Влияние содержания ионообменной смолы на электротранспортные характеристики гетерогенных мембран
Аннотация
Целью работы являлось исследование влияния содержания ионообменной смолы в гетерогенных мембранах на их электропроводность, а также оценка селективности мембран на основе анализа транспортно-структурных параметров расширенной трехпроводной модели проводимости.
В работе изучены проводящие характеристики серии экспериментальных гетерогенных катионо- и анионообменных мембран с различным содержанием ионообменной смолы. Мембраны изготовлены на основе функционализированной полистирольной ионообменной смолы, инертного связующего полиэтилена и армирующей сетки из полиэстера. В качестве фиксированных групп катионообменные мембраны содержали сульфокислотные, анионообменные мембраны – четвертичные аммониевые основания. Физико-химические свойства исследуемых образцов мембран определяли согласно стандартным методам испытаний ионообменных мембран. Удельную электропроводность мембран определяли по данным об их сопротивлении, измеренном ртутно-контактным методом. На основании концентрационных зависимостей удельной электропроводности мембран в растворах хлорида натрия рассчитаны транспортно-структурные и геометрические параметры расширенной трехпроводной модели проводимости.
Показано определяющее влияние соотношения ионообменника и инертного связующего на пути протекания тока в мембране, а также на ее селективность. Установлено, что электропроводность мембран увеличивается с ростом концентрации раствора и содержания ионообменной смолы в мембранах. Из анализа транспортно-структурных параметров выявлены закономерности влияния доли ионообменника на структурную организацию мембран. Для катионообменных мембран зависимость модельных параметров от содержания смолы имеет ступенчатый характер в области массовой доли ионообменника 55%. Анализ изменения структурных параметров показал, что свободный раствор находится как в порах и дефектах структуры, так и в частицах ионообменной смолы. Установлено, что селективность анионообменных мембран в исследованном диапазоне содержания смолы имеет практически одинаковые величины.
С увеличением доли ионообменника растет доля свободного раствора, который распределен внутри частиц ионообменной смолы. Однако, этот факт не оказывает существенного влияния на селективность образцов, и истинные числа переноса противоинов в ионообменных мембранах, рассчитанные из модельных параметров, также возрастают с увеличением доли ионообменника.
Скачивания
Литература
Vasil’eva V., Goleva E., Pismenskaya N., Kozmai A., Nikonenko V. Effect of surface profiling of a cation-exchange membrane on the phenylalanine and NaCl separation performances in diffusion dialysis. Sep. Purif. Technol. 2019; 210; 48-59. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.07.065
Kozaderova O.A., Kim K.B., Gadzhiyevа Ch.S., Niftaliev S.I. Electrochemical characteristics of thin heterogeneous ion exchange membrane. J. Membr. Sci. 2020; 604: Art. No. 118081. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118081
Nebavskaya K.A., Butylskii D.Yu., Moroz I.A., Nebavsky A.V., Pismenskaya N.D., Nikonenko V.V., Enhancement of mass transfer through a homogeneous anion-exchange membrane in limiting and overlimiting current regimes by screening part of its surface with nonconductive strips. Petroleum Chemistry. 2018; 58: 780-789. https://doi.org/10.1134/S0965544118090086
Vyas P.V., Shah B.G., Trivedi G.S., Ray P., Adhikary S.K., Rangarajan R., Characterization of heterogeneous anion-exchange membrane. J. Membr. Sci. 2001; 187: 39-46. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(00)00613-X
Vyas P.V., Ray P., Adhikary S.K., Shah B.G., Rangarajan R., Studies of the effect of variation of blend ratio on perm-selectivity and heterogeneity of ion-exchange membranes. J. Colloid Interface Sci. 2003; 257; 127-134. https://doi.org/10.1016/S0021-9797(02)00025-5
Khodabakhshi A.R., Madaeni S.S., Hosseini S.M. Comparative studies on morphological, electrochemical, and mechanical properties of s-polyvinyl chloride based heterogeneous cation-exchange membranes with different resin ratio load-ing. Ind. Eng. Chem. Res. 2010; 49: 8477-8487. https://doi.org/10.1021/ie9014205
Hale D.K., McCauley D.J. Structure and properties of heterogeneous cation-exchange membranes. Transactions of the Faraday Society. 1961; 57: 135-149. https://doi.org/10.1039/TF9615700135
Vasil’eva V.I., Saud A.M., Akberova E.M. Separation of phenylalanine aqueous salt solutionsby electrodialysis using membranes with different mass fractions of sulfonated cation-exchange resin. Sorbtsionnye I khromatograficheskie protsessy. 2021; 21; 498-509. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3634 (In Russ.)
Falina I.V., Demina O.A., Kononenko N.A., Annikova L.A. Influence of inert components on the formation of conducting channels in ion-exchange membranes. J. Solid State Electrochem. 2017; 21: 767-775. https://doi.org/10.1007/s10008-016-3415-0
Oren Y., Freger V., Linder C. Highly conductive ordered heterogeneous ion-exchange membranes. J. Membr. Sci. 2004; 239: 17-26. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2003.12.031
Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A., Gnusin N.P. Characterization of ion-exchange membrane materials: properties vs structure. Adv. Colloid Inter-face Sci. 2008; 139: 3-28. https://doi.org/10.1016/j.cis.2008.01.002
Gnusin N.P., Zabolockij V.I., Nikonenko V.V., Meshechkov A.I., Razvitie principa obobshhennoj provodimosti k opisaniju javlenij perenosa v dispersnyh sistemah. Zhurn. fiz. Himii. 1980; 65(6): 1518-1522. (In Russ.)
Demina O.A., Kononenko N.A., Falina I.V. New approach to the characterization of ion-exchange membranes using a set of model parameters. Petroleum Chemistry. 2014; 54: 515-525. https://doi.org/10.1134/S0965544114070032
Demina O.A., Falina I.V. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlja JeVM. No 2014662877, 2014.
