Контактно-разностный метод измерения электропроводности в оценке транспортных характеристик гетерогенных ионообменных мембран разного срока службы в промышленном электродиализа-торе
Аннотация
Рассмотрены основные особенности, преимущества и недостатки различных методов определения электрической проводимости ионообменных мембран. Проведена оценка транспортно-структурных характеристик гетерогенных катионо- и анионообменных мембран Ralex CM-PES и Ralex AM-PES разного срока использования в промышленном электродиализаторе по данным измерения их электрохимического импеданса, найденного контактно-разностным методом, разработанным и модифицированным профессором В.А. Шапошником. Исследуемые в работе мембраны в течение продолжительного времени эксплуатировались в промышленном электродиализаторе в режиме концентрирования/обессоливания многокомпонентных солевых растворов – отходов производства комплексных минеральных удобрений. Найдено, что при увеличении срока использования ионообменных мембран в электродиализном аппарате их электропроводность растет, имеет место также увеличение проводимости гелевой фазы мембраны от 0.39 до 0.56 См/м для катионообменных, от 0.35 до 0.50 См/м для анионообменных образцов соответственно. Уменьшение при этом обменной емкости мембран и рост их влагосодержания позволяет говорить об увеличении вклада внутреннего раствора в величину электропроводности композитной мембраны, что подтверждается оценкой транспортно-структурных параметров мембран, полученных из концентрационных зависимостей их удельной электропроводности в растворах хлорида натрия в рамках расширенной трехпроводной модели. Наиболее значимо найденные закономерности проявляются для анионообменной мембраны Ralex AM-PES пятилетнего срока службы.
Скачивания
Литература
Bilad M.R., Giwa A., Abdullah R., Bakar M.S.A., Technoeconomic and life cycle assessments of electrochemical membrane technology, Electrochemical Membrane Technology, 2024; 465-488. https://doi.org/10.1016/b978-0-443-14005-1.00011-8
Solonchenko K., Kirichenko A., Ki-richenko K. Stability of Ion Exchange Membranes in Electrodialysis, Membranes, 2023; 13(1): 52. https://doi.org/10.3390/membranes13010052
RALEX® ion exchange membranes https://www.mega.cz/membranes/#what-we-do
Pervov A.G., Chukhin V.A., Mikhail-in A.V. Raschet, proektirovanie i prime-nenie elektrodializnykh (elektromembrannykh) ustanovok po demineralizatsii vody Moskva, NIU MGSU, 2012, 88 p. (In Russ.)
Kozaderov O.A., Kozaderova O.A., Сhernova V.Yu. Sorption characteristics and electrical conductivity of anion-exchange membranes in lactic acid solu-tions, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2023; 23(1): 18-27. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/10990 (In Russ.)
Kozaderova O.A., Shaposhnik V.A., Kinetic parameters of ion-exchange mem-brane in amino acid solutions, Russian Journal of Electrochemistry, 2004; 40(7): 698-703. https://doi.org/10.1023/B:RUEL.0000035251.04661.f7
Dammak L., Lteif R., Bulvestre G., Pourcelly G., Auclair B., Determination of the diffusion coefficients of ions in cation-exchange membranes, supposed to be ho-mogeneous, from the electrical membrane conductivity and the equilibrium quantity of absorbed electrolyte, Electrochimica Acta, 2001; 47: 451-457. http://dx.doi.org/10.1016/S0013-4686(01)00743-5
Kozaderova O.A., Kozaderov O.A., Niftaliev S., Electromass transfer in the system “cation exchange membrane-ammonium nitrate solution”, Membranes, 2022; 12(11): 1144. https://doi.org/10.3390/membranes12111144
Kislyi A.G., Kozmai A.E., Mareev S.A., Ponomar M.A., Anokhin D.V., Ivanov D.A., Umarov A.Z., Maryasevskaya A.V., Nikonenko V.V., Mathematical modeling of the transport characteristics of a pvdf-based cation-exchange membrane with low water content, Journal of Membrane Sci-ence, 2024; 707: 122931. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.122931
Skolotneva E., Tsygurina K., Mareev S., Melnikova E., Pismenskaya N., Nikonenko V. High diffusion permeability of anion-exchange membranes for ammo-nium chloride: experiment and modeling, International Journal of Molecular Scienc-es, 2022; 23(10): 5872. https://doi.org/10.3390/ijms23105782
Gorobchenko A.D., Gil' V.V., Ni-konenko V.V., Sharafan M.V., Ma-tematicheskoe modelirovanie selektivnogo perenosa odnozaryadnykh ionov cherez mnogosloinuyu kompozitnuyu ionoobmen-nuyu membranu v protsesse elektrodializa, Membrany i membrannye tekhnologii, 2022; 12(6): 480-490. https://doi.org/10.31857/S2218117222060049 (In Russ.)
