Energy generation from salinity gradients through reverse electrodialysis and capacitive reverse electrodialysis

Abstract

El presente trabajo constituye el primer esfuerzo en Colombia y América Latina para desarrollar la tecnología de electrodiálisis inversa para obtención de energía a partir de gradiente salino. En esta tesis se utiliza un modelo en estado estacionario previamente descrito en la literatura y se desarrolla un modelo dinámico para describir el comportamiento de las tecnologías electrodiálisis inversa (RED) y electrodiálisis inversa capacitiva (CRED). Los modelos son validados experimentalmente. Se realiza la construcción y puesta en marcha de un generador de energía funcional para RED y CRED, se estudia el efecto de espaciadores conductores con geometrías alternativas sugeridas en la literatura. Además se estudia el potencial de generación de energía en Colombia mediante la prueba de la pila construida, utilizando agua recogida en campañas de campo proveniente del río Magdalena y del mar Caribe. La máxima densidad de potencia obtenida experimentalmente fue de 0.14 W/m2 para una pila de RED con 10 celdas con soluciones artificiales, mientras que la máxima potencia obtenida para CRED fue de 0.035 W/m2 para un stack con 3 celdas y espaciadores utilizando agua del río Magdalena y del mar Caribe. Finalmente se estudia experimentalmente el efecto que tiene en la concentración en equilibrio de membranas de intercambio iónico selectivas, el uso de soluciones de NaCl en presencia de iones bivalentes. Se estudia el efecto de los iones más abundantes en el agua de mar, tales como Mg+2, Ca+2 y SO4 -2 . Se observa un comportamiento de decrecimiento exponencial en la absorción de iones monovalentes en presencia de iones bivalentes, es decir, a bajas concentraciones de iones bivalentes (concentraciones similares al agua de mar), la capacidad de absorción de iones monovalentes de la membrana disminuye considerablemente

Abstract: The present thesis work constitutes the first effort in Colombia and America Latina for developing Reverse Electrodialysis (RED) technology for energy recovery from salinity gradients. This thesis develops a dynamic model for RED and CRED and it also uses a stationary state model presented in literature to describe energy generation through salinity gradients. The model is experimentally validated. A lab scale energy generator for RED and CRED is designed, constructed and operationalized. The effect of conductive spacers with an alternative geometry suggested in literature is studied. Besides, the potential of energy generation in Colombia is studiedby testing the stack with waters from the Magdalena River a nd the Caribbean Sea. Maximum power density obtained experimentally was 0.14 W/m2 for a 10 cell RED stack using artificial solutions, while maximum power obtained for CRED was 0.03 W/m2 for a stack of 3 cells with spacers and river and sea water. Finally the effect that bivalent ion solutions have over equilibrium concentration in ion Exchange membranes (IEM) is experimentally tested. The ions studied are the most abundant in sea water: Mg+2, Ca+2 and SO4 -2 . An exponential decrease is observed in the absorption capacity of the membranes for monovalent ions, i.e. at low concentrations of bivalent ions (similar to the ones found in seawater), the absorption capacity of ionovalent ions decreases substantially.