Электропроводность гетерогенных ионообменных мембран в растворах моно-, ди- и трикарбоновых кислот и ее влияние на процесс электродиализа растворов, содержащих органические кислоты
Аннотация
В настоящей работе исследована электропроводность катионообменных и анионообменных мембран, в растворах, содержащих как сильные (хлорид и ацетат натрия), так и слабые (уксусная, янтарная и лимонная кислоты) электролиты. Полученные результаты свидетельствуют о том, что концентрационная зависимость электропроводности мембран в слабых электролитах существенно отличается от наблюдаемой для растворов сильных электролитов. В случае раствора уксусной кислоты электропроводность мембран выше, чем у равновесного раствора во всём диапазоне исследуемых концентраций. Показано, что существующие модели транспортно-структурной организации мембран позволяют описать структурные параметры ионообменных мембран, находящихся в контакте с сильными электролитами. В растворах хлорида натрия и ацетата натрия, полученные зависимости были обработаны в рамках микрогетерогенной и трёхпроводной моделей для установления влияния природы электролита на транспортно-структурные характеристики мембран. Зависимость электропроводности от концентрации раствора слабого электролита не позволяет применять ни микрогетерогенную, ни расширенную трёхпроводную модели для описания зависимости структура-свойства ионообменных материалов. Показано, что в растворе уксусной и частично янтарной кислоты основной вклад в сопротивление электромембранной системы вносит раствор. На основании полученных результатов по измерению электропроводности предложены изменения в конструкции лабораторного электродиализатора и проведены опыты по обессоливанию раствора уксусной кислоты. Показано, что использование более тонких межмембранных сепараторов в камере обессоливания приводит к увеличению интегрального выхода по току (с 0.32 до 0.44 при 0.6 А/дм2 и той же степени опреснения) и снижению удельных энергозатрат (с 3.0 до 1.9 кВт·ч/моль при 0.6 А/дм2) при опреснении уксусной кислоты. Полученные результаты могут быть в дальнейшем использованы для улучшения параметров процесса получения слабых кислот методом биполярного электродиализа.
Скачивания
Литература
Cournoyer A., Bazinet L. Electrodialysis Processes an Answer to Industrial Sustainability: Toward the Concept of Eco-Circular Economy? –A Review. Membranes (Basel). 2023; 13: 205. https://doi.org/10.3390/membranes13020205
Strathmann H. Electrodialysis, a mature technology with a multitude of new applications. Desalination. 2010; 264: 268-288. https://doi.org/10.1016/j.desal.2010.04.069
Gyo Lee E., Moon S.H., Keun Chang Y., Yoo I.K., Nam Chang H. Lactic acid recovery using two-stage electrodialysis and its modelling. J. Memb. Sci. 1998; 145: 53-66. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(98)00065-9
Pleissner D., Schneider R., Venus J., Koch T. Separation of lactic acid and recovery of salt-ions from fermentation broth. J. Chem. Technol. Biotechnol. 2017; 92; 504-511. https://doi.org/10.1002/jctb.5023
Ibeas V., Correia A.C., Jordão A.M. Wine tartrate stabilization by different levels of cation exchange resin treatments: impact on chemical composition, phenolic profile and organoleptic properties of red wines. Food Res. Int. 2015; 69: 364-372. https://doi.org/10.1016/J.FOODRES.2015.01.003
Rozoy E., Boudesocque L., Bazinet L. Deacidification of Cranberry Juice by Electrodialysis with Bipolar Membranes. J. Agric. Food Chem. 2015; 63: 642-651. https://doi.org/10.1021/jf502824f
Moresi M., Sappino F. Electrodialytic recovery of some fermentation products from model solutions: Techno-economic feasibility study. J. Memb. Sci. 2000; 164: 129-140. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(99)00186-6
Handojo L., Wardani A.K., Regina D., Bella C., Kresnowati M.T.A.P.A.P., Wenten I.G. Electro-membrane processes for organic acid recovery. RSC Adv. 2019; 9: 7854-7869. https://doi.org/10.1039/C8RA09227C
Sarapulova V., Nevakshenova E., Pismenskaya N., Dammak L., Nikonenko V., Unusual concentration dependence of ion-exchange membrane conductivity in ampholyte-containing solutions: Effect of ampholyte nature. J. Memb. Sci. 2015: 479; 28-38. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.01.015
Melnikov S., Kolot D., Nosova E., Zabolotskiy V. Peculiarities of transport-structural parameters of ion-exchange membranes in solutions containing anions of carboxylic acids. J. Memb. Sci. 2018; 557: 1-12. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.04.017
Isaev N.I., Kotov V.V., SHaposhnik V.A. Podvizhnost' organicheskih anionov v anionoobmennyh sisitemah. Elektrohimiya. 1971; 7: 908-911. (In Russ.)
Kotov V.V., Isaev N.I., SHaposhnik. V.A. Perenos slabyh elektrolitov cherez ionoobmennye membrany. ZHurnal Fizicheskoj Himii. 1972$; 46: 539-540. (In Russ.)
Pismenskaya N.D., Melnikova E.D., Rybalkina O.A., Nikonenko V.V. The Impact of Long-Time Operation of an Anion-Exchange Membrane AMX-Sb in the Electrodialysis Desalination of Sodium Chloride Solution on the Membrane Current-Voltage Characteristic and the Water Splitting Rate. Membr. Membr. Technol. 2019; 1: 88-98. https://doi.org/10.1134/s2517751619020070
Melnikov S.S., Nosova E.N., Melnikova E.D., Zabolotsky V.I. Reactive separation of inorganic and organic ions in electrodialysis with bilayer membranes. Sep. Purif. Technol. 2021; 268: 118561. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118561
Simons R., Khanarian G. Water dissociation in bipolar membranes: Experiments and theory. J. Membr. Biol. 1978; 38: 11-30. https://doi.org/10.1007/BF01875160
Karpenko L.V., Demina O.A., Dvorkina G.A., Parshikov S.B., Larchet C., Auclair B., Berezina N.P. Comparative Study of Methods Used for the Determination of Electroconductivity of Ion-Exchange Membranes. Russ. J. Electrochem. 2001; 37: 287-293.
Demina O.A., Kononenko N.A., Falina I.V. New approach to the characterization of ion-exchange membranes using a set of model parameters. Pet. Chem. 2014; 54: 515-525. https://doi.org/10.1134/S0965544114070032
Davydov D., Nosova E., Loza S., Achoh A., Korzhov A., Sharafan M., Melnikov S. Use of the Microheterogeneous Model to Assess the Applicability of Ion-Exchange Membranes in the Process of Generating Electricity from a Concentration Gradient. Membranes (Basel). 2021; 11: 406. https://doi.org/10.3390/membranes11060406
Kovalev N.V., Karpenko T.V., Sheldeshov N.V., Zabolotskii V.I. Ion Transport through a Modified Heterogeneous Bipolar Membrane and Electromembrane Recovery of Sulfuric Acid and Sodium Hydroxide from a Sodium Sulfate Solution. Membr. Membr. Technol. 2020; 2: 391-398. https://doi.org/10.1134/S2517751620060050
