Acid–base machines: electrical work from neutralization reactions

Abstract

We have developed an electrochemical system that performs electrical work due to changes in alkaline ion and proton activities associated with acidic solution neutralization. This system can be used to treat wastewater, contributing to sustainable growth. The system includes an electrochemical machine that operates between an acidic and a basic reservoir to produce work in cycles comprising four stages: two isothermal ionic insertion/de-insertion steps and two steps involving acid and base injection. On the basis of the mixing free energy associated with the reaction free energy, we have developed the thermodynamic formalism by considering reversible electrochemical processes to determine the maximum work performed by this acid-base machine and the efficiency. Electrochemical methods in the time and frequency domains helped in investigating the kinetics of sodium ions and proton insertion in host matrices consisting of copper hexacyanoferrate and phosphomolybdic acid, respectively, to improve our understanding of the factors underlying dissipation as a function of pH and pNa. The full cell composed of these insertion electrodes was used as a proof of concept. It performed a maximum work of 26.4 kJ per mol of electro-inserted ion from HCl solution neutralization with the addition of NaOH, to simulate acidic wastewater treatment in a profitable and sustainable way.

Electrochemical Systems for Renewable Energy Conversion from Salinity and Proton Gradients

“…36 The NB electrochemical system might provide a valuable asset for renewable energy technologies; additionally, salt concentration gradients could also be used in order to enhance the energy harvesting. 82,83 NB could be applied during acidic wastewater treatment, thereby encouraging industrial wastewater treatment and contributing to the sustainable growth of companies that use practices that preserve the environment.…”

Sistemas eletroquímicos foto-assistidos para conversão e armazenamento de energia, e dessalinização

“…Gradientes iônicos artificiais podem também ser utilizados para a conversão de EGS. Neste sentido, nosso grupo vem propondo a utilização de gradientes iônicos associados à variação de prótons e sais, durante a neutralização de soluções ácidas (Facci et al, 2014;Gomes et al, 2015;Lima et al, 2017; et al, 2017), sensores eletroquímicos (Chen et al, 2017), dispositivos fotovoltaicos (Taghavi et al, 2018), supercapacitores (Palomino et al, 2017), entre outros, especialmente devido a sua estabilidade eletroquímica, a qual permite que o mesmo preserve sua estrutura mesmo após sucessivas reações redox, assim como, possibilita sua imobilização em matrizes automontadas (Gaspar et al, 2007;Olívio et al, 2018). (Sadakane e Steckhan, 1998;Dolbecq et al, 2010;Quintana et al, 2013;Facci et al, 2014;Olívio et al, 2018 (Wessells, Colin D. et al, 2012;Felts et al, 2017).…”

“…(Wessells, Peddada, et al, 2011;Wessells, Colin D. et al, 2012), além de cátions bivalentes como Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ e Ba 2+ (Wang et al, 2013;Shiga et al, 2015) (Wessells, Huggins, et al, 2011;Jia et al, 2014). Por suas propriedades estruturais e eletroquímicas, o CuHCF apresenta adequação para utilização como eletrodo para inserção de íons alcalinos em dispositivos para conversão de blue energy (Lima et al, 2017). (Gentile et al, 2015).…”

“…Adicionalmente, a utilização da foto-oxidação da água juntamente com a eletroinserção de prótons dispensou a necessidade de uma fonte externa utilizada em sistemas similares. For exemplo, os sistemas de CapMix e BME proveram valores de energia próximos a 1,6 e 2,5 kJ dm -3 de água, respectivamente, enquanto que a máquina ácidobase foto-assistida chegou a 10,8 kJ dm -3 de solução neutralizada (Brogioli, 2009;La Mantia et al, 2011;Facci et al, 2014;Gomes et al, 2015;Lima et al, 2017;. Bard e Faulkner, 2001;Wessells, Colin D. et al, 2012).…”

Captação de energia a partir de reações de neutralização

“…Para simular a máquina ácido-base fotoassistida, inicialmente realizou-se medidas em NaCl 0,05 mol.L -1 a pH = 2 e NaCl 0,6 mol.L -1 em pH = 6. Os picos voltamétricos mudaram para potenciais mais positivos à medida que a composição da solução eletrolítica passou de NaCl 0,05 mol.L -1 a pH = 2 a NaCl 0,6 mol.L -1 a pH = 6, sugerindo que os íons sódio participem do mecanismo de compensação de carga [10]. Assim, após a neutralização, considerou-se a realimentação de NaCl, com adição de sal recuperado de ciclos anteriores para aumentar a concentração desse eletrólito, e consequentemente, aumentar o trabalho realizado (w) [9].…”