Влияние природы соли органической кислоты на вольтамперные характеристики и спектры электрохимического импеданса анионообменных мембран
Аннотация
Для совершенствования процессов получения и выделения органических кислот из растворов необходимо понимание процессов, протекающих на гетерогенных и гомогенных анионообменных мембранах, находящихся в контакте с растворами солей органических кислот в условиях протекания через мембранную систему электрического тока. Целью данного исследования являлось изучение влияния натриевых солей уксусной, малоновой и лимонной кислот на вольтамперные характеристики (ВАХ) и спектры электрохимического импеданса (ЭХИ) гетерогенных и гомогенных анионообменных мембран.
Исследованы гетерогенная Ralex AMH (Mega, Чехия) и гомогенная Lancytom® AHT (LANRAN, Китай) мембраны, находящиеся в контакте с 0.1 моль-экв/л растворами средних и кислых натриевых солей уксусной, малоновой и лимонной кислот. В растворах средних солей ВАХ обеих мембран имеют вид, традиционный для растворов минеральных солей, за исключением гомогенной мембраны Lancytom® AHT в растворе малоната натрия. В последнем случае и в растворах кислых солей этих кислот ВАХ обеих мембран при токах меньше предельного имеют нелинейный вид. Это вызвано протеканием реакций переноса протона между молекулами воды и карбоксильными группами анионов кислот или молекулами кислот и приводит к возрастанию на много порядков константы скорости диссоциации молекул воды в растворах солей органических кислот. Частотные спектры ЭХИ позволяют по появле-
нию дополнительных полуокружностей в спектрах судить о возникновении новых процессов в мембранной системе при протекании через неё электрического тока.
В большинстве случаев результаты импедансных измерений исследованных систем согласуются с результатами вольтамперометрии, однако на частотных спектрах гетерогенной мембраны процессы протонирования – депротонирования в растворе с участием анионов органических кислот не находят отражения. Возможно, эта особенность вызвана большей интенсивностью электроконвекции около поверхности гетерогенных анионообменных мембран, чем в случае гомогенных анионообменных мембран
Скачивания
Литература
Kemperman A. J. B. Handbook bipolar membrane technology. Enschede: Twente University Press (TUP). 2000. 275 p. Available at: https://research.utwente.nl/en/publications/handbook-bipolar-membranetechnology
Hoek E. M. V., Tarabara V. V. (eds). Encyclopedia of membrane science and technology. Vol. 3. Hoboken, NJ: Wiley; 2013. 2328p . https://doi.org/10.1002/9781118522318
Tanaka Y. Ion exchange membranes. Fundamentals and applications, 2nd Edition. Amsterdam: Elsevier Science; 2015. 522 p. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-63319-4.00002-x
Jiang C., Wang Y., Xu T. Membranes for the recovery of organic acids from fermentation broths. Membrane Technologies for Biorefining. 2016: 135-161. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100451-7.00006-2
Ran J., Wu L., He Y., … Xu T. Ion exchange membranes: New developments and applications. Journal of Membrane Science. 2017;522: 267-291. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.09.033
Karaffa L., Ch. P. Kubicek Ch. P. Production of organic acids by fungi. In: Encyclopedia of Mycology. Óscar Zaragoza, Arturo Casadevall (eds.). Elsevier; 2021. pp. 406–419. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809633-8.21066-2
Szczygiełda M., Prochaska K. Effective separation of bio-based alpha-ketoglutaric acid from postfermentation broth using bipolar membrane electrodialysis (EDBM) and fouling analysis. Biochemical Engineering Journal. 2021;166: 107883. https://doi.org/10.1016/j.bej.2020.107883
Melnikov S. S., Nosova E. N., Melnikova E. D., Zabolotsky V. I. Reactive separation of inorganic and organic ions in electrodialysis with bilayer membranes. Separation and Purification Technology. 2021;268: 118561. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118561
Mandal P., Mondal R., Goel P., Bhuvanesh E., Chatterjee U., Chattopadhyay S. Selective recovery of carboxylic acid through PVDF blended anion exchange membranes using electrodialysis. Separation and Purification Technology. 2022;292: 121069. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.121069
Karpenko T. V., Kovalev N. V., Kirillova K. R., … Zabolotsky V. I. Competing transport of malonic and acetic acids across commercial and modified RALEX AMH anion-exchange membranes. Membranes and Membrane Technologies. 2022;4: 118–126. https://doi.org/10.1134/S2517751622020056
