. Insbesondere in Entsalzungsanlagen hergestellte Solelösungen, die derzeit als Abfall betrachtet werden, können als konzentrierte Ströme im RED-Stapel verwendet werden.

Avci et al. der Universität von Kalabrien haben kürzlich ihre Lösung für die Entsorgung von Sole mit UED-Stack veröffentlicht. Sie haben erkannt, dass zur Maximierung der erzeugten Leistung die hohe Permselektivität und Ionenleitfähigkeit von Membrankomponenten in UED wesentlich sind. Obwohl Nafion™-Membranen zu den bekanntesten kommerziellen Kationenaustauschmembranlösungen für elektrochemische Anwendungen gehören, wurden keine Untersuchungen zur Verwendung für RED-Prozesse durchgeführt. Dies war der erste gemeldete UED-Stapel mit Nafion™-Membranen.

Eine typische UED-Einheit ähnelt einer Elektrodialyseeinheit (ED), bei der es sich um eine kommerzialisierte Technologie handelt. ED verwendet eine Beschickungslösung und elektrische Energie, während Konzentrat und Verdünnung getrennt erzeugt werden. Im Gegensatz dazu verwendet UED konzentrierte und verdünnte Lösungen, die kontrolliert miteinander gemischt werden, um spontan elektrische Energie zu erzeugen. In einem UED-Stapel wiederholen sich UED-Zellen, die aus alternierenden Kationen- und Anionenaustauschermembranen bestehen, die für Anionen und Kationen selektiv sind. Der Salzgradient über jeder Ionenaustauschermembran erzeugt eine Spannungsdifferenz, die die treibende Kraft für den Prozess ist. Die Ionenaustauschermembranen sind eine der wichtigsten Komponenten eines UED-Stapels. Die Leistung von Nafion™-Membranen (Nafion™ 117 und Nafion™ 115) wurde unter Bedingungen eines hohen Salzgehaltsgradienten für die mögliche Anwendung in UED bewertet. Um die natürlichen Umgebungen des UED-Betriebs zu simulieren, wurden NaCl-Lösung sowie Mehrkomponenten-NaCl + MgCl2 getestet.

Die Bruttoleistungsdichte unter hohem Salzgehaltsgradienten und die Wirkung von Mg2+ auf die Effizienz bei der Energieumwandlung wurden in Einzelzellen-UED unter Verwendung von Nafion™ 117, Nafion™ 115, CMX und Fuji-CEM-80050 als Kationenaustauschermembranen bewertet. Zwei kommerzielle Kationenaustauschermembranen – CMX und Fuji-CEM 80050, die häufig für UED-Anwendungen verwendet werden, haben als Vergleich gedient.

Die Ergebnisse zeigen, dass unter der Bedingung von 0,5 M / 4,0 M NaCl-Lösungen das höchste Pd,max unter Verwendung einer Nafion™ -Membran erreicht wurde. Dieses Ergebnis wird auf ihre hervorragende Permselektivität im Vergleich zu anderen CEMs zurückgeführt. In Gegenwart von Mg2+ -Ionen wurde Pd,max eine Reduktion von 17 und 20% für Nafion™ 115 bzw. Nafion™ 117 aufgezeichnet. Beide Membranen behielten ihren geringen Widerstand bei; Unter dieser Bedingung wurde jedoch ein Verlust an Permselektivität gemessen. Es wurde jedoch berichtet, dass Nafion™ -Membranen andere kommerzielle Membranen wie CMX und Fuji-CEM-80050 für die UED-Anwendung übertrafen.

(Mima Varničić, 2020, photo: Wikipedia)

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Eine Graphenmembran als elektrischer Wasserhahn

Biologische Systeme können durch Kanäle in ihren Membranen den Wasserfluß steuern. Das hat viele Vorteile, wie z.B. wenn Zellen den osmotischen Druck regulieren müssen. Auch künstliche Systeme, z.B. in der Wasserbehandlung oder in elektrochemischen Zellen, könnten davon profitieren. Jetzt hat eine Gruppe von Materialforschern um Dr. Zhou an der Universität Manchester im Vereinigten Königreich eine Membran entwickelt, die den Wasserfluß elektrisch schalten kann.

Wie die Forscher im Fachmagazin Nature berichteten, wurde eine mehrschichtige Membran aus Silber, Graphen und Gold hergestellt, die bei einer Spannung von mehr als 2 V Kanäle öffnet, die Wasser fast ohne Behinderung durch die Membran durchleiten. Der Effekt ist reversibel. Dazu benutzten die Wissenschaftler die Eigenschaft von Graphen, einen einstellbaren Filter oder eine perfekte Barriere für Flüssigkeiten und Gasen zu bilden. Die Forscher haben dabei eine kostengünstige Form von Graphen (Graphenoxid) verwendet. Diese neue „intelligente“ Membranen haben gezeigt, daß sie eine präzise Steuerung des Wasserflusses durch Verwendung eines elektrischen Stroms möglich ist. Die Membranen können sogar verwendet werden, um den Wasserfluß bei Bedarf vollständig zu blockieren.

Zur Herstellung der Membran hat die Forschergruppe leitende Filamente in die elektrisch isolierende Graphenoxidmembran eingebettet. Ein elektrischer Strom, der durch diese Nanofilamente geleitet wurde, erzeugte ein starkes elektrisches Feld, das die Wassermoleküle ionisiert und somit den Wassertransport durch die Graphenkapillaren in der Membran steuert.

Bei Frontis Energy sind wir begeistert von dieser neuen Technologie und können uns schon viele Anwendungsgebiete vorstellen. Diese Forschung ermöglicht es, die Wasserpermeation von der ultraschnellen Durchdringung bis zur vollständigen Blockierung präzise zu steuern. Die Entwicklung intelligenter Membranen, die eine präzise und reversible Kontrolle der molekularen Durchdringung durch externe Stimuli ermöglichen, wäre für viele Bereiche der Wirtschaft und Forschung von großem Interesse. Diese Membranen könnten z.B. in Elektrolysezellen oder in der Medizin Anwendung finden. Künstlicher biologischer Systeme, wie z.B. Gewebetransplantate ermöglichen zahlreiche medizinische Anwendungen.

Das delikate Material bestehend aus Graphen, Gold und Silber ist zwar noch zu teuer und nicht so widerstandsfähig wie unsere Nafion™-Membranen, dafür kann man sie aber ein- und wieder ausschalten. Wir bleiben gespannt.

(Bild: Universität Manchester)