Ion exchange membrane can transfer only cation or anion in electrically conductive fluids. Recent studies have revealed that such selective ion transport can initiate electroconvective instability, resulting vortical fluid motions on the membrane. This so-called electroconvective vortex (a.k.a. electroconvection (EC)) has been in the spotlight for enhancing an ion flux in electrochemical systems. However, EC under shear flow has not been investigated yet, although most related systems operate under pressure-driven flows. In this study, we present the direct visualization platform of EC under shear flow. On the transparent silicone rubber, microscale channels were fabricated between ion exchange membranes, while allowing microscopic visualization of fluid flow and ion concentration changes on the membranes. By using this platform, not only we visualize the existence of EC under shear flow, its unique characteristics are also identified: i) unidirectional vortex pattern, ii) its advection along the shear flow, and iii) shear-sheltering of EC vortices.
The effects of bipolar interface formed on the surface of cation-exchange membrane on water splitting phenomena were investigated. Results showed that the formation of immobilized bipolar interface resulted in significant water splitting during electrodialysis. In particular, the immobilized bipolar interface was easily created on the cation-exchange membrane surface in the electrodialytic systems where multivalent cations served as an electrolyte. Multivalent cations with low solubility product resulted in violent water splitting because they were easily precipitated on the membrane surface in hydroxide form. Therefore, the bipolar interface consisting of H- and OH-affinity groups were formed on the membrane-solution interface. Apparently, water splitting was largely activated with the help of strong electric fields generated between the metal hydroxide layer and fixed charge groups on the membrane surface. Likewise, the accumulation of large molecular counter ions on the membrane surface led to the formation of a fixed bipolar structure that could cause significant water splitting in the over-limiting current region. Therefore, the prevention of the immobilization of bipolar interface on the membrane surface is very essential in improving the process efficiency in a high-current operation.
Kim, Sang-Kyum;Ryu, Jung-Ho;Kwen, Hai-Doo;Chang, Choo-Hwan;Cho, Seong-Ho
Polymer(Korea)
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v.34
no.2
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pp.126-132
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2010
A cation-exchange nanofiber poly(vinylidene fluoride) (PVdF) membrane was prepared by a radiation-induced graft polymerization (RIGP) of sodium styrene sulfonate (NaSS) in the presence of the polymerizable access agents in methanol solution. The used polymerizable access agents include styrene, acrylic acid, and vinyl pyrrolidone. The anion-exchange nanofiber PVdF membrane was also prepared by RIGP of glycidyl methacrylate (GMA) and its subsequent chemical modification. The successful preparations of cation- and anion-exchange PVdF membranes were confirmed via SEM, XPS and thermal analysis. The content of the grafting yield, ion-exchange group, and water uptake was in the range of 30.0~32.3%, 2.81~3.01 mmol/g and 66.6~147%, respectively. The proton conductivity at 20$^{\circ}C$ was in the range of 0.020~0.053 S/cm. From the result, the prepared ionexchange PVdF membrane can be used as a separator in battery cells.
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.
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.
Ion exchange process was optimized to purify ultrafiltrated bean cooking water(BCW) for the production of soy-oligosaccharides. The ultrafiltrated BCW with cutoff MW(COMW) 20,000 membrane was treated with various ion exchange resins. Protein and ash were mostly removed by anion and cation exchange resins, respectively. Based upon removing capabilities for ash and protein, a cation exchange resin(SK1B) and an anion exchange resin(WA30) were selected. Protein and ash were more efficiently removed at low extract/resin ratios(ERR), but part of the oligosaccharides were concomitantly lost. When 2-step-ultrafiltrated BCW first with COMW 20,000 membrane and successively with COMW 5,000 membrane was treated with a mixed resin(SK1B : WA30 =1 : 2) at ERR 5.0, most oligosaccharides were recovered in a clear protein- and ash-free liquid.
The effect of anionic and cationic exchange polymer layer on the chronopotentiometry (CP) and current voltage curves (I-V) of charged composite membrane are investigated. Also, the ion transport near the interface between electrolyte and ionic exchange polymer membranes (anionic and cationic ones) and charged mosaic polymer composite membrane is studied. The results show that both anionic and cationic polymer exchange membranes exhibit lower voltage drop over range of applied current density and possess favorable industrial application potentials, especially at low KCl concentration. While the charged mosaic polymer composite membrane didn't show any current-voltage change, irrespective to the type and the concentration of used electrolyte. CP and I-V measurements are effectively used to give some fundamental understanding for ion transport behavior of ion exchange polymer membrane near the interlace.
In this study, partially fluorinated cation exchange membranes were prepared by direct sulfonation of Poly(VDF-co-hexafluoropropylene) copolymers (PVDF-co-HFP) followed by a casting method for application in the Membrane capacitive deionization (MCDI). The structure of sulfonated PVDF-co-HFP (SPVDF) was confirmed by Fourier-transform infrared (FT-IR) and $^1H$ Nuclear magnetic resonance ($^1H$ NMR) analysis. For quantitative analysis of the chemical composition, the X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was used. The membrane properties such as water uptake, ion exchange capacity and electrical resistance were measured. It was suggested that the optimum direct sulfonation condition of PVDF-co-HFP ion exchange membranes was $60^{\circ}C$ and 7 hours for temperature and duration of sulfonation, respectively. The water uptake of the SPVDF ion exchange membrane was 21.5%. The ion exchange capacity and electrical resistance were 0.89 meq/g and $3.70{\Omega}{\cdot}cm^2$, respectively. It was investigated that if it is feasible to apply these membranes in MCDI at various cell potentials (0.9~1.5 V) and initial flow rates (10~40 mL/min). In the MCDI process, the maximum salt removal rate was 62.5% in repeated absorption-desorption cycles.
Myeongkwan Song;Lee, Jang-Oo;Akira Yamauchi;Wongkang Yang
Proceedings of the Membrane Society of Korea Conference
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2004.05a
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pp.109-112
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2004
The charged mosaic membranes having cation and anion exchange mixed groups within membrane were researched. The composite charged mosaic membrane was investigated from simultaneous transport such as solute and solvent flux. On the other hand, the reflection coefficient and salt flux coefficient were estimated by taking account of the cross constants of the phenomenological equation.(omitted)
A membrane capacitive deionization (MCDI) cell is constructed by applying thin layer of a cation exchange membrane (Nafion) on cathode and an anion exchange membrane (aminated polyphenylene oxide, APPO) on anode. Compared to CDI cell without CEM and AEM coating, MCDI exhibits enhanced salt removal efficiency. When Nafion and APPO are used as CEM and AEM, optimized salt removal performance as high as 82.1% is observed when 1.2 V is applied for 3 min during absorption process and -1.0 V is applied for 1 min during desorption.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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