Избирательная проницаемость гомогенной бислойной мембраны МФ-4СК с селективным слоем из катионного полиэлектролита в смешанном растворе хлорида кальция и хлорида натрия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Разработаны новые гомогенные бислойные мембраны с тонким анионообменным слоем на основе сополимера N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида (ДАДМАХ) и этилметакрилата (ЭМА) на поверхности мембраны-подложки из сульфированного политетрафторэтилена. Теоретически и экспериментально исследованы общие и парциальные вольтамперные характеристики, внешне- и внутридиффузионные предельные токи. Определены параметры удельной электропроводности, сорбции и диффузионной проницаемости отдельных слоев мембран, а также эффективные числа переноса и специфическая селективность бислойных гомогенных мембран в смешанных растворах хлорида кальция и хлорида натрия.

Установлено, что нанесение тонкого анионообменного слоя ДАДМАХ и ЭМА на гомогенную мембрану позволяет получить бислойную зарядселективную мембрану с повышенной селективностью к однозарядным катионам металлов. Специфическая селективность бислойной мембраны МК-2 к катионам натрия возрастает в более чем 6 раз (с 0.77 до 4.78) относительно исходной гомогенной мембраны-подложки МФ-4СК.

Проведена верификация полученных экспериментальных данных в рамках четырехслойной математической модели с квазиравновесными граничными условиями для системы диффузионный слой (I) / модифицирующий слой (II) / мембрана-подложка (III) / диффузионный слой (IV) в тернарных растворах NaCl+CaCl2.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Р. Ачох

Кубанский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: achoh-aslan@mail.ru
Россия, Краснодар, ул. Ставропольская, 149, 350040

Д. А. Бондарев

Кубанский государственный университет

Email: achoh-aslan@mail.ru
Россия, Краснодар, ул. Ставропольская, 149, 350040

С. С. Мельников

Кубанский государственный университет

Email: achoh-aslan@mail.ru
Россия, Краснодар, ул. Ставропольская, 149, 350040

В. И. Заболоцкий

Кубанский государственный университет

Email: achoh-aslan@mail.ru
Россия, Краснодар, ул. Ставропольская, 149, 350040

Список литературы

  1. Güler E., van Baak W., Saakes M., Nijmeijer K. // J. Membrane Science. 2014. V. 455. P. 254–270.
  2. Апель П.Ю., Бобрешова О.В., Волков А.В., и др. // Мембраны и мембранные технологии. 2019. Т. 9. С. 59–80.
  3. Grimm J., Bessarabov D., Sanderson R. // Desalination. 1998. V. 115. P. 285–294.
  4. Xu T. W., Huang C. H. // AIChE J. 2008. V. 54. P. 3147–3159.
  5. Tang W., He D., Zhang C., Kovalsky P., Waite T.D. //Water Res. 2017. V. 120. P. 229–237.
  6. Li X.F.,. Zhang H.M, Mai Z.S. et al. // Energy Environ. Sci. 2011. V. 4. P. 1147–1160.
  7. Qian Y., Huang L., Pan Y., et al. // Sep. Purif. Technol. 2018. V. 192. P. 78–87.
  8. Qiu Y., Park K. // Adv. Drug Delivery Rev. 2012. V. 64. P. 49–60.
  9. Титова Т.С., Юрова П.А., Кулешова В.А. // Мембраны и мембранные технологии. 2021. Т. 11. C. 460–468.
  10. Ter Veen W.R., Koene L. // Metal Finishing. 2003. V. 101. P. 17–27
  11. Zhou Y., Yan H., Wang X., et al. // J. Membrane Science. 2016. V. 520. P. 345–353.
  12. Nir O., Sengpiel R.G., Wessling M. // Chem. Eng. J. 2018. V. 346. P. 640–648.
  13. Boucher M., Turcotte N., Guillemette V., et al. // Hydrometallurg. 1997. V. 45. P. 137–160.
  14. Díaz Nieto C., Palacios N., Verbeeck K., et al. // Water Research. 2019. V. 154 P. 117–124.
  15. Lacour S., Deluchat V., Bollinger J.C., Serpaud B. // Talanta. 1998. V. 46. P. 999–1009.
  16. Горобченко А.Д., Гиль В.В., Никоненко В.В., Шарафан М.В. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. С. 480–490.
  17. Sata T. // Royal Society of chemistry. 2007. V. 15. P. 68.
  18. Zabolotskii V., Sheldeshov N., Melnikov S. // J. Appl. Electrochem. 2013. V. 43. P. 1117–1129.
  19. Sata T. // J. Membrane Science. 1994. V. 93. P. 117–135.
  20. Abdu S., Wessling M. // ACS Applied Materials and Interfaces. 2014. V. 3. P. 1843–1854.
  21. Wang W., Liu R., Tan M., et al. // J. Membrane Science. 2019. V. 582. P. 236–245.
  22. Shkirskaya S., Kolechko M., Kononenko N. // Curr. Appl. Phys. 2015. V. 15. P. 1587–1592.
  23. Sata T., Izuo R. // J. Membrane Science. 1989. V. 45. P. 209–224.
  24. Golubenko D.V., Karavanova Yu.A., Melnikov S.S., et al. // J. Membrane Science. 2018. V. 563. P. 777–784.
  25. Bondarev D., Melnikov S., Zabolotsky V. // J. Membrane Science. 2023. V. 675. P. 121510.
  26. Nafion(tm) membranes and dispersions, URL: https://www.chemours.com/Nafion/en_US/index.html
  27. Заболоцкий В.И., Шельдешов Н.В., Шарафан М.В. // Электродимия. 2006. Т. 42. С. 1494.
  28. Заболоцкий В. И., Гнусин Н. П., Шеретова Г. М. // Журн. физ. химии. 1985. Т. 59. С. 2467–2471.
  29. Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A., Gnusin N.P. // Colloid Inter-face Sci. 2008. V. 139. P. 3.
  30. Ачох, А.Р., Заболоцкий В.И., Лебедев К.А., Шарафан М.В., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2021. Т. 11. С. 58–78.
  31. Demina O.A., Shkirskaya S.A., Kononenko N.A., Nazyrova E.V. // Russ. J. Electrochem. 2016. V. 52. P. 291.
  32. Nightingale E.R. // J. Phys. Chem. 1959. V. 109. № 43. P. 1381.
  33. Afanas’ev V.N., Tyunina E.Yu. // Russian Journal of General Chemistry. 2004. № 5. V. 74. P. 673.
  34. Zavitsas A.A. // J. Phys. Chem. 2005. V. 109. № 43. P. 20636.
  35. Sarapulova V.V., Titorova V.D., Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D. // Membranes and Membrane Technologies. 2019. V. 1. P. 168–182.
  36. Gorobchenko A., Mareev S., Vikonenko V. // Int. J. Mol. Sci. 2022, 23(9), 4711; https://doi.org/10.3390/ijms23094711

