Лазерно-интерферометрическое изучение механизма переноса фенилаланина через гетерогенные мембраны Ralex CMH с разным содержанием катионообменной смолы при сверхпредельных токовых режимах

Вера Ивановна  Васильева; Али Мунир  Сауд; Эльмара Маликовна  Акберова

doi:10.17308/sorpchrom.2025.25/13029

Вера Ивановна Васильева ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Воронеж https://orcid.org/0000-0003-2739-302X
Али Мунир Сауд Университет Тишрин, Латакия https://orcid.org/0000-0003-3472-4691
Эльмара Маликовна Акберова Воронежский государственный университет, ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» https://orcid.org/0000-0003-3461-7335

DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2025.25/13029

Ключевые слова: фенилаланин, электродиализ, гетерогенные мембраны, содержание сульфокатионообменной смолы, электроконвекция, каталитическая диссоциация воды, лазерная интерферометрия.

Аннотация

В работе показаны возможности метода лазерной интерферометрии для исследования особенностей переноса и механизмов транспорта нейтральной аминокислоты фенилаланина на разных стадиях концентрационной поляризации электромембранной системы. Объектами исследования являлись смешанные растворы фенилаланина (0.05 М) и хлорида натрия (0.01 М). Электродиализ проводили в гальваностатическом режиме с использованием экспериментальных мембран Ralex CMH (Mega a.s., Чехия) с долей сульфокатионообменной смолы в диапазоне от 45 до 70 масс.%. Была использована оригинальная установка, позволяющая визуализировать концентрационные профили и возникновение гидродинамических явлений в растворе на границе с ионообменными мембранами при одновременной регистрации вольтамперных характеристик (ВАХ) мембран и анализе концентраций компонентов в вытекающих из секций электродиализатора растворах. Показано, что для всех экспериментальных катионообменных мембран при степени поляризации системы i/i_lim<2.0 потоки аминокислоты имели традиционную для амфолита форму с экстремумом при i/i_lim=1.0, отражающую наличие барьерного эффекта. Экспериментально и расчетным путем показано, что эффекты каталитической диссоциации воды и электроконвекции определяют особенности транспорта через катионообменную мембрану. Выявлена роль каталитической диссоциации воды за счет реакции между молекулами воды и аминокислотой, заключающаяся в подщелачивании раствора секции деминерализации и в подкислении раствора смежной секции концентрирования во всем диапазоне токов. Ограничение трансмембранного переноса аминокислоты при токах 1.0<i/i_lim<2.0 происходит из-за резкого уменьшения концентрации катионов и биполярных ионов аминокислоты вследствие каталитической диссоциации воды с участием фиксированных групп мембраны и значительного повышения величины pH на межфазной границе с катионообменной мембраной и в объеме секции деминерализации.

Использование мембран с варьируемым содержанием ионообменной смолы позволило выявить незначительную долю вклада сопряженного переноса аминокислоты в гидратной оболочке противоинов в диапазоне допредельных токов и с продуктами каталитической диссоциации воды при высокоинтенсивных токовых режимах. Установлена отрицательная корреляция между содержанием сульфокатионообменной смолы в мембране и массопереносом аминокислоты при допредельных токовых режимах электродиализа. Методом динамической лазерной интерферометрии впервые получены прямые доказательства, что основной причиной роста переноса аминокислоты через сульфокатионообменную мембрану в сверхпредельных токовых режимах является возникновение электроконвективного перемешивания раствора на межфазной границе. При токах i/i_lim>2.0 выявлено установление нестабильного режима электроконвекции, проявляющегося в нестационарном колебательном характере интерференционных полос, осцилляциях потенциала и росте толщины области электроконвективных вихрей в растворе с увеличением плотности тока. В этой области токов дифференциация потоков аминокислоты через мембраны с разным содержанием смолы полностью исчезает. Методом фликкер-шумовой спектроскопии на основе анализа спектра мощности флуктуаций интерференционных полос подтверждено наличие объемного турбулентного перемешивания раствора на межфазной границе мембраны CMH с содержанием ионообменной смолы 70 масс. %. Показано, что электроконвекция негативно влияет на процесс каталитической диссоциации воды и разрушает барьерный эффект примембранных слоев раствора с высоким значением показателя pH.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Вера Ивановна Васильева, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Воронеж

д.х.н., профессор кафедры аналитической химии, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия, e-mail: viv155@mail.ru

Али Мунир Сауд, Университет Тишрин, Латакия

к.х.н., доцент университета Тишрин, Латакия, Сирия, e-mail: ali_saud1900@live.com

Эльмара Маликовна Акберова, Воронежский государственный университет, ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

к.х.н., старший научный сотрудник, ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», Воронеж, ведущий инженер кафедры аналитической химии, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия, e-mail: elmara_09@inbox.ru

