DE102019216295A1

DE102019216295A1 - Spannungsgesteuerte anionenaustauschmembran, die selektive ionenaffinitäten zur wasserentsalzung ermöglicht, und vorrichtung, die diese enthält

Info

Publication number: DE102019216295A1
Application number: DE102019216295.9A
Authority: DE
Inventors: Jonathan Mailoa; Boris Kozinsky; Georgy Samsonidze; Sondra Hellstrom; Nathan P. Craig; Mordechai Kornbluth; Saravanan Kuppan; Michael Metzger; Soo KIM
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2020-04-30
Also published as: CN111099703A; US20200131058A1; US11820681B2; CN111099703B

Abstract

Eine Entsalzungsvorrichtung umfasst einen Container, erste und zweite Elektroden, eine Anionenaustauschmembran (AEM) und eine Energiequelle. Der Container enthält Salzwasser, das eine erhöhte Konzentration gelöster Salze aufweist. Die AEM unterteilt den Container in erste und zweite Abteile, in denen die ersten bzw. zweiten Elektroden angeordnet sind. Die AEM weist eine fortlaufende poröse Struktur und mehrere negativ geladene Sauerstofffunktionsgruppen auf, die mit der porösen Struktur gekoppelt sind. Die Energiequelle ist konfiguriert, selektiv eine Spannung an die ersten und zweiten Elektroden anzulegen. Die AEM weist eine selektive Permeabilität auf, wenn die Spannung angelegt wird, sodass Kationen in der Salzwasserlösung eine erste Diffusionsrate ddurch die Membran aufweisen und Anionen in der Salzwasserlösung eine zweite Diffusionsrate ddurch die Membran aufweisen. Die erste Diffusionsrate dist geringer als die zweite Diffusionsrate dund größer als oder gleich null.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen U.S.-Anmeldung Nr. 62/751,006 , eingereicht am 26. Oktober 2018, deren Inhalte hierin durch Verweis vollständig eingeschlossen sind.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Offenbarung bezieht sich auf die elektrochemische Behandlung von Wasser, und genauer auf Anionenaustauschmembranen mit Materialien, die selektive Ionenaffinitäten für Wasserentsalzungsvorrichtungen ermöglichen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der Bedarf an frischem Trinkwasser ist wesentlich und die Sicherung von frischen und trinkbaren Wasserquellen für einen steigenden Bevölkerungsanteil der Erde ist eine der wichtigsten Herausforderungen des einundzwanzigsten Jahrhunderts. Steigende Mengen an Frischwasser werden nicht nur für menschlichen Verzehr benötigt, sondern auch für industrielle und landwirtschaftliche Aktivitäten. Entsalzung ist eine aufstrebende Technologie, die verwendet wird, um Süßwasser aus anderweitigen Nichtsüßwasserquellen zu gewinnen, und umfasst die Entfernung von Salz und anderen Verunreinigungen aus Salzwasser. Der Entsalzungsprozess kann auf unterschiedliche Weise umgesetzt werden, wie etwa thermal (z. B. Heizung und Trocknung, thermale Destillierung), Anlegen von elektrischer Energie (d. h. ladungsbasierte Trennung von Ionen), und über mechanische Energie/Druck (z. B. umgekehrte Osmose (RO), membranbasierte Filterung).
Kapazitive Deionisierung (CDI) ist eine Technologie, die elektrische Energie verwendet, um eine ladungsbasierte Trennung von Ionen auszuführen. Eine CDI-Vorrichtung umfasst üblicherweise eine Kathode und eine Anode. Während eines Reinigungszyklus werden Kationen zu der Kathode zugegeben und Anionen zu der Anode zugegeben. Der nächste Zyklus bringt eine Spannung auf, um die Ionen aus den Elektroden zu spülen und Abwasser mit hohem Verunreinigungsgehalt auszustoßen. Die Elektroden stehen dann für den nächsten Reinigungszyklus zur Verfügung. In einigen Umsetzungen umfasst eine CDI-Vorrichtung mindestens zwei Kationeninterkalationshostelektroden, die durch eine Anionenaustauschmembran (AEM) für die Wasserentsalzungs- und Reinigungsprozesse getrennt sind. Diese Technik wird manchmal als hybridkapazitive Deionisierungs- (HCDI) Technik bezeichnet und wird in neuerer Literatur besprochen, einschließlich in Energy Environ. Sei., 2014, 7, 3683; J. Electrochem. Soc., 2016, 163, A530; Electrochim. Acta, 2016, 203, 265; und ACS Omega, 2017, 2, 1653.
5 illustriert eine konventionelle elektrochemische Vorrichtung 500, die die HCDI-Technik umsetzt, um Salzwasser von einer Wasserquelle zu entsalzen. Die Vorrichtung 500 umfasst eine erste Elektrode 504, eine zweite Elektrode 508 in einem Abstand von der ersten Elektrode 504, und eine Austauschmembran 512, die zwischen den ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist. Die Membran 512 ist typischerweise eine Anionenaustauschmembran (AEM), die die Vorrichtung 500 in ein erstes Salzwasserabteil 516 mit der ersten Elektrode 504 und ein zweites Salzwasserabteil 520 mit der zweiten Elektrode 508 unterteilt. In einigen Vorrichtungen werden Interkalationshostmaterialien (typischerweise wie Na_0,44MnO₂ oder ähnliche Oxide) als die Elektrodenkomponenten (d. h. Kathode und Anode) verwendet. In anderen Vorrichtungen ist die Elektrode 504 eine Kationeninterkalationshostelektrode und die zweite Elektrode 508 ist eine kohlenstoffbasierte Elektrode (z. B. poröser Kohlenstoff, Aktivkohle usw.), gekoppelt mit der ersten Elektrode auf der anderen Seite.
5 illustriert die Vorrichtung 500 in einem ersten Betriebszustand, in dem eine positive Spannung V_IN an die erste Elektrode 504 (Anode) angelegt wird, und die zweite Elektrode 508 (Kathode) mit der Erde verbunden ist. In dem ersten Betriebszustand werden erste Zielionen 524 wie Na⁺-Kationen von der ersten Elektrode 504 freigegeben und in dem ersten Abteil 516 verteilt, das in diesem Betriebszustand manchmal als das „Soleabteil“ bezeichnet wird. Wenn die Na⁺-Konzentration in dem ersten Abteil 516 ansteigt, erzeugt die Elektrostatik ein elektrisches Feld, das zweite Zielionen 528 anzieht, wie etwa das Anion Cl^- von dem zweiten Abteil 520, das manchmal im ersten Betriebszustand als das „saubere Abteil“ oder „frische Abteil“ bezeichnet wird. Wenn sich Cl^- Ionen 528 von dem zweiten Abteil 520 in das erste Abteil 516 bewegen, interkalieren Na⁺-Ionen 524 von dem zweiten Abteil 520 in die zweite Elektrode 508, um eine neutrale elektrostatische Ladung zu erhalten, die den Wasserentsalzungskreislauf abschließt. Über diesen Entsalzungskreislauf erhöht die Vorrichtung 500 in dem ersten Betriebszustand die Salzkonzentration in dem ersten Abteil 516 und verringert die Salzkonzentration in dem zweiten Abteil 520.