Vasil'eva V.I., Akberova E.M., Shaposhnik V.A., Malykhin M.D., Electro-chemical properties and structure of ion-exchange membranes upon thermochemi-cal treatment, Russian Journal of Electro-chemistry, 2014; (50)8: 789-797. https://doi.org/10.1134/S102319351408014X
Shaposhnik V.A. Activation ener-gies of ion exchange processes. Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy. 2022; 22(5): 622-629. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2022.22/10683 (In Russ.)
Kononenko N.A., Demina O.A., Lo-za N.V., Falina I.V., Shkirskaya S.A., Membrannaya elektrokhimiya. Krasnodar, Kubanskii gosudarstvennyi universitet, 2015, 290 p. (In Russ.)
Vasil’eva V.I., Meshcheryakova E.E., Chernyshova O.I., Brovkina M.A., Falina I.V., Akberova E.M., Dobryden’ S.V., Transport and structural characteris-tics of heterogeneous ion-exchange mem-branes with varied dispersity of the ion ex-changer, Membranes and Membrane Tech-nologies, 2024; 6(2): 120-131. https://doi.org/10.1134/S2517751624020082
Meshcheryakova E.E., Brovkina M.A., Falina I.V., Vasil'eva V.I., Akberova E.M. The effect of the concentration of ion-exchange resin on the electrotransport properties of heterogeneous membranes, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2022; 22(4): 523-533. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2022.22/10607 (In Russ.)
Demina O.A., Shkirskaya S.A., Ko-nonenko N.A., Nazyrova E.V., Assessing the selectivity of composite ion-exchange membranes within the framework of the extended three-wire model of conduction, Russian Journal of Electrochemistry, 2016; 52(4): 291-298. https://doi.org/10.1134/S1023193516040030
Kononenko N.A., Demina O.A., Lo-za N.V., Dolgopolov S.V., Timofeev S.V., Teoreticheskoe i ehksperimental'noe issle-dovanie predel'nogo diffuzionnogo toka v sistemakh s modificirovannymi perftoriro-vannymi sul'fokationitovymi membranami, Russian Journal of Electrochemistry, 2021; 57(5): 283-300.: https://doi.org/10.31857/S0424857021050066 (In Russ.)
Zabolockij V.I., Nikonenko V.V. Perenos ionov v membranakh. Moskva, Nauka,1996, 390 p.
Gnusin N.P., Dyomina O.A., Meshechkov A.I., Turjan I., Electrical con-ductance of ion-exchange membranes measured under alternating or direct cur-rent, Soviet Electrochemistry, 1985; 21: 1521-1529. (In Russ.)
Berezina N.P. Ehlektrokhimiya membrannykh sistem. Krasnodar, Ku-banskij gosudarstvennyj universitet, 2009, 137 p.
Karpenko L.V., Demina O.A., Dvorkina G.A., Parshikov S.B., Larche C., Auclair B., Berezina N.P., Comparative study of methods used for the determina-tion of electroconductivity of ion-echange membranes, Russian Journal of Electro-chemistry, 2001; 37: 328-335. (In Russ.)
Shaposhnik V.A. Kinetika ehlek-trodializa. Voronezh, VGU, 1989, 176 p.
Lteif R., Dammak L., Larchet C., Auclair B., Conductivité électrique membranaire, European Polymer Journal, 1999; 35(7) : 1187-1195.
Pasechnaya E.L., Ponomar M.A., Klevtsova A.V., Korshunova A.V., Sarapu-lova V.V., Pismenskaya N.D. Characteris-tics of Aliphitic and Aromatic Ion-Exchange Membranes After Electrodialysis Tartrate Stabilization of Wine Materials, Membrany i membrannye tekhnologii, 2024; 14(4): 317-332. https://doi.org/10.31857/S2218117224040079
Mel'nikov S.S., Ehlektroprovodnost' ionoobmennykh membran v rastvorakh karbonovykh kislot, Politematicheskij setevoj ehlektronnyj nauchnyj zhurnal Ku-banskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2016; 124(10): 549-562. (In Russ.)
Pechenkina E.S., Bobrov M.N., Studying the influence of transition metal cations on the electrical conductivity of cation exchange membranes, Himiya i khimicheskaya tekhnologiya. Khimiya i tekhnologiya neorganicheskikh veshchestv Izvestiya SPBGTI(TU), 2024; 69(95): 19-24. https://doi.org/10.36807/1998-9849-2024-69-95-19-24
Sheldeshov N., Zabolotskii V., Loza S. Electroconductivity of Profiled Ion-exchange Membranes, Membrany i mem-brannye tekhnologii, 2014; 4(4): 261-266. https://doi.org/10.1134/S2218117214040087
Isaev N.I., Shaposhnik V.A. K metodike opredeleniya ehlektroprovodnosti ionitovykh membran, Zavodskaya labora-toriya, 1965; 31(10): 1213-1215. (In Russ.)