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Химическая структура катионообменной мембраны-подложки МФ-4СК (а) и анионообменного модифицирующего слоя МА-1 (б).

Скачать (45KB)
Метаданные
3. Рис. 2. ИК-спектр бислойной мембраны МК-2 со стороны катионообменного слоя (1) и со стороны анионообменного слоя (2).

Скачать (74KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость интегральной диффузионной проницаемости анионообменной мембраны МА-1 от концентрации электролита: 1 – NaCl; 2 – CaCl2.

Скачать (63KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость удельной электропроводности мембраны МА-1 от концентрации электролита: 1 – NaCl; 2 – CaCl2.

Скачать (63KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изотермы ионного обмена и донанновской сорбции в системе мембрана/тернарный раствор CaCl2 + NaCl c суммарной концентрацией 0.03 моль-экв/л. Маркерами показаны экспериментальные данные: 1 – МФ-4КС, 2 – МА-1; линиями показан расчет по уравнениям 3 и 4.

Скачать (85KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Общие ВАХ и парциальные токи по продуктам диссоциации воды бислойных гомогенных мембран в растворе 0.015 моль-экв/л NaCl и 0.015 моль-экв/л CaCl2 при скорости вращения мембранного диска 100 об/мин: 1, 4 – МФ-4СК; 2, 5– МК-1 с толщиной модифицирующей пленки 6 мкм; 3, 6 – МК-2 с толщиной модифицирующей пленки 24 мкм.

Скачать (136KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость предельной плотности тока от квадратного корня угловой скорости ВМД в смешанном растворе 0.015 моль-экв/л NaCl и 0.015 моль-экв/л CaCl2. Пунктирной линией показаны значения предельной плотности тока, рассчитанные по формуле 7. Маркерами показаны экспериментальные значения предельных токов, найденные методом касательных для мембран: 1 – МФ-4СК; 2 – МК-1; 3 – МК-2.

Скачать (80KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость коэффициента специфической селективности PNa+/Ca2+ от безразмерной плотности электрического тока в смешанном растворе 0.015 моль-экв/л NaCl и 0.015 моль-экв/л CaCl2 при скорости вращения мембранного диска 100 об/мин: маркерами представлены экспериментальные данные, сплошной линией показан расчет по четырехслойной математической модели [30], пунктирной линией показано предельное значение коэффициента селективной проницаемости рассчитанное по уравнению 11.

Скачать (106KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024