Das Solewasser und das saubere Wasser, das in dem ersten Betriebszustand erzeugt wird, werden getrennt extrahiert, nachdem das Wasser in dem zweiten Abteil 520 durch die Vorrichtung 500 ausreichend gereinigt wurde. Um einen weitere Reinigungszyklus auszuführen, werden das erste und zweite Abteil 516, 520 mit neuem Salzwasser von der Wasserversorgung gefüllt. Die Vorrichtung 500 wird dann in einem zweiten Betriebszustand (nicht dargestellt) betrieben, in dem eine positive Spannung an die zweite Elektrode 508 angelegt wird und die erste Elektrode 504 mit der Erde verbunden wird. In dem zweiten Betriebszustand erzeugt die Vorrichtung 500 Süßwasser in dem ersten Abteil 516 (das „Süßwasserabteil“ in dem zweiten Betriebszustand) und erzeugt Solewasser in dem zweiten Abteil 520 (das „Soleabteil“ in dem zweiten Betriebszustand). Der abwechselnde Betrieb der Vorrichtung 500 hilft, die Menge der Na⁺-Ionenkonzentration in den Interkalationshostelektrodenmaterialien innerhalb eines gewünschten Bereichs zu halten. Es ist zu erkennen, dass dieser Prozess nur funktioniert, wenn die Tendenz, dass Na⁺ von dem Soleabteil an das saubere Abteil diffundiert, durch die Anionenaustauschmembran (AEM) 512 verlangsamt oder blockiert wird, die die Diffusion der Na⁺ Kationen begrenzt, und dabei die unbehinderte Diffusion von Anionen (z. B. Cl^-) fördert. Daher beeinflusst die selektive Ionenpermeabilität der AEM 512 der Vorrichtung 500 stark die allgemeine Effizienz des Wasserentsalzungsprozesses.
Die typische Anionenaustauschmembran (AEM), die für die HCDI-Technik verwendet wird, wie etwa die AEM 512, umfasst „feste“ positiv geladene Gruppen, die den Kationentransport durch die AEM verhindern, und dabei den Anionentransport zulassen. Es ist erwünscht, eine dünne und skalierbare AEM mit geringem Widerstand für den Wasserentsalzungsprozess herzustellen, die eine selektive Ionendiffusion erlaubt. Beispielsweise sind Graphen und Graphenoxid (GO) elektrisch leitfähige 2D-Materialien, die zur Verwendung bei Wasserfilteranwendungen vorgeschlagen wurden. (Nano Lett. 2012, 12, 3602 und Energy Environ. Sei. 2014, 7, 1134). In diesen vorgeschlagenen Anwendungen erlaubt der „aufgebrachte Druck“ es den Wassermolekülen, durchzudringen, während Salze aus dem Solewasser in dem Graphenfilter verbleiben. Die neuere Literatur hat ebenfalls nachgewiesen, dass das Anlegen elektrischer Spannung an GO den Wassertransport und die Diffusionseigenschaften über das GO-Blatt modifiziert (Nature, 2018, 559, 236).
Daher ist eine AEM notwendig, die die Effizienz der Wasserentsalzung über eine HCDI-Vorrichtung verbessert. Eine AEM, die die Effizienz über eine spezifisch gesteuerte chemische Funktionsgruppe verbessert, die konfiguriert ist, Ionen bei einer kontrollierten Spannung zu verkapseln und einzuschließen, wäre ferner von Vorteil.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Anionenaustauschmembran für eine Entsalzungsvorrichtung umfasst in einer Ausführungsform einen Membranträger, der eine poröse erste Seite, eine poröse zweite Seite und eine fortlaufende poröse Struktur aufweist, die sich von der ersten Seite zur zweiten Seite erstreckt. Die fortlaufende poröse Struktur umfasst Graphenoxid- (GO) Blätter und mehrere negativ geladene Sauerstofffunktionsgruppen, die mit den GO-Blättern gekoppelt sind.
Eine Entsalzungsvorrichtung umfasst in einer Ausführungsform einen Container, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine Anionenaustauschmembran (AEM) und eine Energiequelle. Der Container ist konfiguriert, eine Salzwasserlösung zu enthalten, die eine erhöhte Konzentration gelöster Salze aufweist. Die AEM trennt den Container in ein erstes Abteil und ein zweites Abteil. Die ersten und zweiten Elektroden sind in den ersten bzw. zweiten Abteilen angeordnet und konfiguriert, mit der Salzwasserlösung in Kontakt zu stehen. Die AEM weist eine poröse Membranstruktur und mehrere negativ geladene Sauerstofffunktionsgruppen auf, die mit der porösen Membranstruktur gekoppelt sind. Die Energiequelle ist konfiguriert, selektiv eine Spannung an eine der ersten und zweiten Elektroden anzulegen, während die andere der ersten und zweiten Elektroden mit der Erde verbunden ist. Die AEM weist eine selektive Permeabilität auf, wenn die Spannung angelegt wird, sodass Kationen in der Salzwasserlösung eine erste Diffusionsrate d₁ hindurch aufweisen und Anionen in der Salzwasserlösung eine zweite Diffusionsrate d₂ hindurch aufweisen, wobei 0 ≤ d₁ < d₂.
Ein Verfahren zum Entsalzen von Wasser umfasst in einer Ausführungsform das Füllen der jeweiligen ersten und zweiten Abteile eines Behälters mit einer Salzwasserlösung, die eine erhöhte Konzentration gelöster Salze aufweist. Der Container umfasst erste und zweite Elektroden, die in den ersten bzw. zweiten Abteilen angeordnet sind, und eine Anionenaustauschmembran (AEM), die die ersten und zweiten Abteile trennt. Das Verfahren umfasst ferner den Betrieb der ersten und zweiten Elektroden in Vorwärtsrichtung oder Rückwärtsrichtung, um Kationen in eines der ersten und zweiten Abteile freizugeben und Kationen von dem anderen der ersten und zweiten Abteile zu entfernen. Das Verfahren umfasst ferner das Anlegen einer Membranspannung an die AEM beim Betrieb der ersten und zweiten Elektroden. Die Membranspannung verringert eine erste Diffusionsrate von Kationen durch die AEM und erhöht eine zweite Diffusionsrate von Anionen durch die AEM relativ zu den ersten und zweiten Diffusionsraten, wenn die Membranspannung nicht an die AEM angelegt wird.
Figurenliste

