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Effect of HIx solution concentration on ion-exchange membrane performance in electro-electrodialysis

電解電気透析法におけるイオン交換膜に対するHIx溶液濃度の影響

田中 伸幸 ; 八巻 徹也*; 浅野 雅春*; 寺井 隆幸*

Tanaka, Nobuyuki; Yamaki, Tetsuya*; Asano, Masaharu*; Terai, Takayuki*

熱化学水素製造法ISプロセスでは、HI-I$$_{2}$$-H$$_{2}$$O (HIx)溶液のHI濃縮のため、イオン交換膜を用いた電解電気透析法(EED)が適用されている。本報では、濃縮に伴う溶液濃度の変化が膜のH$$^{+}$$透過性能に対して与える影響について、導電率($$sigma$$)及び輸率($$t_{+}$$)の2つの指標を用いて、Nafion212及び放射線グラフト膜に対して実験的及び理論的に評価した。EEDの数理モデルに基づく理論解析から、$$sigma$$及び$$t_{+}$$はH$$^{+}$$及びI$$^{-}$$イオンの膜に対する含有量及び膜中の拡散係数により決まることが示される。また、実験結果から、イオン含有量に対するHIx溶液濃度依存性は十分小さいことが示され、イオンの拡散係数に対する溶液濃度依存性が$$sigma$$及び$$t_{+}$$の濃度依存性に対する支配因子となることが明らかとなった。加えて、本報では膜中のH$$^{+}$$及びI$$^{-}$$の拡散機構について考察し、各イオンの拡散に対して、I$$_{2}$$及びH$$_{2}$$Oが強く関与していることが示唆された。これは、膜に対するI$$_{2}$$及びH$$_{2}$$Oの親和性を制御することで、H$$^{+}$$透過性能を制御可能であることを示すものである。

Electro-electrodialysis (EED) has been applied to thermochemical water-splitting iodine-sulfur process for hydrogen production in order to enhance the HI component in the HI-I$$_{2}$$-H$$_{2}$$O mixture (HIx solution). In this paper, HIx solution concentration dependence of the conductivity ($$sigma$$) and transport number ($$t_{+}$$) as the membrane-performance indexes of Nafion 212 and a styrene-grafted poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (ETFE) membrane was experimentally investigated. From the theoretical analysis for the measurements based on the new EED model, the effects of the H$$^{+}$$ and I$$^{-}$$ content and the diffusion coefficients of H$$^{+}$$ and I$$^{-}$$ in the evaluated membranes on $$sigma$$ and $$t_{+}$$ were as follows: HIx solution concentration dependence of ion contents exhibited a significantly small or different variation in comparison with that of $$sigma$$ and t$$_{+}$$, which indicates that the dominant factors for $$sigma$$ and $$t_{+}$$ would not be ion contents; thereby, the effect of ion diffusion coefficients should not be ruled out. For $$sigma$$ of Nafion 212, H$$^{+}$$ diffusion is the dominant factor because the existence of I$$^{-}$$ was negligible, whereas for the ETFE-St membrane, the effect of I$$^{-}$$ diffusion should be considered. I$$^{-}$$ diffusion could more strongly affect $$t_{+}$$ for the evaluated membranes rather than H$$^{+}$$ diffusion, which indicates that H$$^{+}$$ selectivity of the membranes could be relatively determined by the variation of the I$$^{-}$$ behavior in the membranes.

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分野:Engineering, Chemical

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