Ters elektrodiyaliz sistemi için poliepiklorohidrin bazlı anyon değişim membranları

Abstract

Tuzluluk gradyan gücü yenilenebilir, sürdürülebilir ve karbon içermeyen bir enerji kaynağıdır. Ters elektrodiyaliz sistemi, tuzluluk gradyan gücünden yararlanarak deniz ve nehir suyunun karışımı ile enerji üretiminde en etkili yöntemlerden biridir. Bu yüzden, bu teknoloji ile tuzluluk gradyan gücünden elektrik üretimi için ucuz ve uygun iyon değişim membranlarının geliştirilmesi önemlidir. Özellikle, anyon değişim membranlarının hazırlanması daha karmaşıktır ve bu nedenle istenen fizikokimyasal özelliklere ulaşmak için daha fazla çaba gerektirir. Bundan dolayı bu çalışmanın temel amaçları anyon değişim membranlarını üretmek, karakterize etmek ve onları laboratuvar ölçekli RED sisteminde test etmektir. Bu tezde aktif polimeri poliepiklorohidrin olan homojen anyon değişim membranları çözücü uçurma yöntemi ile laboratuvar ölçekli olarak üretilmiştir. Anyon değişim membranlarını üretirken farklı klor miktarlarına sahip (H, 37% klor ve C, 25% klor) iki tür poliepiklorohidrin kullanılmıştır. Membranların karışım oranları (aktif polimerin inert polimere kütlece oranı) 0.6 dan 2.0 a kadar, diamine oranları (çapraz bağlayıcının klorometil gruplarına kütlece oranı) ise 1.2 den 4.0 a kadar ayarlanmıştır. Bu anyon değişim membranlarını karakterize etmek için SEM, FTIR ve DSC analizleri incelenmiştir. RED sistemi için uygun membranı karşılaştırmak ve bulmak için iyon değişim kapasitesi, şişme derecesi ve sabit yük yoğunluğu belirlenmiştir. Karakterizasyon sonuçlarına göre bu membranlar RED sisteminde test edilmiş ve üç çift membran kullanılmıştır. Besleme akış hızları dakikada 30 ml, 60 ml, 90 ml ve 120 ml ve tuzluluk oranı 1:30 (g/g) olarak ayarlandı. En yüksek maksimum güç yoğunluk değeri 0.6 karışım ve 2.0 diamine oranında PECH-C esaslı anyon değişimli membranlar için 0,316 W/m2 olarak bulunmuştur. Bu çalışma, ters elektrodiyaliz sistemi ile enerji üretimi için PECH bazlı membranların tasarım ve optimizasyon potansiyelini kanıtlamaktadır. Anahtar Kelimeler: Tuzluluk gradyan gücü, ters elektrodiyaliz, poliepiklorohidrin, anyon değişim membranları

Salinity gradient power (SGP) is a renewable, sustainable and neutral carbon energy source. Reverse electrodialysis (RED) is one of the most efficient technique that can harvest this energy from SGP by the mixture of seawater and river water. For this, the development of cheap and suitable ion-exchange membranes is crucial for energy extraction from salinity gradients by this technology. Especially, anion exchange membranes are more complex to prepare, thus needs more effort to achieve desired physicochemical properties. For this reason, the main objectives of this study are to fabricate, characterize and test anion exchange membranes in lab-scale RED cell. In this work, homogeneous anion-exchange membranes based on polyepichlorohydrin (PECH) were synthesized at a laboratory scale by a solvent evaporation. For anion-exchange membranes, two kinds of PECH polymers were used with different chlorine contents (H, 37 wt% and C, 25 wt%). Blend ratio (mass ratio of active polymer to inert polymer) of the series of membranes ranged from 0.6 to 2.0 and diamine ratio (mass ratio of crosslinker to chloromethyl groups) of the series ranged from 1.2 to 4.0. To characterize these anion exchange membranes, SEM, FTIR and DSC analyses were investigated. In order to compare and find suitable membrane for RED system, ion exchange capacity, swelling degree and fixed charge density were determined. According to the characterization results, these membranes are tested in RED system and three pairs of membrane were used in the stack. Feed flow rates were adjusted as 30, 60, 90 and 120 ml/min and salinity ratio was 1:30 (g/g). The highest maximum power density value was found as 0.316 W/m2 for PECH-C based anion exchange membranes at blend ratio is 0.6 and excess diamine ratio is 2.0. This study proves the potential of the design and optimization of PECH based membranes for energy generation by reverse electrodialysis system. Keywords: Salinity gradient power, reverse electrodialysis, polyepichlorohydrin, anion exchange membranes