Kotov V. V., Isaev N. I., Shaposhnik V. A. Transfer of weak electrolytes through ion-exchange membranes*. Russian Journal of Physical Chemistry A. 1972;46: 539–540. (In Russ.) Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=28901705
Reshetnikova A. K. Rozhkova M. V., Kotov V. V., Akimenko I. B. Transfer of dicarboxylic acids across ion-exchange membranes. Electrochemistry. 1996;32(2): 180–183. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=13247836
Vasil’eva V. I., Reshetnikova A. K. Diffusion boundary layers in transport of aliphatic acids in electromembrane systems. Russian Journal of Electrochemistry. 2002;38: 965–971. https://doi.org/10.1023/A:1020284826862
Vasil’eva V. I., Grigorchuk O. V., Shaposhnik V. A. Limiting current density in electromembrane systems with weak electrolytes. Desalination. 2006;192(1–3): 401–407. https://doi.org/10.1016/j.desal.2005.07.044
Kozaderova O. A. Sorption, diffusion characteristics and electrical conductivity of anionexchange membranes in solutions of lactic acid and sodium chloride. Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy. 2023;23(4): 539–546. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11563
Chandra A., Tadimeti J. G. D., Bhuvanesh E., Pathiwada D., Chattopadhyay S. Switching selectivity of carboxylic acids and associated physico-chemical changes with pH during electrodialysis of ternary mixtures. Separation and Purification Technology. 2018;193: 327–344. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.10.048
Martí-Calatayud M. C., Evdochenko E., Bär J., García-Gabaldón M., Wessling M., Pérez-Herranz V. Tracking homogeneous reactions during electrodialysis of organic acids via EIS. Journal of Membrane Science. 2020;595: 117592. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117592
Pismenskaya N. D., Rybalkina O. A., Kozmai A. E., Tsygurina K. A., Melnikova E. D., Nikonenko V. V. Generation of H+ and OH− ions in anion-exchange membrane/ampholyte-containing solution systems: A study using electrochemical impedance spectroscopy. Journal of Membrane Science. 2020;601: 117920. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.117920
Rybalkina O. A., Sharafan M. V., Nikonenko V. V., Pismenskaya N. D. Two mechanisms of H+/OH– ion generation in anion-exchange membrane systems with polybasic acid salt solutions. Journal of Membrane Science. 2022;651: 120449. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2022.120449
Chandra A., Bhuvanesh E., Chattopadhyay S. A critical analysis on ion transport of organic acid mixture through an anion-exchange membrane during electrodialysis. Chemical Engineering Research and Design. 2022;178: 13–24. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.11.035
Gorobchenko A. D., Mareev S. A., Rybalkina O. A., Tsygurina K. A., Nikonenko V. V., Pismenskaya N. D. How do proton-transfer reactions affect currentvoltage characteristics of anion-exchange membranes in salt solutions of a polybasic acid? Modeling and experiment. Journal of Membrane Science. 2023;683: 121786. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.121786
MEGA Group; RALEX® electro separation membranes. Available at: https://www.mega.cz/ membranes 23. Acid/Alkali resistance Anion IEM-LANCYTOM®IEM-Bipolar-ED-RED-LiOH-LANRAN. Available at: http://lanran.com.cn/?list_8/102.html
Zabolotskii V. I., Shel’deshov N. V., Sharafan M. V. Electric mass transfer of sodium chloride through cation-exchange membrane MK-40: A rotating membrane disk study. Electrochemistry. 2006; 42(12): 1345–1351. https://doi.org/10.1134/s1023193506120123
Simons R. Electric field effects on proton transfer between ionizable groups and water in ion exchange membranes. Electrochimica Acta. 1984;29: 151–158. https://doi.org/10.1016/0013-4686(84)87040-1
Lurie Yu. Yu. Handbook of analytical chemistry*. Moscow: Khimiya Publ.; 1989. 448 p. (In Russ.)
Eigen M. Proton transfer, acid-base catalysis, and enzymatic hydrolysis. Part I: Elementary processes. Angewandte Chemie International Edition in English. 1964;3(1): 1–19. https://doi.org/10.1002/anie.196400011
Fersht A. Enzyme structure and mechanism. San Francisco: W.H. Freeman; 1977. 371 p.
Nikonenko V. V., Vasil’eva V. I., Akberova E. M., … Pourcelly G. Competition between diffusion and electroconvection at an ion-selective surface in intensive current regimes. Advances in Colloid and Interface Science. 2016;235: 233–246. https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.06.014
Copyright (c) 2024 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
