Mother liquid discharged from a salt-manufacturing plant was electrodialyzed at 25 and $40^{\circ}C$ in a continuous process integrated with $SO_4{^{2-}}$ ion low-permeable anion-exchange membranes to remove $Na_2SO_4$ and recover NaCl in the mother liquid. Performance of electrodialysis was evaluated by measuring ion concentration in a concentrated solution, permselectivity coefficient of $SO_4{^{2-}}$ ions against $Cl^-$ ions, current efficiency, cell voltage, energy consumption to obtain one ton of NaCl and membrane pair characteristics. The permselectivity coefficient of $SO_4{^{2-}}$ ions against $Cl^-$ ions was low enough particularly at $40^{\circ}C$ and $SO_4{^{2-}}$ transport across anion-exchange membranes was prevented successfully. Applying the overall mass transport equation, $Cl^-$ ion and $SO_4{^{2-}}$ ion transport across anion-exchange membranes is evaluated. $SO_4{^{2-}}$ ion transport number is decreased due to the decrease of electro-migration of $SO_4{^{2-}}$ ions across the anion-exchange membranes. $SO_4{^{2-}}$ ion concentration in desalting cells becomes higher than that in concentration cells and $SO_4{^{2-}}$ ion diffusion is accelerated across the anion-exchange membranes from desalting cells toward concentrating cells.
Proceedings of the Membrane Society of Korea Conference
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1998.10a
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pp.75-78
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1998
1. Introduction : The clean technology using ion exchange membranes have drawn attention increasingly with advancement of the membrane synthesis. Ion exchange membranes have been used for diffusion dialysis, electrodialysis, electrodialytic water splitting and electrodeionization. Bipolar membranes(BPM), consisting of a cation exchange layer and an an_ion exchange layer, can convert a salt to an acid and a base without chemical addition. Using the bipolar membrane, a large quantity of industrial wastes containing salts can be reprocessed to generate acids and bases. Recent development of high performance bipolar membranes enables to further expand the potential use of electrodialysis in the chemical industry. The water-splitting mechanism in the bipolar membrane, however, is a controversial subject yet. In this study bipolar membranes were prepared using commercial ion exchange membranes and hydrophilic polymer as a binder to investigate the effects of the interface hydrophilicity on water-splitting efficiency. In addition, the water splitting mechanism by a metal catalyst was discussed.
Thin pore-filled cation and anion-exchange membranes (PFCEM and PFAEMs, $t_m=25-30{\mu}m$) were prepared using a porous polymeric substrate for efficient all-vanadium redox flow battery (VRB). The electrochemical and charge-discharge performances of the membranes have been systematically investigated and compared with those of commercially available ion-exchange membranes. The pore-filled membranes were shown to have higher permselectivity as well as lower electrical resistances than those of the commercial membranes. In addition, the VRBs employing the pore-filled membranes exhibited the respectable charge-discharge performances, showing the energy efficiencies (EE) of 82.4% and 84.9% for the PFCEM and PFAEM, respectively (cf. EE = 87.2% for Nafion 1135). The results demonstrated that the pore-filled ion-exchange membranes could be successfully used in VRBs as an efficient separator by replacing expensive Nafion membrane.
The ion exchange membranes prepared from the reaction between poly(vinyl alcohol) (PVA) which is known as the good methanol barrier in pervaporation membrane processes and sulfo-succinic acid (SSA) was used as the basic membranes. In order to improve the ion exchange capacity, poly(acrylic acid) (PAA) was added to this ion exchange membranes. The methanol permeabilities, ion conductivities, water contents and ion exchange capacity were measured for the resulting membranes with varying PAA contents. In general, methanol permeability and ion conductivity of PVA/SSA/PAA membranes were less than those of PVA/SSA membranes due to the reduction of free volumes resulted from crosslinking. The vehicle mechanism could be more dominant than jump mechanism for membranes in question.
Secondary energy conversion systems have been briskly developed owing to environmental issue and problems of fossil fuel. They are basically operated based on electro-chemical systems. In addition, ion exchange membranes are one of the significant factors to determine performance in their systems. Therefore, the ion exchange membranes in suitable conditions must be developed to improve the performance for the electro-chemical systems. These ion exchange membranes can be classified into various types such as cation exchange membrane, anion exchange membrane and bipolar membrane. Their membranes have distinct characteristics according to the chemical, physical and morphological structure. In this review, the types of ion exchange membranes and their fabrication processes are described with main characteristics. Moreover, applications of ion exchange membranes in newly developed energy conversion systems such as reverse electrodialysis, redox flow battery and water electrolysis process are described including their roles and requirements.