1 ist ein vereinfachtes Schema einer hybridkapazitiven Deionisierungs- (HCDI) Vorrichtung, konfiguriert zum Entfernen von Zielionen aus einer Wasserversorgung, wobei die Vorrichtung in einem ersten Betrieb in dem Zustand dargestellt wird, in dem eine erste Spannung an einer von zwei Elektroden und eine zweite Spannung an eine Anionenaustauschmembran (AEM), die zwischen den Elektroden angeordnet ist, angelegt wird;
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Designstrategie zur Verwendung der AEM aus 1 mit einer gesteuerten Redox-Spannung illustriert;
3 illustriert die Adsorption eines Na⁺-Ions in unterschiedlichen Materialien der AEM aus 1;
4 illustriert die Adsorption eines Cl^--Ions in unterschiedlichen Materialien der AEM aus 1;
5 ist ein vereinfachtes Schema einer HCDI-Vorrichtung mit einer bekannten AEM; und
6 zeigt ein Verfahren zum Entsalzen von Wasser unter Verwendung der Vorrichtung aus 1.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Zum Zweck der Förderung eines Verständnisses der Grundsätze der Offenbarung wird nun auf die Ausführungsformen verwiesen, die in den Zeichnungen illustriert und in der folgenden schriftlichen Spezifikation beschrieben sind. Es versteht sich, dass hiermit keine Begrenzung des Umfangs der Offenbarung vorgesehen ist. Es versteht sich ferner, dass die Offenbarung außerdem alle Änderungen und Modifikationen der illustrierten Ausführungsformen enthält und weitere Anwendungen der Grundsätze der Offenbarung enthält, die einem Fachmann, an den diese Offenbarung gerichtet ist, normalerweise auffallen würden.
1 illustriert eine nicht einschränkende erste Ausführungsform einer Vorrichtung 100, konfiguriert zum Entfernen von Ionen aus einer Wasserquelle über einen hybridkapazitiven Deionisierungs- (HCDI) Prozess. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Container 102, konfiguriert, eine Flüssigkeitslösung zu enthalten, wie etwa eine Salzwasserlösung, die eine erhöhte Konzentration gelöster Salze 124, 128 aufweist. Der Container 102 kann ein Container, ein Abteil, ein Gehäuse, ein Behälter, eine Kanne, ein Kanister, ein Tank oder dergleichen in jeder Form, Größe oder Konfiguration sein, der/die in der Lage ist, eine Flüssigkeitslösung wie Salzwasser, Brackwasser, Meereswasser, Ozeanwasser, Frischwasser, Süßwasser, Trinkwasser, entsalztes Wasser, verunreinigtes Wasser, Industriewasser usw. zu erfassen, zurückzuhalten, zu halten und/oder freizugeben. Der Container ist groß genug, um eine ausreichende Menge an Wasserlösung aufzunehmen, die der Entsalzung unterzogen wird; die Abmessungen basieren daher auf einer spezifischen Anwendung. Der Container kann groß genug sein, um industriellen Anwendungen zu dienen.
Der Container kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die in der Lage sind, Korrosion, Temperaturschwankungen, wechselndem pH-Wert, variierendem Druck zu widerstehen und anderen chemischen, mechanischen und/oder physischen Bedingungen zu widerstehen. Der Container kann aus Gas, Kunststoff, Verbundstoff, Metall, Keramik oder einer Kombination von Materialien bestehen. Der Container kann eine oder mehrere Schutzbeschichtungen aufweisen. Der Container kann aus einem Material bestehen, das das Auftreten von Wasserverunreinigung minimiert. Der Container kann aus einem oder mehreren Materialien bestehen, die nicht toxisch sind und den Trinkwasserstandards entsprechen.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine erste Elektrode 104, eine zweite Elektrode 108 in einem Abstand von der ersten Elektrode 104, und eine Anionenaustauschmembran (AEM) 112, die zwischen der ersten Elektrode 104 und der zweiten Elektrode 108 angeordnet ist. Die AEM 112 unterteilt den Container 102 in ein erstes Abteil 113 mit der ersten Elektrode 104 und ein zweites Abteil 115 mit der zweiten Elektrode 108. Die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 sind in dem Container 102 angeordnet, um in flüssiger Kommunikation mit der Salzwasserlösung in den ersten und zweiten Abteilen 113, 115 zu stehen. Die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 sind mindestens teilweise in der Salzwasserlösung untergetaucht. Die ersten und zweiten 104, 108 Elektroden können in einigen Ausführungsformen vollständig in der Salzwasserlösung untergetaucht sein. Die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 können auf gegenüberliegenden Seiten des Containers 102 platziert und durch eine Distanz wie in den Figuren gezeigt getrennt sein. Die Distanz kann 1 mm oder mehr, 1 cm oder mehr, 10 cm oder mehr, 20 cm oder mehr, 30 cm oder mehr betragen, abhängig von den Abmessungen des Containers 102 und den ersten und zweiten Elektroden 104, 108. Andere Distanzen zwischen den ersten und zweiten Elektroden werden ebenfalls betrachtet.
Die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 in der dargestellten Ausführungsform umfassen ein Interkalationshostmaterial 116, das erste Zielionen 124 in verschiedenen Betriebszuständen der Vorrichtung 100 reversibel entfernt und freigibt. Interkalation bezieht sich auf den reversiblen Einschluss von einem oder mehreren Ionen in Materialien mit geschichteten Strukturen. Die Räume zwischen den Schichten können als ein temporärer Speicher für eine oder mehrere Arten von Ionen dienen. Die ersten Zielionen 124 in der illustrierten Ausführungsform umfassen das Kation Na⁺, aber in anderen Ausführungsformen können die ersten Zielionen 124 die Kationen K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺ und andere umfassen. Das Interkalationshostmaterial 116 der ersten und zweiten Elektroden 104, 108 umfasst in einigen Ausführungsformen ähnliche Alkalimetalloxide oder Phosphate, wie etwa Na_xMnO₂ und Na_xMPO₄, mit Variationen in der Alkalimetallkonzentration, etwa über eine Zusammensetzungsänderung des Na durch Variierung von x. In anderen Ausführungsformen können kohlenstoffbasierte und andere oxidbasierte Elektrodenmaterialien zur Herstellung der Elektrodenmaterialien in der Vorrichtung 100 über weitere Kohlenstoff- und PVDF-Bindemittel verwendet werden.
