Использование реакции генерации водорода в процессе обратного электродиализа: мини-обзор

Контакт более соленой и более пресной воды формирует градиент солесодержания, являющийся нетрадиционным источником возобновляемой энергии. Перспективным методом извлечения этой энергии является обратный электродиализ с использованием генерации водорода. Условия, необходимые для производства водорода по этому методу, могут достигаться путем разнообразных подходов, включающих микробный элемент и электролиз. В работе рассматриваются работы, сообщающие о генерации водорода в процессе обратного электродиализа, сообщается о конкурентоспособности такого метода по сравнению с традиционными электродными реакциями и делается вывод о перспективности использования безразмерных критериев для сравнения количества водорода и удельной мощности, генерируемых с использованием различных подходов.

1. Эссалхи М. Потенциал энергии в градиенте солености, основанный на природных и антропогенных ресурсах в Швеции / М. Эссалхи [и др.] // Возобновляемая энергетика. – 2023. – С. 215. – Cтатья 118984.

2. Энергия градиента солености. Краткий технологический обзор. Режим доступа: https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2014/Jun/Salinity_Energy_v4_WEB.pdf – Регистрация на сайте. – (Дата обращения: 01.11.2024).

3. Пэттл Р. Э. Производство электроэнергии путем смешивания пресной и соленой воды в гидроагрегате / Р. Э. Пэттл // Природа. – 1954. – Т. 174. – С. 660.

4. Маникандан Д. Индуцированная градиентом солености генерация голубой энергии с использованием двумерных мембран / Д. Маникандан [и др.] // npj 2D Mater Appl. – 2024. – Т. 8. – Статья 47.

5. Ye M. Эффективность смешивающей энтропийной батареи, попеременно промываемой сточными водами и морской водой, для рекуперации энергии градиента солености / Ye M. [и др.] // Energy Environmental. Sci. – 2014. – Т. 7. – С. 2295-2300.

6. Брогиоли Д. Использование спонтанного потенциала электродов, используемых в технике емкостного перемешивания, для извлечения энергии из разницы солености / Д. Брогиоли [и др.] // Energy Environment Science. – 2012. – Т. 5. – № 12. – С. 987-9880.

7. Абдулла Шах С. Повышение энергетической ценности солеварен с помощью обратного электродиализа: лабораторная экспериментальная кампания / С. Абдулла Шах [и др.] // Мембраны – 2023. – Т. 13. – Статья 293.

8. Даниилидис А. Экспериментально получаемая энергия при смешивании речной, морской воды или рассолов с обратным электродиализом / А. Даниилидис [и др.] // Возобновляемая энергетика. – 2014. – Т. 64. – С. 123-131.

9. Джанг Дж. Разработки и перспективы обратного электродиализа для получения энергии с градиентом солености: влияние ионообменных мембран и электродов / Джанг Дж. [и др.] // Опреснение. – 2020. – С. 491. – Статья 114540.

10. Нетравати. Глава 6. Ионообменные мембраны в процессе обратного электродиализа / Нетравати, А. М. Ислор, А. М. Кумар // Базиль А. Современные тенденции и будущие разработки в области (био) мембран / А. Базиль, К. Гасемзаде // Амстердам: Elsevier, 2024. – С. 157-189.

11. Хе З. Пересмотренная конструкция разделителя для улучшения гидродинамики и защиты от обрастания в процессах обратного электродиализа / З. Хе [и др.] // Опреснение и очистка воды. – 2016. – Т. 57. – № 58. – С. 28176-28186.

12. Ванг Л. Прогнозирование с помощью глубокого обучения и обратное проектирование микроструктуры мембраны для обратного электродиализа / Л. Ванг [и др.] // Энергетика. – 2024. – Т. 312. – Статья 133484.

13. Лоза С. Профилированные ионообменные мембраны для обратного и традиционного электродиализа / С. Лоза [и др.] // Мембраны. – 2022. – Т. 12. – № 10. – Статья 985.

14. Хатцелл М.С. Сравнение производства водорода и электроэнергии для улавливания энергии в системах обратного электродиализа бикарбоната ам- мония с замкнутым циклом / М.С. Хатцелл [и др.] // Физика. Хим. – 2014. – Т. 16. – С. 1632-1638.

15. Вермаас Д. А. Теоретическая плотность мощности по градиентам солености с использованием обратного электродиализа / Д. А. Вермаас [и др.] // Энергетический процесс. – 2012. – Т. 20. – С. 170-184.

16. Д. А. Вермаас. Удвоенная плотность мощности за счет градиентов солености при уменьшенном межмембранном расстоянии / Д. А. Вермаас [и др.] // Наука об окружающей среде. Технология. – 2011. – Т. 45. – № 16. – С. 7089-7095.

