Влияние ультрадисперсных добавок на стадии синтеза ионообменной матрицы при получении катионо- и анионообменных волокнистых мембран Поликон на их структуру и свойства
Аннотация
В настоящее время актуальной проблемой является получение новых ионообменных материалов. Перспективной основой для разработки и создания широкого ассортимента ионообменных материалов являются полимерные волокна. Сочетание различных типов волокнистых материалов и ионообменных матриц позволяет получать как катионо-, так и анионообменные мембраны с широким спектром свойств. Существенное влияние на структуру и свойства получаемых мембран оказывают условия синтеза ионообменной матрицы на поверхности и в структуре волокнистой основы. Эффективным направлением получения композиционных материалов с улучшенными свойствами является введение ультрадисперсных добавок различной природы при их поликонденсационном наполнении. В связи с этим целью данной работы являлось изучение физико-химических свойств и пористой структуры серии катионо- и анионообменных мембран Поликон, полученных с использованием наночастиц (НЧ) различных неорганических веществ на стадии синтеза ионообменной матрицы.
Серия образцов композиционных ионообменных волокнистых мембран Поликон К формировалась путем синтеза бифункционального катионита с ионообменными группами –SO3H и -OH, получаемыми на основе n-фенолсульфокислоты и формальдегида на полиакрилонитрильной волокнистой основе. Серия композиционных мембран Поликон А получена поликонденсационным наполнением полиэфирных волокон ткани «Лавсановая фильтровальная ткань – ФЛ-4». Исходными компонентами мономеризационного состава при формировании полифункционального анионита смешанной основности, содержащего вторичные и третичные аминогруппы и четвертичные аммониевые группировки, являлись полиэтиленамин и эпихлоргидрин. В качестве допантов использовались оксидированные наночастицы Fe, Ni, Cu, B, Si.
В данной работе исследовано влияние природы наночастиц и их количественного содержания на удельную электропроводность мембран Поликон. Обнаружено, что независимо от природы и содержания НЧ в диапазоне 1.5-7.5 мас.%, мембраны имеют близкие значения удельной электропроводности. Показано, что содержание НЧ 1.5 масс.% является достаточным для обеспечения проводящих свойств мембран. Методом эталонной контактной порометрии и электронной микроскопии подтверждена гетерогенность мембран Поликон на надмолекулярном и макроскопическом уровне, обусловленная многофазностью системы в результате объединения гидрофильных и гидрофобных компонентов при синтезе. Установлено, что высокая электропроводность мембран обусловлена большой пористостью образцов и наличием макропор, заполненных равновесным раствором электролита. При этом природа наночастиц оказывает большее влияние на электропроводность мембран Поликон, чем технология получения наночастиц. На основании полученной информации о селективных и проводящих свойствах мембран Поликон сделаны рекомендации о перспективности их применения в качестве наполнителей между гетерогенными ионообменными мембранами при получении глубоко деионизованной воды методом электродиализа.
Скачивания
Литература
Strathmann H. Electrodialysis, a ma-ture technology with a multitude of new applications, Desalination, 2010; 264(3): 268-288. https://doi.org/10.1016/j.desal.2010.04.069
Sata T. Ion Exchange Membranes: Preparation, Characterization, Modification and Application. The Royal Society of Chemistry, Gateshead, 2004. 314 p.
Yaroslavcev A.B. Membrany i mem-brannye tekhnologii. Moscow, Nauchnyj mir, 2013. 612 p. (In Russ.)