In weiteren Ausführungsformen ist das Interkalationshostmaterial 116 der ersten und zweiten Elektroden 104, 108 mindestens eines aus dotiertem oder undotiertem kubischem Spinell-MnO₂, Na₄Mn₉O₁₈ (oder entsprechend, Na_0.44MnO₂) tunnelstrukturierten orthorhombischen Materialien und NaM₂(PO₄)₃ (wobei M = Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, oder eine Kombination daraus), wobei die genaue Zusammensetzung des Na durch eingehende Mischung verschiedener Startmengen von Na₂CO₃ mit Metalloxidvorläufern, gefolgt von der Wärmebehandlung bei hoher Temperatur (z. B. 800 °C), gesteuert werden kann. In diesen weiteren Ausführungsformen ist es zulässig, Na (wenn vorhanden) teilweise durch Li, Mg, Ca, und/oder K zu ersetzen.
Die AEM 112 in der dargestellten Ausführungsform umfasst ein Membranmaterial 120, das unter Verwendung der „Detailed First-Principles Density Functional Theory“- (DFT) Berechnungen identifiziert wurde. Das Membranmaterial 120 der AEM 112 umfasst in einigen Ausführungsformen Graphen- und Graphenoxid- (GO) Blätter mit einer oder wenigen Schichten mit mindestens einer chemisch hinzugefügten Funktionsgruppe, die konfiguriert ist, um die ersten Zielionen 124 in mindestens einem Betriebszustand der Vorrichtung 100 zu verkapseln und einzuschließen. Wie hierin verwendet, bedeutet „einschichtig“, dass das Graphen und GO jeweils mit einer einzigen Schicht konfiguriert sein können, und „wenige Schichten“ bedeutet, dass das Graphen und GO je mit bis zu 8 Schichten konfiguriert sein können. Die chemische Funktionsgruppe ist eine negativ geladene sauerstoffhaltige Funktionsgruppe, die eine langsame Diffusion der ersten Zielionen 124 erlaubt, die in der Wasserquelle (z. B. Meereswasser oder Industriewasser) gelöst ist. Die ersten Zielionen 124 in dieser Ausführungsform umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Natrium-, Magnesium-, Kalzium-, Kalium-, Strontium-, Silizium-, Kohlenstoff- und Aluminiumionen. Die chemische Funktionsgruppe in der AEM 112 erlaubt auch eine sehr schnelle Diffusion zweiter Zielionen 128 zwischen den Elektroden 104, 108 durch die Abstoßungskraft zwischen der negativ-geladenen AEM 112 und den zweiten Zielionen 128 in der Wasserzufuhr. Die zweiten Zielionen 128 in dieser Ausführungsform umfassen unter anderem Chlorid, Schwefel, Brom, Nitrat und Ammoniak.
Das Membranmaterial 120 der AEM 112 umfasst in einigen Ausführungsformen eine kohlenstoff- oder polymerbasierte poröse Membranstruktur und eine oder mehrere Hydroxyl- (-OH) Sauerstofffunktionsgruppen und Carboxyl- (-COOH) Sauerstofffunktionsgruppen, die mit der Struktur gekoppelt sind, um selektive Kationen-(De-)Adsorptionsprozesse in der AEM zu erlauben. In anderen Ausführungsformen können die chemisch hinzugefügten Sauerstofffunktionsgruppen Carbonyl- (=O) Sauerstofffunktionsgruppen, Epoxid- (-O) Gruppen oder Kombinationen daraus umfassen. In einem Beispiel werden Hydroxyl- (-OH) reiche GO-Proben des Hummers-Verfahrens erzeugt, das in Carbon, 2013, 64, 225 & J. Am. Chem. Soc., 1958, 6, 1339 beschrieben ist. Zuerst können eine Graphitplatte und NaNO₃ in H₂SO₄ bei niedriger Temperatur (z. B. 5 °C) verteilt werden und KMnO₄ kann der Suspension zugegeben werden. Nach weiterem Rühren und Verdünnung mit Wasser kann die Mischung bis zu ca. 100 °C erhitzt und mit H₂O₂ behandelt werden. Das entstehende Pulver kann mit HCl und entionisiertem Wasser gespült werden. Da der Einschluss der ersten Zielionen 124 von der Anzahl der Sauerstofffunktionsgruppen abhängt, die in dem GO vorhanden sind, kann die Steuerung der Ionentransporte über das Verarbeitungsverfahren eingestellt werden. Insbesondere kann die weitere Wärmebehandlung die Funktionsgruppendichte steuern, gefolgt von Filtern, Waschen und Trocknen unter Vakuum.
Die AEM 112 umfasst in einigen Ausführungsformen ferner eine Mischung aus dem Membranmaterial 120 und anderen elektronisch leitfähigen Polymeren, wie etwa Polyethylenoxid (PEO), Poly(pyrrol)en (PPY), Polyanilinen (PANI), Poly(thiophen)en (PT), Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT), Poly(p-phenylensulfid) (PPS), Poly(acetylen)en (PAC), und Poly(p-phenylenvinylen) (PPV). Die AEM 112 umfasst in einer anderen Ausführungsformen das Membranmaterial 120 und andere Polymere, die nicht elektronisch leitfähig sind, wie etwa querverbundenen Polyvinylalkohol (PVA), querverbundenes Polymethylmethacrylat (PMMA), und Polyphenylenvinylen (PPV). Weiterhin kann elektronisch leitfähiges Material, wie etwa Grafit, harter Kohlenstoff, weicher Kohlenstoff, Ruß und andere nach Bedarf zugegeben werden.
3 zeigt strukturell die Na⁺-Ionenadsorption in dem hierin offenbarten Membranmaterial 120. Die Strukturen, die in 3 illustriert sind, umfassen Natrium (Na), Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H). Diese Elemente werden in der Figur voneinander durch Verwendung verschiedener Füllmuster in den Kreisen unterschieden, die die Elemente nach der entsprechenden Legende darstellen. Das Membranmaterial 120 ist dargestellt als: reines Graphen in Panel a, GO mit Epoxid- (-O) Gruppe in Panel b, GO mit Carbonyl- (=O) Gruppe in Panel c, GO mit Hydroxyl- (-OH) Gruppe in Panel d, und GO mit Carboxyl- (-COOH) Gruppe in Panel e. 3 illustriert ferner die berechnete Na⁺-Ionenadsorptionsspannung für jeden Fall, der in Panels a bis e illustriert ist. Reines Graphen (Panel a), GO mit Hydroxyl-(Panel d), und GO mit Carboxyl- (Panel e) erfüllen die Zielspannungskriterien innerhalb des Wasserstabilitätsfensters (d. h. -0,401 bis +1,23 V vs. Standardwasserstoffelektrode (SHE), die sich durch den pH-Wert der Lösung leicht ändern kann). Epoxid- oder Carbonylfunktionsgruppen können in GO (Panels b und c) enthalten sein, es kann jedoch mehr angelegte Spannung benötigen, um die Kationen reversibel (zu entfernen oder) einzusetzen.
Weitere Berechnungen schätzen die Adsorptionsspannung der ersten Zielionen 124 außer Na⁺-Ionen an einigen der GO-Funktionsgruppen des Membranmaterials 120, das hierin offenbart wird. Beispielsweise identifiziert Tabelle 1 die berechnete Spannung von K-, Mg- und Ca-Adsorption an Hydroxyl- und Carboxyl-GO-Funktionsgruppen unter Verwendung von „First-Principles Density Functional Theory“ (DFT)-Berechnungen. TABELLE 1