17. Вермаас Д. А. Обрастание при обратном электродиализе в естественных условиях / Д. А. Вермаас [и др.] // Исследования воды. – 2013. – Т. 47. – № 3. – С. 1289-1298.

18. Рыбалкина О. Зависимость электрохимических свойств гетерогенной мембраны МК-40 от количества адсорбированных слоев полимеров / О. Рыбалкина [и др.] // Мембраны. – 2022. – Т. 12. – № 2. – Статья 145.

19. Лин С. Энергия градиента солености не является конкурентоспособным источником возобновляемой энергии / С. Лин [и др.] // Джоуль. – 2024. – Т. 8. – № 3. – С. 334-343.

20. Ли Дж. Энергия градиента солености, получаемая в результате термического опреснения, используется для производства электроэнергии с по- мощью обратного электродиализа / Дж. Ли [и др.] // Преобразование энергии и управление. – 2022. – стр. 252. – Артикул 115043.

21. Ли Дж. Экспериментальное исследование рекуперации энергии в градиенте солености из опресненной морской воды на основе RED / Дж. Ли [и др.] // Преобразование энергии и управление. – 2021. – ст. 244. – Статья 114475.

22. Хан Дж.-Х. Получение водорода при электролизе воды с помощью высокого мембранного напряжения обратного электродиализа / Дж.-Х. Хан [и др.] // J. Electrochem. Sci. Технология. – 2019. – Т. 10, № 3. – С. 302-312.

23. Хига М. Устойчивое производство водорода из морской воды и очищенных сточных вод с использованием технологии обратного электродиализа / М. Хига [и др.] // Практика и технологии водоснабжения. – 2019. – Т. 14. – № 3. – С. 645-651.

24. Хатцелл М. С., Чжу Х., Логан Б.Э. Одновременное получение водорода и нейтрализация отработанной кислоты в системе обратного электродиализа // ACS Sustainable Chem. Eng. – 2014. – Т. 2. – С. 2211-2216.

25. Пеллегрино А. Производство экологически чистого водорода с помощью обратного электродиализа и вспомогательного электролизера для обратного электродиализа: экспериментальный анализ и предва- рительная экономическая оценка / А. Пеллегрино [и др.] // Int. J. Водородная энергетика. – 2024. – Т. 76. – С. 1-15.

26. Чен Х. Получение запасаемого водорода методом обратного электродиализа (REED) / Х. Чен [и др.] // J. Membr. Sci. - 2017. – Т. 544. – С. 397-405.

27. Чен Х. Электролиз с диссоциацией воды для получения водорода в солевом энергетическом элементе / Х. Чен [и др.] // ACS Sustainable Chem. Eng. – 2019. – Т. 7. – С. 13023-13030.

28. Ву Х. Повышение удельной мощности и производительности по водороду в процессе обратного электродиализа за счет оптимизации температурного градиента между рабочими растворами / Х. Ву [и др.] // Chem. Eng. J. – 2024. – С. 498. – Статья 155385.

29. Ву Х. Совместная выработка водорода и электроэнергии за счет градиента солености из рассола и речной воды с использованием обратного электродиализа / Х. Ву [и др.] // Прикладная энергетика. – 2024. – стр. 367. – Статья 123320.

30. Ким Ю. Получение водорода из неисчерпаемых запасов пресной и соленой воды с использованием микробиологических электролизеров обратного электродиализа / Ю. Ким, Б. Э. Логан // PNAS. – 2011. – Т. 108. – С. 16176-16181.

31. Хидаят С. Производительность электролизера для микробиологического обратного электродиализа с непрерывным потоком при использовании небуферного субстрата и добавления католитных сточных вод / С. Хидаят [и др.] // Биоресурсы. Технология. – 2017. – Т. 240. – С. 77-83.

32. Сонг Ю.-Х. Получение водорода в микробных электролизерах обратного электродиализа с использованием субстрата без буферного раствора / Ю.-Х. Сонг [и др.] // Биоресурсные технологии. – 2016. – Т. 210. – С. 56-60.

33. Сонг Ю. Х. Одновременное получение водорода и извлечение струвита в микробиологической электролизной камере обратного электродиализа / Ю. Х. Сонг [и др.] // J. Ind. Eng. Химия. – 2021. – Т. 94. – С. 302-308.

34. Нам, Дж. Ю. Получение водорода в микробиологических электролизерах обратного электродиализа с использованием терморегенерированного солевого раствора / Дж. Ю. Нам [и др.] // Экология. Науки. Технол. – 2012. – Т. 46. – С. 5240-5246.

