Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2612269C1 - Method of producing composite anion-exchange membrane - Google Patents

Method of producing composite anion-exchange membrane Download PDF

Info

Publication number
RU2612269C1
RU2612269C1 RU2015150444A RU2015150444A RU2612269C1 RU 2612269 C1 RU2612269 C1 RU 2612269C1 RU 2015150444 A RU2015150444 A RU 2015150444A RU 2015150444 A RU2015150444 A RU 2015150444A RU 2612269 C1 RU2612269 C1 RU 2612269C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
solution
anion
exchange
hcl
Prior art date
Application number
RU2015150444A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Светлана Алексеевна Шкирская
Наталья Анатольевна Кононенко
Наталья Владимировна Лоза
Ирина Владимировна Фалина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ")
Priority to RU2015150444A priority Critical patent/RU2612269C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2612269C1 publication Critical patent/RU2612269C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/58Other polymers having nitrogen in the main chain, with or without oxygen or carbon only
    • B01D71/60Polyamines

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Macromolecular Compounds Obtained By Forming Nitrogen-Containing Linkages In General (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to a method of producing anion-exchange membranes with improved electrotransport characteristics used in the electrodialysis apparatus for processing of various technological solutions. The method of producing an anion-exchange membrane comprises placing of the anion-exchange membrane with positively charged fixed groups in a two-compartment cell formed by vertically fixed membrane, one of its chambers is filled with water, the other one is filled consecutively with (NH4)2S2O8 ammonium persulfate solution, then with 1 M aniline solution prepared at 1 M HCl, characterized by using 0.5 M (NH4)2S2O8 ammonium persulfate made with 1 M HCl solution, and the membrane is being reacted by the resulting ammonium persulfate solution for 10-30 minutes, then the aniline solution is used for 10-30 minutes, wherein the positively charged fixed groups of anion-exchange membrane are nitrogen-containing.
EFFECT: invention reduces the time of producing anion-exchange composite membrane with a layer of polyaniline showing high conductivity.
9 dwg

Description

Изобретение относится к способу получения анионообменных мембран с улучшенными электротранспортными характеристиками, применяемых в электродиализных аппаратах для переработки различных технологических растворов.The invention relates to a method for producing anion-exchange membranes with improved electrical transport characteristics used in electrodialysis apparatus for processing various technological solutions.

Известен способ получения композиционной ионообменной мембраны, модифицированной полианилином [патент на изобретение РФ №2411070 Композиционная ионообменная мембрана МПК Β01D 71/60 (2006.01) / Шкирская С.А., Сычева А.А.-Р., Березина Н.П., Тимофеев С.В., Криштопа М.В. - №2009131427/05; Заявл. 18.08.2009; Опубл. 10.02.2011]. Перфторированную сульфокатионитовую мембрану МФ-4СК предварительно выдерживали в растворе HCl для перевода в Н+-форму, а затем вертикально закрепляли между камерами двухкамерной ячейки, в одну из ее камер заливали 1 M раствор протонированного анилина (C6H5NH3 +), а в другую - дистиллированную воду. В течение часа матрица насыщалась ионами протонированного анилина по механизму обменной и необменной сорбции. Затем раствор протонированного анилина заменяли на полимеризующий раствор, в качестве которого был взят водный раствор 0,1 M персульфата аммония (NH4)2S2O8. Время контакта с полимеризующим раствором варьировалось от 1 до 3 часов. Барьерный слой полианилина получен последовательной диффузией растворов протонированного анилина и персульфата аммония через мембрану в воду.A known method of producing a composite ion-exchange membrane modified by polyaniline [patent for the invention of the Russian Federation No. 2411070 Composite ion-exchange membrane MPK Β01D 71/60 (2006.01) / Shkirskaya SA, Sycheva A.A.-R., Berezina NP, Timofeev S.V., Krishtopa M.V. - No. 2009131427/05; Claim 08/18/2009; Publ. 02/10/2011]. The perfluorinated sulfonic cation-ion exchange membrane MF-4SK was preliminarily kept in an HCl solution for conversion to the H + form, and then vertically fixed between the chambers of the two-chamber cell, a 1 M solution of protonated aniline (C 6 H 5 NH 3 + ) was poured into one of its chambers, and distilled water into another. For an hour, the matrix was saturated with protonated aniline ions by the mechanism of exchange and non-exchange sorption. Then, the protonated aniline solution was replaced by a polymerizing solution, which was taken as an aqueous solution of 0.1 M ammonium persulfate (NH 4 ) 2 S 2 O 8 . The contact time with the polymerizing solution ranged from 1 to 3 hours. The polyaniline barrier layer was obtained by sequential diffusion of solutions of protonated aniline and ammonium persulfate through a membrane into water.