Spannung vs. SHE K Mg Ca

Hydroxyl (-OH) -0,908 -0,915 -1,119

Carboxyl (-COOH) -0,865 -0,897 -0,832
Die hierin offenbarten Ergebnisse deuten daraufhin, dass Kationen außer Na-, Mg-, K- und Ca-Ionen ebenfalls durch die GO-basierte AEM 112 innerhalb (oder leicht außerhalb) des Wasserstabilitätsfensters angezogen werden können.
4 zeigt strukturell die Cl^--Ionenadsorption in dem hierin offenbarten Membranmaterial 120. Die Strukturen, die in 4 illustriert sind, umfassen Chlor (Cl), Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H). Diese Elemente werden in der Figur voneinander durch Verwendung verschiedener Füllmuster in den Kreisen unterschieden, die die Elemente nach der entsprechenden Legende darstellen. Das Membranmaterial 120 ist dargestellt als: reines Graphen in Panel a, GO mit Epoxid- (-O) Gruppe in Panel b, GO mit Carbonyl- (=O) Gruppe in Panel c, GO mit Hydroxyl- (-OH) Gruppe in Panel d, und GO mit Carboxyl- (-COOH) Gruppe in Panel e. 4 illustriert ferner die berechnete Cl^--Ionenadsorptionsspannung für jeden Fall, der in Panels a bis e illustriert ist. Wie dargestellt, stoßen alle GO-Sauerstofffunktionsgruppen (Panels b bis e) die Cl^--Ionen ab. In anderen Worten, diese GO-Sauerstofffunktionsgruppen verlangen eine sehr hohe Spannung (mehr als 3 eV), um die Cl^--Ionen anzuziehen. Im Gegensatz dazu ist es möglich, dass Cl^--Ionen zu reinem Graphen absorbieren, etwa, wenn ca. 0,4 V angelegt wird, wodurch eine C-Cl-C-epoxidähnliche Verbindung gebildet wird, wie in Panel a beschrieben. Zum Verringern der Anionendesorption in der AEM 112 können die GO-Funktionsgruppenpopulationen wie in dem oben genannten Verfahren der Steuerung der GO-Funktionsgruppendichte maximiert werden.
Weitere Berechnungen schätzen auch die DFT-Bindungsenergie von Wasser an den GO-Funktionsgruppen des hierin offengelegten Membranmaterials 120. Beispielsweise identifiziert die Tabelle 2 die Bindungsenergie von H₂O in eV/H₂O für die verschiedenen GO-Funktionsgruppen. TABELLE 2

GO-Funktionsgruppen Bindungsenergie von H₂O [eV/H₂O]