In this review, we summarized some of membrane processes using the ion exchange membrane typically used in energy applications. Ion exchange membranes are classified according to their functions, formations (e.g. heterogeneous, homogeneous), and polymer type. Furthermore, various methods to prepare cation exchange membranes and anion exchange membranes were discussed in detail and also illustrated through a thorough review of the literature works. There are numerous reports highlighting recent research trends in the ion exchange membrane fabrication, however, in this review we will focus more on discussing the development made in ion exchange membranes and their potential usages in future technologies.
In the last decade, various types of energy harvesting and conversion systems based on ion exchange membranes (IEMs) have been developed for eco-friendly power generation and energy-grid systems. In these membrane-based energy systems, high ion selectivity and conductivity properties of IEMs are critical parameters to improve efficiency of the systems such as proton exchange membrane fuel cells, anion exchange membrane fuel cells, redox flow batteries, water electrodialysis for hydrogen production, and reverse electrodialysis. This article suggests variable approaches to overcome trade-off limitation of polymeric membrane ion transport properties by reviewing various types of composite ion-exchange membranes including novel inorganic-organic nanocomposite membrane, surface modified membranes, cross-linked and pore-filled membranes.
Microbial fuel cells (MFCs) are a bioelectrochemical system where electrochemically active bacteria convert organic waste into electricity. Poly(vinyl alcohol) (PVA) and chitosan (CS) are polymers that have been studied as potential alternative ion exchange membranes to Nafion for many electrochemical systems. This study examined the optimal mixing ratio of PVA and chitosan CS in a PVA:CS composite membrane for MFC applications. PVA:CS composite membranes with 1:1, 2:1, and 3:1 ratios were synthesized and tested. The water uptake and ion exchange capacity, Fourier transform infrared spectra, and scanning electron microscopy images were analyzed to determine the physicochemical properties of PVA:CS membranes. The prepared membranes were applied to the ion exchange membrane of the MFC system, and their effects on the electrochemical performance were evaluated. These results showed that the composite membrane with a 3:1 (PVA:CS) ratio showed comparable performance to the commercialized Nafion membrane and produced more electricity than the other synthesized membranes. The PVA:CS membrane implemented MFCs produced a maximum power density of 0.026 mW cm-2 from organic waste with stable performance. Therefore, it can be applied to a cost-effective MFC system.
Vanadium redox flow battery (VRFB) is an energy conversion device in which charging and discharging are alternatively carried out by oxidation and reduction reactions of vanadium ions with different oxidation states. VRFB consists of electrolyte, electrode, ion-exchange membrane, etc. The role of ion-exchange membranes in VRFB separates anolyte and catholyte and provides a high conductivity to hydrogen ions. Recently much attention has been devoted to develop ideal ion-exchange membranes for VRFB. A number of developed ion-exchange membranes should be evaluated to find out ideal ion-exchange membranes for VRFB. Long-term durability test is a crucial characterization of ion-exchange membranes for commercialization, but is very time-consuming. In this study, the life time prediction protocol of ion-exchange membranes in VRFB cell tests was developed through short-term single cell performance evaluation (real total operation time, 87.5 hrs) at three different current densities. We confirmed a decrease in test time up to 96.2% of real durability tests (expected total operation time, 2,296 hrs) and 5~6% of relative error discrepancy between the predicted and the real life time in a unit cell.
In this study, we have prepared engineering polymer-based ionomers and pore-filled ion-exchange membranes (PFIEMs) employing a porous polyethylene substrate and combined them to fabricate the ionomer-PFIEM composite membranes for the reverse electrodialysis (RED) application. Both the electrochemical properties comparable to those of the commercial ion-exchange membranes (AMX/CMX, Astom Corp., Japan) and the physical stability adaptable to the practical uses have been achieved by integrating the ionomers having a high ion conductivity and the PFIEMs with an excellent mechanical strength. The RED performances have been evaluated by employing the prepared ionomer-PFIEM composite membranes and therefore excellent power generation performances were shown as the levels of 86.4% and 104.8% for the anion-exchange membrane and cation-exchange membrane, respectively, compared with those of the commercial membranes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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