Получение бентонит-модифицированных биполярных ионообменных мембран и изучение их электрохимических характеристик

Автор: С.И. Нифталиев, О.А. Козадерова, К.Б. Ким, П.Е. Белоусов, А.В. Тимкова, И.А. Головков

Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet

Рубрика: Химическая технология

Статья в выпуске: 3 (89), 2021 года.

Бесплатный доступ

Получены экспериментальные образцы биполярных ионообменных мембран, изготовленных из жидкого сульфокатионообменника (ЛФ-4СК) с бентонитовыми глинами (природным образцом и органомодифицированным) и анионообменной мембраны МА-41. В качестве органомодификатора использовали четвертичную аммониевую соль - алкилдиметилбензиламмония хлорид (ПАВ). В результате обработки бентонита ПАВ его поверхность становится органофильной и более совместимой с органическим полимером, а также увеличивается межплоскостное расстояние. Экспериментальные биполярные мембраны имеют лучшие характеристики с точки зрения генерации водородных и гидроксильных ионов при конверсии сульфата натрия, чем гетерогенные биполярные мембраны с аналогичными функциональными группами в катионо- и анионообменном слое, выпускаемые серийно. Биполярная мембрана с добавлением органоглины (2% мас.) показала более высокую производительность по H+ - ионам по сравнению с мембраной, содержащей в катионообменном слое природные, не модифицированные образцы бентонита. Кроме увеличения концентрации целевых продуктов для варианта применения органомодифицированного бентонита в катионообменном слое опытного образца мембраны отмечается существенное уменьшение энергозатрат на единицу целевого продукта. Влияние бентонитовой глины на характеристики биполярной мембраны объясняется наличием в составе глины гидроксильных и кремниевых групп, являющихся катализаторами диссоциации молекул воды. Разработана технологическая схема получения экспериментальной биполярной бентонит-модифицированной мембраны, основными стадиями которой являются: подготовка бентонита (сушка и измельчение); обработка бентонитовой глины алкилдиметилбензиламмония хлоридом; обработка суспензии органоглины и жидкого сульфокатионообменника ЛФ-4СК ультразвуком; нанесение полученной суспензии на мембрану-подложку - анионообменную мембрану с четвертичными аммониевыми группами МА-41.

Еще

Электродиализ, биполярная мембрана, модифицирование, бентонит, органобентонит, сульфат натрия, кислота, щелочь

Короткий адрес: https://readera.org/140259883

IDR: 140259883   |   DOI: 10.20914/2310-1202-2021-3-216-225

Список литературы Получение бентонит-модифицированных биполярных ионообменных мембран и изучение их электрохимических характеристик