Epoxid (-O-) +1,191

Carbonyl (=O) +1,184

Carboxyl (-COOH) +1,273

Hydroxyl (-OH) +1,285
Basierend auf diesen Berechnungen ist mindestens ca. 1 eV notwendig, damit H₂O sich an die GO-Funktionsgruppen bindet. Daher wirkt sich die Verwendung der GO-basierten AEM 112, die hierin offenbart ist, nicht auf den H₂O-Transport durch die AEM aus. In anderen Worten, H₂O-Moleküle 132 durchdringen die AEM 112 wie in 1 illustriert.
Mit Blick auf 3 und 4, liegt die (De-)Sorptionsspannung der ersten Zielionen 124 in dem Membranmaterial 120 der hierin offenbarten AEM 112 etwa in dem Wasserstabilitätsfenster (d. h. ca. -1,0 bis 1,5 V vs. Standardwasserstoffelektrode (SHE)). In einigen Ausführungsformen kann die gemessene (De-)Sorptionsspannung der ersten Zielionen 124 leicht über das Wasserstabilitätsspannungsfenster hinausgehen, möglicherweise durch eines oder mehr aus kinetisch begrenzter Ionendiffusion, Aktivierungsüberpotenzial, Ohm'scher Widerstand und Passivierungsschichtbildung. Im Gegensatz dazu ist eine sehr hohe Energie notwendig, um die zweiten Zielionen 128 an die AEM 112 anzuziehen, wie etwa die Einzelanionenspezies F^-, Cl^-, Br^-, I^-, und S^2- und Anionenkomplexe wie ClO₄ ^-, ClO₃ ^-, ClO₂ ^-, BrO₄ ^-, BrO₃ ^-, SO₄ ^2-, SiO₃ ^2-, und CN^-. Daher dringen die zweiten Zielionen 128 frei durch die AEM 112. In anderen Worten, die gesteuerte Modifizierung der Sauerstofffunktionsgruppen in Graphenoxid (GO) erlaubt eine reversible Kation- (z. B. Na, Mg, K und Ca) (De-)Sorption innerhalb des Wasserstabilitätsfensters durch Einschluss von Kationen in den Hydroxyl- (-OH) und Carboxyl- (-COOH) Gruppen des Membranmaterials 120. Die Anionen wie das Cl^--Ion werden nicht durch die Sauerstofffunktionsgruppen gebunden, die an dem GO vorhanden sind, was eine schnelle Anionendiffusion durch das GO ermöglicht.
Erneut mit Verweis auf 1, umfasst die Vorrichtung 100 in einigen Ausführungsformen ferner eine externe Schaltung an der AEM 112, die konfiguriert ist, eine Spannungsvorbeaufschlagung an die AEM anzulegen. Eine HCDI-Vorrichtung mit einer AEM, die keinen Spannungsausgang hat (wie etwa die Vorrichtung 500 aus 5), erfährt eine effektive „natürliche“ Spannung V_N, _eff. , die von der angelegten Spannung, V_IN , zu der Erde an den Elektroden reicht. Um effizienteren und schnelleren Ionenaustausch zu ermöglichen, wird die Vorrichtung 100 ferner konfiguriert, eine neue Membranspannung V_M im Vergleich zur Erde an die AEM 112 anzulegen. In einigen Ausführungsformen wird die Membranspannung V_M in einem Bereich von 0 bis +0,5 V angelegt. In einigen Ausführungsformen werden eine oder mehr der natürlichen Spannung V_N,eff. und der Membranspannung V_M gesteuert und eingestellt, um die Adsorptions- und Desorptionsrate bestimmter Kationen und Anionen in dem AEM 112 zu steuern.
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Designstrategie zur Verwendung der AEM 112 der Vorrichtung 100 mit einer gesteuerten Redox-Spannung illustriert. Die Natriumionen sind die dominanteste Spezies im Meereswasser, bei der eine langsame Diffusion durch die Tendenz auftritt, an den negativ-geladenen Spezies an dem AEM absorbiert zu werden, während Anionen (z. B. Cl^-) durch die AEM dringen. Andere Kationen wie K⁺, Ca²⁺ und Mg²⁺ verlangen ein geringeres Potenzial für eine reversible Reaktion, die innerhalb (oder leicht außerhalb) des Wasserstabilitätsfensters (d. h. -0,401 zu +1,23 V, abhängig von dem pH-Wert) konkurrieren kann. Es liegen geringere Konzentrationen solcher Kationen (z. B. K⁺, Ca²⁺ und Mg²⁺) in dem Meerwasser vor, wobei jedoch die reversible Extrahierung dieser Kationen dennoch stark wünschenswert ist. Die Elektroden 104, 108 umfassen in einigen Ausführungsformen andere Oxidmaterialien, die hierin besprochen werden, um das Gesamtspannungsfenster anzupassen. Die Spannung in der gezeichneten y-Achse ist nicht maßstabsgerecht.
Die grundlegenden Betriebsgrundsätze der Vorrichtung 100 aus 1 für die abwechselnde Erzeugung von Süßwasser und Solewasser in dem ersten Abteil 113 bzw. dem zweiten Abteil 115 sind ähnlich wie der bezüglich der Vorrichtung 500 aus 5 besprochene. Die Vorrichtung 100 umfasst jedoch die Graphenoxid (GO)-basierte AEM 112, die Sauerstofffunktionsgruppen wie Hydroxyl (-OH) und Carboxyl (-COOH) maximiert, um den Einschluss von Kationen (z. B. Na, Mg, Ca und K) zu ermöglichen. Weiterhin legt die Vorrichtung 100 eine Membranspannung V_M an die AEM 112 an, um effektiveren Kationeneinschluss und verbesserte Anionendiffusionen durch die AEM zu erlauben.
Die Vorrichtung 100 in der dargestellten Ausführungsform umfasst symmetrische Elektroden 104, 108, die in der hierin offenbarten AEM 112 verwendet werden sollen. Die symmetrischen Elektroden 104, 108 erlauben eine ständige Erfassung von sauberem Wasser in aufeinander folgenden Zyklen zur Wasserreinigung. Die Vorrichtung umfasst in anderen Ausführungsformen die hierin offenbarte AEM 112, verwendet in Verbindung mit asymmetrischen Elektroden (nicht dargestellt), wenn die Konzentration von Alkalimetall innerhalb des Metalloxids sich zwischen den Elektroden unterscheiden kann. In weiteren Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung zwei verschiedene Elektrodenmaterialien, die an eine Anode und eine Kathode in jedem der zwei Abteile eingebaut ist. Ein Abteil ist mit einem Reservoir verbunden, um Salz zu sammeln und/oder abzuscheiden, und das andere Abteil ist mit dem sauberen Wasserstrom und abwechselnd ausgegebenen gereinigten Wasser verbunden. Die Vorrichtung kann in diesen weiteren Ausführungsformen einen zusätzlichen Zyklus benötigen, um die Elektroden zu regenerieren.
