双极膜辅助反向电渗析用于高功率密度酸碱中和能量转换

中国科学技术大学徐铜文教授团队近期于Journal of Membrane Science期刊（2022, 647, 120288）发表题目为Bipolar membrane-assisted reverse electrodialysis for high power density energy conversion via acid-baseneutralization的文章。该文章第一作者为颜海洋博士和彭康博士，通讯作者为汪耀明教授和徐铜文教授。 

【研究亮点】

· 提出双极膜辅助反向电渗析用于酸碱中和发电；

· 双极膜可显著降低反向电渗析中和室的电阻；

· 双极膜辅助下，反向电渗析酸碱中和发电的功率密度可从<0.5 W/m²提高至7.78 W/m²；

· 从理论和实验上阐述双极膜反向电渗析酸碱中和发电性能优于反向电渗析。

 【文章简介】反向电渗析可实现化学势能向电能的转化，能够将高盐溶液和低盐溶液中的吉布斯混合自由能转化为电能，在海水盐差能回收利用方面具有重要的应用价值。利用反向电渗析的工作原理，也可实现从工业废酸和废碱液中回收电能，即酸碱中和发电，采用的是四隔室反向电渗析膜堆构型：酸室-中和室-碱室-盐室。现有的研究结果表明，采用反向电渗析进行酸碱中和（REDn）发电与盐差能发电相比，功率密度可实现翻倍。然而，采用REDn发电（重复单元=5），其开路电压较低（<2.0 V）。此外，由于较高的膜堆电阻（主要指“AEM+中和室+CEM”的电阻，图1中REDn），REDn的产电功率密度也较低，<0.5 W/m²。因此，降低膜堆电阻可有效提高REDn的产电功率密度。双极膜是由阳离子交换膜层和阴离子交换膜层复合而成，在直流电场的作用下，可实现水在双极膜中间层的高效解离，用于产酸和产碱。相反，若在双极膜两侧通入酸和碱，则酸中的H⁺和碱中OH^-可分别透过双极膜的阳膜层和阴膜层，进入到中间层发生中和反应，从而可实现双极膜酸碱中和（BMRED）发电，如图1所示。本文从理论和实验方面揭示了BMRED发电的原理及优势。通过对双极膜进行电化学性能表征，得知在1.0mol/L的酸和碱条件下，双极膜两侧的电势差为0.778V，电阻为5.05Ωcm²，理论功率密度高达299.5 W/m²（图2）。通过电化学工作站对BMRED和REDn进行酸碱中和放电性能测试，可得到放电电压-电流密度曲线（图3a）。随后，通过理论模型的建立，可计算出REDn中“AEM+中和室+CEM”的电阻（图3b），进一步推算出“AEM+中和室+CEM”产电的功率（图3c）。从结果可知，双极膜和BMRED的电阻要显著低于“AEM+中和室+CEM”和REDn的电阻，双极膜和BMRED的产电功率密度要显著高于“AEM+中和室+CEM”和REDn的功率密度。以上结果充分表明双极膜的引入可大幅降低REDn的电阻，显著提升REDn的放电电流密度，进一步地大幅提升放电功率密度，即从<0.5W/m²提高至7.78 W/m²（图3e）。因此，双极膜可有效地辅助反向电渗析通过酸碱中和进行能量的转化及电能的输出。

图1 反向电渗析酸碱中和（REDn）和双极膜反向电渗析（BMRED）发电原理示意图

图2 双极膜电化学性能

图3 BMRED和REDn的酸碱中和发电性能（REDn中和室NaCl浓度为0.0001、0.001、0.01、0.1 mol/L）

文章来源：JMS膜科学

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0376738822000