Литература

Grib H., Belhocine D., Lounici H., Pauss A., Mameri N., Desalting of phenyl-alanine solutions by electrodialysis with ion-exchange membranes, J. Appl. Electrochem., 2000; 30: 259-262. https://doi.org/10.1023/A:1003990031853

Choi J.-H., Oh S.-J., Moon S.-H., Structural effects of ion-exchange mem-brane on the separation of L-phenylalanine (L-Phe) from fermentation broth using electrodialysis, J. Chem. Technol. Biotechnol., 2002; 77 (7): 785-792. https://doi.org/10.1002/jctb.638

Sun Z., Gao X., Zhang Y., Gao C., Separation and purification of L-phenylalanine from the fermentation broth by electrodialysis, Desalin. Water Treat., 2016; 57 (47): 22304-22310. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1137082

Eliseeva T., Kharina A., Desalina-tion of neutral amino acid solutions in an electromembrane system, Membranes, 2022; 12: 665. https://doi.org/10.3390/membranes12070665

Vasil’eva V.I., Saud A.M., Ak-berova E.M., Separation of phenylalanine aqueous salt solutions by electrodialysis using membranes with different mass frac-tions of sulfonated cation-exchange resin, Rus. J. Electrochem., 2023; 59: 988-997. https://doi.org/10.1134/S1023193523110149

Shaposhnik V.A., Eliseeva T.V. Barrier effect during the electrodialysis of ampholytes, J. Membr. Sci., 1999; 161: 223-228. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(99)00114-3

Eliseeva T.V., Shaposhnik V.A., Ef-fects of circulation and facilitated elec-tromigration of amino acids in electrodial-ysis with ion-exchange membranes, Russ. J. Electrochem., 2000; 36: 64-67. https://doi.org/10.1007/BF02757798

Elisseeva T.V., Shaposhnik V.A., Luschik I.G. Demineralization and separa-tion of amino acids by electrodialysis with ion-exchange membranes, Desalination, 2002; 149: 405-409. https://doi.org/10.1016/S0011-9164(02)00763-4

Vasil’eva V.I., Akberova E.M., Saud A.M., Zabolotsky V.I., Current-voltage characteristics of membranes with different cation-exchanger content in min-eral salt–neutral amino acid solutions under electrodialysis, Membranes, 2022; 12: 1092. https://doi.org/10.3390/membranes12111092

Eliseeva T., Kharina A., Current-voltage and transport characteristics of het-erogeneous ion-exchange membranes in electrodialysis of solutions containing a heterocyclic amino acid and a strong elec-trolyte, Membranes, 2023; 13: 98. https://doi.org/10.3390/membranes13010098

Vasil’eva V.I., Eliseeva T.V., Laser-interferometry study of the barrier effect in the electrodialysis of amino acid solutions, Russ. J. Electrochem., 2000; 36: 30-35. https://doi.org/10.1007/BF02757792

Zhiltsova A.V. Diss. cand. chem. nauk. Voronezh, 2013, 171 p.

Moshkina A.YU., Zhil'tsova A.V., Akberova E.M., Malykhin M.D., Vasil'yeva V.I., Selemenev V.F., Lokal'nyye kharak-teristiki massoperenosa fenilalanina cherez anionoobmennuyu membranu MA-40 pri elektrodialize, «Fiziko-khimicheskiye os-novy ionoobmennykh i khromatografich-eskikh protsessov», Proceedings of the XIII International Conference, October 16-22, 2011, Voronezh, 2011, pp. 315-317.

Vasil’eva V.I., Saud A.M., Ak-berova E.M., Direct evidences of the elec-troconvective mechanism of neutral amino acid transport during electrodialysis, Men-deleev Commun., 2023; 33: 275-278. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2020.106659

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.

Tong B., Hossain Md. M., Yang Zh., Cheng C., Wang Y., Jiang Ch., Xu T., De-velopment of heterogeneous cation ex-change membranes using functional poly-mer powders for desalination applications, J. the Taiwan Inst. Chem. Engin., 2016; 67: 435-442. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2016.07.032.

Akberova E.M., Vasil’eva V.I., Zabolotsky V.I., Novak L., A study of Ralex membrane morphology by SEM, Membranes, 2019; 9 (12): 169. https://doi.org/10.3390/membranes9120169

Akberova E. M., Vasil’eva V. I., Ef-fect of the resin content in cation-exchange membranes on development of electrocon-vection, Electrochem. Commun., 2020; 111: 106659. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2020.106659

Lee J.-M., Kang M.-S., Heterogene-ous anion-exchange membranes with en-hanced ion conductivity for continuous electrodeionization, Membranes, 2023; 13: 888. https://doi.org/10.3390/membranes13120888

Pismenskaya N.D., Mareev S.A., Pokhidnya E.V., Larchet C., Dammak L., Nikonenko V.V., Effect of surface modifi-cation of heterogeneous anion-exchange membranes on the intensity of electrocon-vection at their surfaces, Russ. J. Electro-chem., 2019; 55 (12): 1203-1220. https://doi.org/10.1134/S1023193519120139

Vasil’eva V.I., Akberova E.M., Malykhin M.D., Goleva E.A. Patent RF, no. 2015138036/28, 2016.