Shaposhnik V.A., Emel'yanov D.E., Drobysheva I.V., Kontaktno-raznostnyj metod izmereniya ehlektroprovodnosti membran, Kolloidnyj zhurnal, 1984; 46(4): 820-822. (In Russ.)
Shaposhnik V.A., Anisimova N.O., Korovkina A.S. Electrical conductivity of multilayer monopolar ion-exchange mem-branes, Sorbtsionnye i khromatografiches-kie protsessy, 2018; 18(3): 346-351. (In Russ.)
Badessa T.S., Shaposhnik V.A. Electrical conductance studies on ion ex-change membrane using contact-difference method, Electrochimica Acta, 2017; 231: 453-459. http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2017.02.108.
Badessa T.S., Shaposhnik V.A. The dependence of electrical conductivity of ion-exchange membranes on the charge of counter ions, Condensed Matter and Inter-phases, 2014; 16(2): 129-133.
Niftaliev S.I., Kozaderova O.A., Kim K.B., Matchina K.S. Izuchenie proces-sa perenosa toka v sisteme geterogennaya ionoobmennaya membrana-rastvor nitrata, Kondensirovannye sredy i mezhfaznye gra-nicy, 2016; 18(2): 232-240.
Filippov A.N., Akberova E.M., Va-sil’eva V.I. Study of the thermochemical effect on the transport and structural char-acteristics of heterogeneous ion-exchange membranes by combining the cell model and the fine-porous membrane model, Pol-ymers, 2023; 15(16): 3390. http://dx.doi.org/10.3390/polym15163390
Vasil'eva V.I., Akberova E.M., Ko-stylev D.V., Tzkhai A.A. Diagnostics of the structural and transport properties of an an-ion-exchange membrane ma-40 after use in electrodialysis of mineralized natural wa-ters, Membranes and Membrane Technolo-gies, 2019; 1(3): 153-167. http://dx.doi.org/10.1134/S2517751619030077
Yacev A.M., Akberova E.M., Goleva E.A., Vasil'eva V.I., Malykhin M.D. Diagnostika izmenenij mikrostruktury poverkhnosti i ob"ema sul'fokationoobmennoj membrany MK-40 pri ehlektrodialize sil'nomineraliziro-vannykh prirodnykh vod, Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy, 2017; 17(2): 313-322. (In Russ.)
Kharina A., Eliseeva T. Tyrosine amino acid as a foulant for the heterogene-ous anion exchange membrane, Mem-branes, 2023; 13(10): 844. http://dx.doi.org/10.3390/membranes13100844
Kozaderova O.A. Chromium-modified heterogeneous bipolar membrane: structure, characteristics, and practical ap-plication in electrodialysis, Membranes, 2023; 13(2): 172. http://dx.doi.org/10.3390/membranes13020172
Niftaliyev S.I., Kouznetsova I.V., Peregoudov Yu.S., Okshin V.V., Melnik A.V. Prospects for utilization of sewage from the "FERTILIZERS" Open joint-stock company, Ehkologiya i promyshlennost' Rossii, 2012; 5: 36-39.
Kozaderova O.A., Kim K.B., Nif-taliev S.I. Сhanges of physicochemical and transport characteristics of ion exchange membranes in the process of operation un-der demineralization of wastewater water production of nitrogen-containing mineral fertilizers, Sorbtsionnye i khromatografich-eskie protsessy, 2018; 18(6): 873-883. (In Russ.)
Demina, O.A.; Kononenko, N.A.; Falina, I.V. New approach to the character-ization of ion-exchange membranes using a set of model parameters, Pet. Chem, 2014; 54: 515-525.
Vasil'eva V.I., Akberova E.M., Goleva E.A., Jacev A.M., Chaj A.A. Iz-menenie mikrostruktury i ekspluatacionnyh harakteristik sul'fokationoobmennoj mem-brany MK-40 pri elektrodialize prirodnyh vod, Poverhnost'. Rentgenovskie, sinhro-tronnye i nejtronnye issledovanija, 2017; 4: 49-56. http://dx.doi.org/10.7868/S0207352817040199 (In Russ.)
Vasil'eva V.I., Akberova E.M., Kostylev D.V., Tzkhai A.A. Diagnostics of the structural and transport properties of an an-ion-exchange membrane MA-40 after use in electrodialysis of mineralized natural waters, Membranes and Membrane Tech-nologies, 2019; 1(3): 153-167. http://dx.doi.org/10.1134/S2517751619030077
Garcia-Vasquez W., Ghalloussi R., Dammak L., Larchet C., Nikonenko V., Grande D. Structure and properties of het-erogeneous and homogeneous ion-exchange membranes subjected to ageing in sodium hypochlorite, Journal of Mem-brane Science, 2014, 452: 104–116. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2013.10.035