6 zeigt ein Verfahren 600 zum Entsalzen von Wasser mit einer HCDI-Vorrichtung, wie etwa der Vorrichtung 100, die mit Verweis auf 1 bis 4 beschrieben ist. Das Verfahren 600 umfasst das Füllen der ersten und zweiten Abteile 113, 115 des Containers 102 mit einer Salzwasserlösung, die eine erhöhte Konzentration von gelösten Salzen 124, 128 aufweist (Block 602). Die ersten und zweiten Elektroden 104 werden in einer Vorwärtsrichtung oder einer Rückwärtsrichtung betrieben, abhängig von der Richtung, in der die ersten und zweiten Elektroden zuvor betrieben wurden (Block 604). Wenn die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 in der Vorwärtsrichtung betrieben werden, wird die Spannung V_IN an die erste Elektrode 104 angelegt und die zweite Elektrode 108 ist mit der Erde verbunden. Die erste Elektrode 104 ist konfiguriert, Kationen 124 von der ersten Elektrode 104 in die Salzlösung in dem ersten Abteil 113 zu deinterkalieren, wenn der Betrieb in der Vorwärtsrichtung stattfindet. Die zweite Elektrode 108 ist konfiguriert, Kationen 124 von der Salzlösung in dem zweiten Abteil 115 in die zweite Elektrode 108 zu interkalieren, wenn der Betrieb in der Vorwärtsrichtung stattfindet.
Wenn die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 in der Rückwärtsrichtung betrieben werden, wird die Spannung V_IN an die zweite Elektrode 108 angelegt und die erste Elektrode 104 ist mit der Erde verbunden. Die zweite Elektrode 104 ist konfiguriert, Kationen 124 von der zweiten Elektrode 104 in die Salzlösung in dem zweiten Abteil 115 zu deinterkalieren, wenn der Betrieb in der Rückwärtsrichtung stattfindet. Die erste Elektrode 104 ist konfiguriert, Kationen 124 von der Salzlösung in dem ersten Abteil 113 in die erste Elektrode 104 zu interkalieren, wenn der Betrieb in der Rückwärtsrichtung stattfindet. Während die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung (Block 604) betrieben werden, wird eine Membranspannung V_M an die AEM 112 über eine externe Schaltung (Block 606) angelegt. Während die Membranspannung V_M an die AEM (Block 606) angelegt wird, verringert sich eine erste Diffusionsrate d₁ der Kationen 124 durch die AEM 112 und eine zweite Diffusionsrate d₂ von Anionen 128 durch die AEM erhöht sich relativ zu den ersten bzw. zweiten Diffusionsraten, wenn die Membranspannung V_M nicht an die AEM angelegt ist.
Das Verfahren 600 erzeugt eine Solewasserlösung in dem ersten Abteil 113 und eine Süßwasserlösung in dem zweiten Abteil 115, wenn Blocks 604 und 606 gleichzeitig ausgeführt werden, und die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 in der Vorwärtsrichtung betrieben werden. Die Sole- und Süßwasserlösungen werden in dem zweiten Abteil 115 bzw. dem ersten Abteil 113 erzeugt, wenn Blocks 604 und 606 gleichzeitig ausgeführt werden und die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 in der Rückwärtsrichtung betrieben werden. Die Solewasserlösung weist eine höhere Konzentration gelöster Salze 124, 128 auf als die Konzentration der gelösten Salze in der Salzwasserlösung, die anfänglich in das erste Abteil 113 gefüllt wurde. Die Süßwasserlösung weist eine geringere Konzentration gelöster Salze 124, 128 auf als die Konzentration der gelösten Salze in der Salzwasserlösung, die anfänglich in das zweite Abteil 115 gefüllt wurde.
Das Verfahren 600 umfasst ferner das separate Extrahieren der Solewasserlösung und der Süßwasserlösung aus den ersten und zweiten Abteilen 113, 115 (Block 608). Die Extrahierung von Sole- und Süßwasserlösungen aus dem Container 102 kann erfolgen, wenn sich eine Menge der Kationen 124, die in die ersten oder zweiten Elektroden 104, 108 eingeführt wurden, der Kapazität der Elektrode nähert oder diese erreicht. Wenn ein anderer Reinigungszyklus ausgeführt werden soll (Block 610), schaltet das Verfahren 600 zurück zu Block 602, wo die ersten und zweiten Abteile 113, 115 des Containers 102 mit der Salzwasserlösung gefüllt werden. Wenn ein anderer Reinigungszyklus nicht ausgeführt wird (Block 610), endet das Verfahren 600 (Block 612).
Das Verfahren 600 kann in einigen Ausführungsformen eine Reinigungsoperation nach dem Extrahieren der Sole- und Süßwasserlösungen (Block 608) und vor dem Nachfüllen der ersten und zweiten Abteile 113, 115 zur Vorbereitung auf einen nachfolgenden Reinigungszyklus (Block 602) enthalten. Der Reinigungsbetrieb reinigt die ersten und zweiten Elektroden 104, 108 und die AEM 112 durch Eintauchen der Elektroden und der AEM in sauberes Wasser, Säure (d. h. HCl) oder Lauge (d. h. NaOH). Der Reinigungsbetrieb kann mit regelmäßigen Intervallen oder nach Bedarf auftreten. Nach dem Abschluss des Reinigungsbetriebs kann das Verfahren 600 enden (Block 612) oder einen weiteren Reinigungszyklus nach Blocks 602 bis 608 ausführen.
Während die Offenbarung in den Zeichnungen und der obigen Beschreibung illustriert und ausführlich beschrieben wurde, sollten diese als illustrativ und nicht restriktiv betrachtet werden. Es versteht sich, dass nur die bevorzugten Ausführungsformen dargestellt wurden, und dass alle Änderungen, Modifikationen und weiteren Anwendungen, die in den Geist der Offenbarung fallen, ebenfalls geschützt sein sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62751006 [0001]