Vasil'eva V.I., Saud A.M., Cpektro-fotometricheskoye opredeleniye fenilalani-na v vodnykh rastvorakh razlichnoy kislotnosti, Analytics and control, 2022; 26 (3): 222-234. https://doi.org/10.15826/analitika.2022.26.3.003

Saud A.M., Smagin M.A., Vasil'eva V.I., Features of sodium determination in dilute mixed solutions with phenylalanine by flame photometry, Industrial laborato-ry. Diagnostics of materials. 2020; 86(1):13-18. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-1-13-18

Shaposhnik V.A., Vasil'eva V.I., Grigorchuk O.V. Yavleniya perenosa v ionoobmennyh membranah. Moscow, MFTI, 2001, 200 p.

Vasil'eva V.I., Shaposhnik V.A., Grigorchuk O.V., Malykhin M.D., Electro-dialysis kinetics by laser interferometry, Russ. J. Electrochem., 2002; 38: 846-852. https://doi.org/10.1023/A:1016809727673

Vasil’eva V.I., Zhil’tsova A.V., Malykhin M.D., Zabolotskii V.I., Lebedev K.A., Chermit R.Kh., Sharafan M.V., Ef-fect of the chemical nature of the ionogenic groups of ion-exchange membranes on the size of the electroconvective instability re-gion in high-current modes, Russ. J. Elec-trochem., 2014; 50: 120-128. https://doi.org/10.1134/S1023193514020062

Timashev S.F., Polyakov Y.S., Re-view of flicker noise spectroscopy in elec-trochemistry, Fluctuation and Noise letters, 2007; 7 (02): R15-R47. https://doi.org/10.1142/S0219477507003829

Budnikov E.Y., Maksimychev A.V., Kolyubin A.V., Timashev S.F., Space and time correlations in a dissipative structure emerging in an electrochemical system with a cation-exchange membrane, Russ. J. Electrochem., 2001; 37: 80-87. https://doi.org/10.1023/A:1009035930246

Apel P.Yu., P.M. Biesheuvel, Bobreshova O.V., Borisov I.L., Vasil’eva V.I., Volkov V.V., Grushevenko E.A., Ni-konenko V.V., Parshina A.V., Pismenskaya N.D., Ryzhkov I.I., Sharafan M.V., Yaro-slavtsev A.B., Concentration polarization in membrane systems, Membr. Membr. Technol., 2024; 6: 133-161. https://doi.org/10.1134/S2517751624600390

Simons R., Strong electric field ef-fects on proton transfer between mem-brane-bound amines and water, Nature, 1979; 280: 824-826.

Simons R. Electric field effects on proton transfer between ionizable groups and water in ion exchange membranes, Electrochim. Acta, 1984; 29: 151-158. https://doi.org/10.1016/0013-4686(84)87040-1

Belova E., Lopatkova G., Pismen-skaya N., Nikonenko V., Larchet C., Role of water splitting in development of elec-troconvection in ion-exchange membrane systems, Desalination, 2006; 199: 59-61. https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.03.142

Zyryanova S., Mareev S., Gil V., Korzhova E., Pismenskaya N., Sarapulova V., Rybalkina O., Boyko E., Larchet C., Dammak L., Nikonenko V., How electrical heterogeneity parameters of ion-exchange membrane surface affect the mass transfer and water splitting rate in electrodialysis, Int. J. Mol. Sci., 2020; 21: Art. No. 973. https://doi.org/10.3390/ijms21030973

Nikonenko V.V., Mareev S.A., Pis’menskaya N.D., Uzdenova A.M., Ko-valenko A.V., Urtenov M.Kh., Pourcelly G. Effect of electroconvection and its use in intensifying the mass transfer in electrodi-alysis (Review), Russ. J. Electrochem., 2017; 53: 1122-1144. https://doi.org/10.1134/S1023193517090099

Rubinstein I., Zaltzman B. Equilib-rium electroconvective instability, Phys. Rev. Lett. 2015; 114: 114502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.114502

Vasil'eva V., Zabolotsky V., Shaposhnik V., Zhiltsova A., Grigorchuk O., The oscillation of concentration field at the membrane-solution interface and transport mechanisms under overlimiting current density, Desalin. Water Treat., 2010; 14: 214-219. https://doi.org/10.5004/dwt.2010.1030

Rubinstein I., Zaltzman B. Electro-osmotically induced convection at a perm-selective membrane, Phys. Rev. E, 2000; 62: 2238-2251. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.62.2238

Timashev S.F. Flikker-shumovaya spektroskopiya. Informaciya v haoticheskih signalah. Moscow, Fizmatlit, 2007, 248 p.