Campione A., Gurreri L., Ciofalo M., Micale G., Tamburini A., Cipollina A. Electrodialysis for water desalination: A critical assessment of recent developments on process fundamentals, models and ap-plications, Desalination, 2018; 434: 121-160. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.12.044
Sajjad A.-A., Yunus M.Y.B.M., Azoddein A.A.M., Hassell D.G., Dakhil I.H., Hasan H.A. Electrodialysis Desalina-tion for Water and Wastewater: A Review, Chem. Eng. J., 2019; 122231. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122231
Meng J., Shi Х., Wang S., Hu Z., Koseoglu-Imer D.Y., Lens P.N.L., Zhan X. Application of electrodialysis technology in nutrient recovery from wastewater: A review, J. Water Process Eng., 2024; 65(2): 105855. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.105855
Gurreri L., Tamburini A., Cipollina A., Micale G. Electrodialysis Applications in Wastewater Treatment for Environmen-tal Protection and Resources Recovery: A Systematic Review on Progress and Per-spective, Membranes, 2020; 10(7): 146. https://doi.org/10.3390/membranes10070146
Lee J.-B., Park K.-K., Eum H.-M., Lee C.W. Desalination of a thermal power plant wastewater by membrane capacitive deionization, Desalination, 2006; 196 (1-3): 125-134. https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.01.011
Porada S., Zhao R., van der Wal A., Presser V., Biesheuvel P.M. Review on the science and technology of water desalina-tion by capacitive deionization, Progr. Ma-terials Sci., 2013; 58(8): 1388-1442. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.03.005
Volfkovich Y.M., A., Mikhalin Ry-chagov А.Y., Sosenkin V., Kononenko N., Shkirskaya S.A., Kardash М., Tsipliaev S.V. Capacitive deionization of water in-volving mosaic membranes based on fi-brous polymer matrices, Desal. Water Treat., 2020; 182: 77-87. https://doi.org/10.5004/dwt.2020.25410
Kardash M.M., Terin D.V. Search for a technological invariant and evolution of the structure–property relation for Poli-kon materials, Petrol. Chem., 2016; 56(5): 413-422. https://doi.org/10.1134/S0965544116050078
Kardash M.M., Kononenko N.A., Fomenko M.A., Tyurin I.A., Ajnetdinov D.V. Effect of nature of fibrous substrate of composite membranes on their structure, conductive properties, and selectivity, Pet-rol. Chem., 2016; 56(4): 315-320. https://doi.org/10.1134/S0965544116040046
Terin D.V., Kardash M.M., Ko-nonenko N.A., Shkirskaya S.A., Vol'fko-vich Yu.M., Sosenkin V.E. Vliyanie ionno-plazmennoj obrabotki volokna i nanochas-tic oksida kremniya na poristuyu strukturu anionoobmennyh membran Polikon, Mem-brany i membrannye tekhnologii, 2025; 15(2): 123-131. (In Russ.)
Vol'Fkovich Y.M., Kardash M.M., Aleksandrov G.V., Kononenko N.A., Chernyaeva M.A. Specific features of the structural organization of composite fi-brous membranes polikon and their electro-transport properties, Russ. J. Electrochem., 2013; 49(12): 1115-1121. https://doi.org/10.1134/S1023193513120070
Kardash M.M., Tyurin I.A., Oleinik D.V., Vol'Fkovich Yu.M., Kononenko N.A., Chernyaeva M.A. Effect of process parameters of manufacturing of composite fibrous membranes on their structure and ion selectivity, Petrol. Chem., 2013; 53(7): 482-488. https://doi.org/10.1134/S0965544113070086
Tyurin I.A., Kardash M.M., Terin D.V. The effect of nanoscale non-organic additives on the structure and synthesis of water purification membranes, Scient. Res. Innov., 2020; 1(1): 31-44.
Bilenko D.I., Terin D.V., Tozkopar-an O., Jldyrym O., Galushka V.V., Dinker I., Dobrinskij E.K., Elerman Ya., Venig S.B. Vliyanie morfologii, uslovij polu-cheniya i vneshnih vozdejstvij na diel-ektricheskie svojstva nanochastic na os-nove zheleza, Izvestiya Saratovskogo uni-versiteta. Novaya seriya. Seriya: Fizika, 2015; 15(1): 21-27. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2015-15-1-21-27 (In Russ.)
Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A., Gnusin N.P. Characteriza-tion 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
Kononenko N., Nikonenko V., Grande D., Larchet C., Dammak L., Fo-menko M., Volfkovich Yu. Porous structure of ion exchange membranes investigated by various techniques, Adv. Colloid Inter-face Sci., 2017; 246: 196-216. https://doi.org/10.1016/j.cis.2017.05.007
Volfkovich Yu., Filippov A., Bagot-sky V. Structural Properties of Porous Ma-terials and Powders Used in Different Fields of Science and Technology. London: Springer. 2014. 328 p.
Rouquerol J., Baron G., Denoyel R., et al. Liquid intrusion and alternative methods for the characterization of macroporous materials (IUPAC Technical Report), Pure Appl. Chem., 2012; 84(1): 107-136. https://doi.org/10.1351/PAC-REP-10-11-19
Demina O.A., Berezina N.P., Sata T., Demin A.V. Transport-structural pa-rameters of domestic and foreign anion-exchange membrane, Russ. J. Electro-chem., 2002; 38(8): 896-902. https://doi.org/10.1023/A:1016874014470
Grabowski A., Zhang G., Strath-mann H., Eigenberger G. Production of high-purity water by continuous electro-deionization with bipolar membranes: In-fluence of concentrate and protection com-partment, Sep. Purif. Technol., 2008; 60(1): 86-95. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2007.07.052
Jordan M.L., Valentino L., Nazyrynbekova N., Palakkal V.M., Kole S., Bhattacharya D., Lin Y.J., Arges C.G. Promoting water-splitting in Janus bipolar ion-exchange resin wafers for electrodeion-ization, Mol. Syst. Des. Eng., 2020; 5: 922. https://doi.org/10.1039/C9ME00179D
Park S., Kwak R. Microscale elec-trodeionization: In situ concentration pro-filing and flow visualization, Water Res., 2020; 170(1-3): 115310. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.115310