Claims

Anionenaustauschmembran für eine Entsalzungsvorrichtung, umfassend: einen Membranträger, der eine poröse erste Seite, eine poröse zweite Seite und eine fortlaufende poröse Struktur umfasst, die sich von der ersten Seite zur zweiten Seite erstreckt, wobei die fortlaufende poröse Struktur Graphenoxid- (GO) Blätter und mehrere negativ geladene Sauerstofffunktionsgruppen, die mit den GO-Blättern gekoppelt sind, umfasst.
Anionenaustauschmembran nach Anspruch 1, wobei die mehreren negativ geladenen Sauerstofffunktionsgruppen eine oder mehr Hydroxylgruppen und Carboxylgruppen umfassen.
Anionenaustauschmembran nach Anspruch 1, wobei die mehreren negativ geladenen Sauerstofffunktionsgruppen eine oder mehr Epoxidgruppen und Carbonylgruppen umfasst.
Anionenaustauschmembran nach Anspruch 1, wobei die fortlaufende poröse Struktur eine Mischung aus den GO-Blättern und mindestens ein weiteres Polymer umfasst, das elektrisch leitfähig ist.
Anionenaustauschmembran nach Anspruch 4, wobei das mindestens eine weitere Polymer eines oder mehr von Polyethylenoxid (PEO), Poly(pyrrol)en (PPY), Polyanilinen (PANI), Poly(thiophen)en (PT), Poly(3,4-Ethylendioxythiophen) (PEDOT), Poly(p-phenylensulfid) (PPS), Poly(acetylen)en (PAC), und Poly(p-phenylenvinylen) (PPV) umfasst.
Anionenaustauschmembran nach Anspruch 1, wobei die fortlaufende poröse Struktur eine Mischung aus den GO-Blättern und mindestens ein weiteres Polymer umfasst, das ionisch leitfähig und nicht elektronisch leitfähig ist.
Anionenaustauschmembran nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine weitere Polymer eines oder mehrere aus querverbundenem Polyvinylalkohol (PVA), querverbundenem Polymethylmethacrylat (PMMA), und Polyphenylenvinylen (PPV) umfasst.
Anionenaustauschmembran nach Anspruch 6, wobei die fortlaufende poröse Struktur eines oder mehr aus Grafit, hartem Kohlenstoff, weichem Kohlenstoff und Ruß umfasst.
Entsalzungsvorrichtung, umfassend: einen Container, konfiguriert, eine Salzwasserlösung zu enthalten, die eine erhöhte Konzentration gelöster Salze aufweist; eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, angeordnet in einem ersten Abteil bzw. einem zweiten Abteil des Containers, wobei die ersten und zweiten Elektroden konfiguriert sind, in flüssiger Kommunikation mit der Salzwasserlösung angeordnet zu sein; eine Anionenaustauschmembran (AEM), die die ersten und zweiten Abteile trennt, wobei die AEM eine poröse Membranstruktur und mehrere negativ geladene Sauerstofffunktionsgruppen aufweist, die mit der porösen Membranstruktur gekoppelt sind; und eine Energiequelle, die konfiguriert ist, selektiv eine Spannung an eine der ersten oder zweiten Elektroden anzulegen, wobei die AEM eine selektive Permeabilität aufweist, wenn die Spannung angelegt wird, sodass Kationen in der Salzwasserlösung eine erste Diffusionsrate d₁ durch die Membran aufweisen und Anionen in der Salzwasserlösung eine zweite Diffusionsrate d₂ durch die Membran aufweisen, wobei 0 ≤ d₁ < d₂.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die poröse Membranstruktur Graphenoxidblätter umfasst.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die mehreren negativ geladenen Sauerstofffunktionsgruppen eine oder mehr Hydroxylgruppen und Carboxylgruppen umfassen.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die mehreren negativ geladenen Sauerstofffunktionsgruppen eine oder mehr Epoxidgruppen und Carbonylgruppen umfassen.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Energiequelle konfiguriert ist, eine Membranspannung an die AEM über eine externe Schaltung anzulegen, und die Membranspannung konfiguriert ist, die erste Diffusionsrate d₁ der Kationen durch die AEM zu verringern und die zweite Diffusionsrate d₂ der Anionen durch die AEM zu erhöhen.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Membranspannung in einem Bereich von 0 bis ± 0,5 V angelegt wird.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine (De-)Sorptionsspannung der Kationen in und aus der AEM in einem Bereich von -1,0 bis 1,5 V relativ zu einer Standardwasserstoffelektrode liegt.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die poröse Membranstruktur Graphen mit einer oder wenigen Lagen umfasst, wobei die Lagen im Bereich von 1 bis 8 Lagen liegen.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die ersten und zweiten Elektroden symmetrische Elektroden sind, die ein identisches Interkalationsmaterial enthalten.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Interkalationsmaterial eines aus dotiertem oder undotiertem kubischem Spinell-MnO₂, tunnelstrukturiertem orthorhombischem Na₄Mn₉O₁₈, oder NaM₂(PO₄)₃ ist, wobei M = Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, oder Kombinationen daraus.
Entsalzungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die ersten und zweiten Elektroden asymmetrische Elektroden sind, die jeweils ein Elektrodenmaterial enthalten, das aus einem Metalloxid besteht, wobei eine Konzentration von Alkalimetall innerhalb des Metalloxids konfiguriert ist, sich zwischen den Elektrodenmaterialien zu unterscheiden.
Verfahren zur Entsalzung von Wasser, umfassend: Füllen der ersten und zweiten Abteile eines Containers mit einer Salzwasserlösung, die eine erhöhte Konzentration von gelösten Salzen aufweist, wobei der Container erste und zweite Elektroden umfasst, die in den ersten bzw. zweiten Abteilen angeordnet sind, und eine Anionenaustauschmembran (AEM), die die ersten und zweiten Abteile trennt; Betreiben der ersten und zweiten Elektroden in einer Vorwärtsrichtung oder einer Rückwärtsrichtung zur Freigabe von Kationen in eines der ersten und zweiten Abteile und zum Entfernen von Kationen von dem anderen der ersten und zweiten Abteile; und Anlegen einer Membranspannung an die AEM bei Betrieb der ersten und zweiten Elektroden, wobei die Membranspannung relativ zu den ersten bzw. zweiten Diffusionsraten eine erste Diffusionsrate der Kationen durch die AEM senkt, und eine zweite Diffusionsrate von Anionen durch die AEM erhöht, wenn die Membranspannung nicht an die AEM angelegt wird.