Έλεγχος αγωγιμότητας μεμβρανών και βελτιστοποίηση ηλεκτροδίων σε κελί ηλεκτροδιάλυσης θαλασσινού νερού
Creators: name: Κιουλάφας, Στυλιανός Ευστρατίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Ηλεκτροδιάλυση
Φασματοσκοπία Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης
Ηλεκτρόδια
Electrodialysis
Electrochemical Impedance Spectroscopy
Electrodes

description: Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη μιας αποτελεσματικής, in situ μεθόδου ελέγχου της αγωγιμότητας των μεμβρανών και η ανάπτυξη βελτιωμένων ηλεκτροδίων, για διεργασία ηλεκτροδιάλυσης. Η διάταξη ηλεκτροδιάλυσης χρησιμοποιείται για την συμπύκνωση θαλασσινού νερού προς παραγωγή διαλύματος ρινικής έκπλυσης από την εταιρεία «Farmacosmetic-Diafarm». Αρχικά, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία που βασίζεται σε μετρήσεις φασματοσκοπίας ηλεκτροχημικής εμπέδησης (EIS) για την ταυτόχρονη παρακολούθηση της κατάστασης αγωγιμότητας των μεμβρανών και διαχωριστικών μιας εμπορικής διάταξης ηλεκτροδιάλυσης, τόσο κατά την λειτουργία (in situ) όσο και σε παύση (ex situ). Για το σκοπό αυτό, οι μεμβράνες της διάταξης ηλεκτροδιάλυσης ομαδοποιήθηκαν σε έξι (6) αντιπροσωπευτικές ομάδες, των οκτώ (8) μεμβρανών, οι οποίες διαχωρίστηκαν με φύλλα χρυσού (Au) για την ταυτόχρονη λήψη των επιμέρους φασμάτων εμπέδησης. Από τα διαγράμματα Nyquist υπολογίστηκε η αγωγιμότητα των μεμβρανών και στην συνέχεια έγινε σύγκριση των τιμών τόσο μεταξύ των δύο καταστάσεων (in situ και ex situ) όσο και με τις τιμές του κατασκευαστή (RALEX®) για καινούριες μεμβράνες. Οι μέσες τιμές των επιφανειακών αντιστάσεων για κάθε μεμβράνη (10 Ω·cm2) βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με τις τιμές του κατασκευαστή (AMH-PES:&lt;7.5 Ω·cm2 και CMH-PES:&lt;8 Ω·cm2), γεγονός που αποδεικνύει την αποτελεσματικότητα της τεχνικής EIS ως μεθόδου in-situ διαγνωστικού ελέγχου σε μονάδα ηλεκτροδιάλυσης. Παράλληλα, έγινε ανάπτυξη νέων ηλεκτροδίων, τα οποία αποτελούνταν από πλάκες τιτανίου (Ti) στις οποίες εναποτέθηκαν πολύ λεπτά στρώματα Pt και Ir, μέσω γαλβανικής απόθεσης με εμβάπτιση σε κατάλληλα διαλύματα. Τα ηλεκτρόδια που αναπτύχθηκαν μελετήθηκαν σε δύο συνδυασμούς: (i) άνοδος: Ir-Pt/Ti, κάθοδος: Pt/Ti και (ii) άνοδος και κάθοδος: Pt/Ti. Για τον έλεγχο της απόδοσης και σταθερότητας των ηλεκτροδίων λήφθηκαν καμπύλες γραμμικής βολταμμετρίας αργής σάρωσης (LSV) σε εύρος δυναμικών από 1 έως 20 V και χρονο-ποτενσιομετρίας. Τα νέα ηλεκτρόδια αν και παρουσίασαν ικανοποιητική σταθερότητα σε σχέση με τα εμπορικά ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται (άνοδος: Pt, κάθοδος: Pb), δεν διέθεταν τόσο ικανοποιητική απόδοση. Η συγκεκριμένη μέθοδος της γαλβανικής απόθεσης για παρασκευή ηλεκτροδίων αν και ήταν εν μέρη είναι επιτυχής, ενέχει περαιτέρω έρευνα.
description: The aim of this thesis was to develop an efficient, in situ method of controlling the conductivity of the membranes and to develop improved electrodes, for an electrodialysis process. The electrodialysis device is used to concentrate seawater for the production of nasal lavage solution by “Farmacosmetic-Diafarm”. Initially, a methodology based on electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements was developed to simultaneously monitor the conductivity state of the membranes and separators of a commercial electrodialysis device, both during operation (in situ) and during shutdown (ex situ). For this purpose, the membranes of the electrodialysis device were grouped into six (6) representative groups, of eight (8) membranes, which were separated by gold (Au) sheets for simultaneous acquisition of individual impedance spectra. The conductivity of the membranes was calculated from the Nyquist plots and then the values were compared both between the two states (in situ and ex situ) and with the manufacturer's values (RALEX®) for new membranes. The average surface resistivity values for each membrane (10 Ω·cm2) are in very good agreement with the manufacturer's values (AMH-PES:&lt;7.5 Ω·cm2and CMH-PES:&lt;8 Ω·cm2), demonstrating the effectiveness of the EIS technique as an in-situ diagnostic method in an electrodialysis unit. In parallel, new electrodes were developed, which consisted of titanium (Ti) plates on which very thin layers of Pt and Ir were deposited by galvanic deposition by immersion in suitable solutions. The developed electrodes were studied in two combinations: (i) anode: Ir-Pt/Ti, cathode: Pt/Ti and (ii) anode and cathode: Pt/Ti. Slow scan linear voltammetry (LSV) curves in the potential range from 1 to 20 V and time-lapse voltammetry were obtained to check the performance and stability of the electrodes. Although the new electrodes showed satisfactory stability compared to the commercial electrodes used (anode: Pt, cathode: Pb), they did not have such satisfactory performance. This particular method of galvanic deposition for electrode preparation, although it was partially successful, involves further research.