  • Каталог продукции. URL: http://azotom.ru/bipolyarnye-membrany
  • Fathizadeh M., Aroujalian A., Raisi A. Effect of added NaXnano-zeolite into polyamide as a top thin layer of membrane on water flux and salt rejection in a reverse osmosis process // J. Memb. Sci. 2011. №. 375. P. 88-95.
  • Hosseini S.M., Madaeni S.S., Zendehnam A., Moghadassi A.R., et al. Preparation and characterization of PVC based heterogeneous ion exchange membrane coated with Ag nanoparticles by (thermal-plasma) treatment assisted surface modification // J. Ind. Eng. Chem. 2013. V. 19. №. 3. P. 854-862. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2012.10.031
  • Zendehnam A., Arabzadegan M., Hosseini S.M., Robatmili N. et al. Fabrication and modification of polyvinylchloride based heterogeneous cation exchange membranes by simultaneous using Fe-Ni oxide nanoparticles and Ag nanolayer: physico-chemical and antibacterial characteristics // Korean J. Chem. Eng. 2013. V. 30. №. 6. P. 1265-1271. https://doi.org/10.1007 / s11581-019-03137-8
  • Zarrinkhameh M., ZendehnamA., Hosseini S.M. Preparation and characterization of nanocomposite heterogeneous cation exchange membranes modified by silver nanoparticles // Korean J. Chem. Eng. 2014. V. 31. №. 7. P. 1187-1193. https://doi.org/10.1007/s11814-014-0051-1
  • Huang M., Shen Y., Cheng W.et al. Nanocomposite films containing Au nanoparticles formed by electrochemical reduction of metal ions in the multilayer films as electrocatalyst for dioxygen reduction // Analytica Chemical Acta. 2005. V. 535. №. 1. P. 15-22.
  • Camargo P.H.C., Satyanarayana K.G., Wypych F. Nanocomposites: synthesis, structure, properties and new application opportunities // Mater. Res. 2009. V. 12. №. 1. P. 1-39.
  • Ярославцев А.Б., Никоненко В.В., Заболоцкий В.И. Ионный перенос в мембранных и ионообменных материалах // Успехи химии. 2003. T. 72. № 5. C. 438-470. https://doi.org/10.1070/RC2003v072n05ABEH000797
  • Dom?nech B., Bastos - Arrieta J., Alonso A., Macan?s J. et al. Bifunctional Polymer-Metal Nanocomposite Ion Exchange Materials. In book: Ion Exchange Technologies // Chapter: Bifunctional Polymer-Metal Nanocomposite Ion Exchange Materials. 2012. pp. 35-72. https://doi.org/10.5772/51579
  • Ярославце А.Б. Взаимосвязь свойств гибридных ионообменных мембран с размерами и природой частиц допанта // Российские нанотехнологии. 2012. T. 7. № 9-10. с. 8-18.
  • Кравченко Т.А., Сакардина Е.А., Калиничев А.И., Золотухина Е.В. Стабилизация поверхностно- и объемно-распределенных наночастиц меди в ионообменной матрице // Журн. физич. хим. 2015. Т. 89. № 9. C. 1436-1442. https://doi.org/10.7868/S0044453715080178
  • Kang M.S. Electrochemical characteristics of ion-exchange membranes coated with iron hydroxide/oxide and silica sol. J. Colloid and Interface Science. 2003. V. 273. №. 2. P. 523-532.
  • Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И., Ганыч В.В. Влияние нерастворимых гидроксидов металлов на скорость реакции диссоциации воды на катионообменной мембране // Электрохимия. 1994. Т. 30. № 12. C. 1458-1461.
  • Мельников С.С., Шаповалова О.В., Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И. Влияние гидроксидов dметаллов на диссоциацию воды в биполярных мембранах // Мембраны и мембранные технологии. 2011. Т. 1. № 2. С. 149-156.
  • Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И., Алпатова Н.В. Влияние гидроксидов тяжелых металлов на диссоциацию воды в биполярной мембране // Политематический сетевой электронный научный журн. Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 114. С. 275-287.
  • Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И. Биполярные ионообменные мембраны. Получение. Свойства. Применение. В кн.: Мембраны и мембранные технологии. М.: Научный мир, 2013. 612 с.
  • Kozaderova O.A. Electrochemical characterization of an MB2 bipolar membrane modified by nanosizedchromium(III) hydroxide. Nanotechnologies in Russia. 2018. V. 13. №. 9-10. P. 508-515. https://doi.org/10.1134/S1995078018050075
  • Buruga K., Song H., Shang J., Bolan N. et al. A review on functional polymer-clay based nanocomposite membranes for treatment of water // J. Hazard. Mater. 2019. V. 379. P. 120584.
  • Caprarescu S., Ianchis R., Radu A. - L., Sarbu A. et al. Synthesis, characterization and efficiency of new organically modified montmorillonite polyethersulfone membranes for removal of zinc ions from wastewasters // Applied Clay Science. 2017. V. 137. №. 1. P. 135-142. https://doi.org/10.1016/j.clay.2016.12.013
  • Hosseini S.M., Seidypoor A., Nemati M., Madaeni S.S. et al. Mixed matrix heterogeneous cation exchange membrane filled with clay nanoparticles: membranes’ fabrication and characterization in desalination process // Journal of Water Reuse and Desalination. 2016. V. 6. P. 290-300. https://doi.org/10.2166/wrd.2015.064
  • Radmanesh F., Rijnaarts T., Moheb A., Sadeghi M. et al. Enhanced selectivity and performance of heterogeneous cation exchange membranes through addition of sulfonated and protonated. Montmorillonite // Journal of Colloid and Interface Science. 2019. V. 553. №. 1. P. 658-670. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.08.100
  • Peng F., Peng Sh. Huang Ch, Xu T. Modifying bipolar membranes with palygorskite and FeCl3 // Journal of Membrane Science. 2008. V. 322. P. 122-127 https://doi.org/10.1016/j.memsci.2008.05.027
  • Белоусов П.Е., Покидько Б.В., Закусин С.В., Крупская В.В. Количественные методы определения содержания монтмориллонита в бентонитовых глинах // Георесурсы. 2020. T. 22. № 3. С. 38-47. https://doi.org/10.18599/grs.2020.3.38-47
  • Боева Н.М., Бочарникова Ю.И., Наседкин В.В. и др. Термический анализ - экспресс-метод оценки качественных и количественных характеристик природных и синтезированных органоглин // Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8. № 3-4. С. 54-57.
  • Наседкин В.В., Демиденок К.В., Боева Н.М. и др. Органоглины. Производство и основные направления использования // Актуальные инновационные исследования: наука и практика. 2012. Т. 3. С. 1-19.
  • Березина Н.П., Кононенко Н.А., Дворкина Г.А., Шельдешов Н.В. Физико-химические свойства ионообменных материалов. Краснодар: Изд-во Кубан. гос. унта, 1999. 82с
  • Zabolotskii V., Sheldeshov N., Melnikov S. Effect of cation-exchange layer thickness on electrochemical and transport characteristics of bipolar membranes // J. Appl. Electrochem. 2013. V. 43. №. 11. P. 1117-1129. https://doi.org/10.1007/s10800-013-0560-3
  • Свойства мембран. URL:http://www.ralex.eu/Membrany/Uvod.aspx
  • Pat. № 5, US. Bipolar membrane and method for its production / Hanada F., Hirayama K., Ohmura N., Tanaka S. 1993.
  • Fu R.Q., Xu T.W., Cheng Y.Y., Yang W.H. et al. Fundamental studies on the intermediate layer of a bipolar membrane. III. Effect of starburst dendrimer (PAMAM) on water dissociation at the interface of a bipolar membrane // J. Membr. Sci. 2004. V. 240. №. 1. P. 141-147.
  • Kang M.S., Choi Y.J., Lee H.J., Moon S.H. Effects of inorganic substances on water splitting in ion-exchange membranes. I. Electrochemical characteristics of ion exchange membranes coated with iron hydroxide/oxide and silica sol // J. Colloid Interface Sci. 2004. V. 273. №. 2. P. 523-532. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.01.050
Еще
Статья научная