35. Уотсон В. Дж. Получение водорода из непрерывного потока в микробиологических электролизерах обратного электродиализа, обрабатывающих ферментационные сточные воды / В. Дж. Уотсон [и др.] // Биоресурсы. Технология. – 2015. – Т. 195. – С. 51-56.

36. Луо Х. Оптимизация конфигурации мембранного блока для эффективного получения водорода в микробиологических электролизерах с обратным электродиализом в сочетании с термолитическими растворами / Х. Луо [и др.] // Биоресурсы. Технология. – 2013. – Т. 140. – С. 399-405.

37. Туфа Р.А. Получение водорода из промышленных сточных вод: интегрированная энергетическая система обратного электродиализа – электролиз воды / Р. А. Туфа [и др.] // J. Cleaner Prod. – 2018. – Т. 203. – С. 418-426.

38. Туфа Р. А. Электродиализ с обратным действием градиента солености и электролиз воды с щелочным полимерным электролитом для получения водорода / Р. А. Туфа [и др.] // J. Membr. Sci. - 2016. – Т. 514. – С. 155-164.

39. Веерман Дж. Обратный электродиализ: эффективность установки на 50 ячеек при смешивании морской и речной воды / Дж. Веерман [и др.] // J. Membr. Sci. – 2009. – Т. 327. – № 1-2. – С. 136-144.

40. Ким Х. Оптимизация количества пар ячеек для создания эффективной системы обратного электродиализа / Х. Ким [и др.] // Опреснение воды. – 2021. – т. 497. – Статья 114676.

41. Веерман Дж. Обратный электродиализ: сравнение шести пар коммерческих мембран по термодинамической эффективности и плотности мощности / Дж. Веерман [и др.] // J. Membr. Sci. – 2009. – стр. 343. – № 1-2. – С. 7-15.

42. Длуголенцки П. Современное состояние ионообменных мембран для получения энергии из градиентов солености / П. Длуголенцки [и др.] // J. Membr. Sci. – 2008. – Т. 319. – № 1-2. – С. 214-222.

43. Лонг Р. Анализ производительности систем обратного электродиализа: геометрия каналов и оптимизация расхода / Р. Лонг [и др.] // Энергетика. – 2018. – Т. 158. – С. 427-436.

44. Ли Дж.-Х. Поверхностно-модифицированные анионообменные мембраны с заполненными порами для эффективного сбора энергии с помощью обратного электродиализа / Дж.-Х. Ли [и др.] // Мембраны. – 2023. – Т. 13. – № 12. – Статья 894.

45. Сугимото Ю. Эффективность выработки электроэнергии при обратном электродиализе (RED) с использованием различных ионообменных мембран и прогнозирование выходной мощности для большого блока RED / Ю. Сугимото [и др.] // Мембраны. – 2022. – Т. 12. – № 11. – Статья 1141.

46. Ху Дж. Многоступенчатый обратный электродиализ: стратегии получения энергии в градиенте солености / Дж. Ху [и др.] // Преобразование энергии и управление ею. – 2019. – Т. 183. – С. 803-815.

47. Тедеско М. Эксплуатационные характеристики первой пилотной установки обратного электродиализа для производства электроэнергии из соленых вод и концентрированных рассолов / М. Тедеско [и др.] // J. Membr. Sci. – 2016. – Т. 500. – С. 33-45.

48. Ван К. Гибридная система RED/ED: одновременная рекуперация осмотической энергии и опреснение высокосоленых сточных вод / К. Ван [и др.] // Опреснение. – 2017. – Т. 405. – С. 59-67.

49. Ролдан-Карвахаль М. Влияние градиента солености с помощью обратного электродиализа: междисциплинарная оценка в колумбийском контексте / М. Ролдан-Карвахаль [и др.] // Опреснение. – 2021. – Номер 503. – С. 114933.

50. Ву Х. Получение водорода в результате электролиза воды, управляемого напряжением на мембране системы обратного электродиализа с замкнутым контуром, объединяющей технологию диффузионной дистилляции с воздушным зазором / X. Ву [и др.] // Управление преобразованием энергии. – 2022. – С. 268. – Статья 115974.

51. Тянь Х. Уникальные области применения и усовершенствования обратного электродиализа: обзор и перспективы / Х. Тянь [и др.] // Прикладная энергетика. – 2020. – ст. 262. – Статья 114482.

52. Ли Дж. Оптимизация получения водорода путем разложения щелочной воды электрокатализаторами на основе переходных металлов / Дж. Ли [и др.] // Письма по химии окружающей среды. – 2023. – Т. 21. – С. 2583-2617.

53. Мехдизаде С. Эффективность выработки электроэнергии в экспериментальном режиме обратного электродиализа с использованием одновалентных селективных ионообменных мембран / С. Мехдизаде [и др.] // Мембраны. – 2021. – Т. 11. – Статья 27.