В катионообменных мембранах, как на перфторированной, так и на полистирольной матрице, мономер - ион фениламмония (An+) является противоионом, поэтому этот способ не применим для модификации анионообменной мембраны.In cation-exchange membranes, both on a perfluorinated and on a polystyrene matrix, the phenylammonium ion monomer (An + ) is a counterion, therefore this method is not applicable for modification of the anion-exchange membrane.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ получения композитной анионообменной мембраны с полианилином, заключающийся в том, что на мембрану на основе сополимера стирола сшитого дивинилбензолом последовательно воздействуют водным раствором 1 M персульфата аммония (NH4)2S2O8 в течение 1 часа, а затем 10% анилином на 1М HCl в течение 1 или 2, или 3, или 4 часов в двухкамерной ячейке [R.K. Nagarale, G.S. Gohil, V.K. Shahi, G.S. Trivedi, R. Rangarajan Preparation and electrochemical characterization of cation- and anion-exchange/polyaniline composite membranes // J. Colloid and Interface Science 2004. V. 277. P. 162-171]. К недостаткам способа относится длительность процесса получения и то, что такой способ получения не приводит к значительному увеличению удельной электропроводности полученной композитной мембраны. Так при 5-часовом модифицировании достигается увеличение электропроводности мембраны на 10%.The closest analogue to the claimed method is a method for producing a composite anion-exchange membrane with polyaniline, namely, that a membrane based on styrene copolymer crosslinked with divinylbenzene is successively exposed to an aqueous solution of 1 M ammonium persulfate (NH 4 ) 2 S 2 O 8 for 1 hour, and then 10% aniline in 1M HCl for 1 or 2, or 3, or 4 hours in a two-chamber cell [RK Nagarale, GS Gohil, VK Shahi, GS Trivedi, R. Rangarajan Preparation and electrochemical characterization of cation- and anion-exchange / polyaniline composite membranes // J. Colloid and Interface Science 2004. V. 277. P. 162-171]. The disadvantages of the method include the length of the production process and the fact that such a production method does not lead to a significant increase in the electrical conductivity of the obtained composite membrane. So with a 5-hour modification, an increase in membrane conductivity by 10% is achieved.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение времени получения анионообменной композитной мембраны со слоем полианилина, обладающей высокой удельной электропроводностью.The technical result of the claimed invention is to reduce the time to obtain an anion-exchange composite membrane with a polyaniline layer having high electrical conductivity.

Для достижения технического результата анионообменные мембраны с азотсодержащими положительно заряженными фиксированными группами, в качестве которых могут быть взяты, например, мембраны МА-40 или МА-41, вертикально закрепляют в двухкамерной ячейке, одну из камер которой наполняют водой, а другую - растворами различных составов и концентраций. В качестве раствора используют сначала 0,5 M персульфат аммония (NH4)2S2O8, приготовленный на 1М HCl, и подвергают воздействию в течение 10-30 минут, а затем используют раствор 1М анилина на 1М HCl в течение 10-30 минут.To achieve a technical result, anion-exchange membranes with nitrogen-containing positively charged fixed groups, for example, MA-40 or MA-41 membranes, can be taken vertically in a two-chamber cell, one of the chambers of which is filled with water and the other with solutions of various compositions and concentrations. First, 0.5 M ammonium persulfate (NH 4 ) 2 S 2 O 8 prepared on 1 M HCl is used as a solution and exposed for 10-30 minutes, and then a solution of 1 M aniline on 1 M HCl for 10-30 minutes.

Отличительными признаками заявляемого способа по сравнению с прототипом являются:Distinctive features of the proposed method in comparison with the prototype are:

- уменьшение в два раза концентрации раствора персульфата аммония и использование соляной кислоты для его приготовления,- halving the concentration of a solution of ammonium persulfate and the use of hydrochloric acid for its preparation,

- уменьшение времени, затраченного на получение мембраны, в 2-5 раз.- reducing the time taken to obtain the membrane, 2-5 times.

На рис. 1 представлена кинетика изменения проводимости раствора в камере с водой в процессе диффузии водного раствора 1 M (NH4)2S2O8; на рис. 2 - кинетика изменения проводимости раствора в камере с водой в процессе диффузии 1М раствора солянокислого анилина; на рис. 3 - концентрационные зависимости удельной электропроводности мембран МА-41 (кривая 1) и мембраны МА-41/ПАн (кривая 2), полученной по примеру 1, в растворе хлорида натрия; на рис. 4 - кинетика изменения проводимости растворов в камере с водой в процессе диффузии водного раствора 0,3 M (NH4)2S2O8, рис. 4а) и 0,5 M солянокислого анилина, рис. 4б); на рис. 5 - концентрационная зависимость удельной электропроводности мембран МА-41 (кривая 1) и МА-41/ПАн (кривая 2), полученной по примеру 2, в растворе хлорида натрия; на рис. 6 - кинетика изменения проводимости раствора в камере с водой в процессе диффузии раствора 0,5 M (NH4)2S2O8 + 1 M HCl, рис. 6a) и 1 M C6H5NH2 + 1 M HC1, рис. 6б) через мембрану МА-41; на рис. 7 - кинетика изменения проводимости раствора в камере с водой в процессе диффузии раствора 0,5 M (NH4)2S2O8 + 1 M HCl, рис. 7а) и 1 M C6H5NH2 +1 M HCl, рис. 7б) через мембрану МА-40; на рис. 8 - концентрационная зависимость удельной электропроводности исходной мембраны (кривая 1) и композита с полианилином на ее основе (кривая 2) в растворе хлорида натрия: рис. 8а) МА-41 и MA-41/ПАн, рис. 8б) МА-40 и MA-40/ПАн; на рис. 9 - концентрационные зависимости чисел переноса воды исследуемых мембран МА-40 (кривая 1), MA-40/ПАн (кривая 2), полученная по примеру 4 в растворах NaCl. На рисунках 3, 5, 8, 9 кривые 1 относятся к данным для исходных мембран, а кривые 2 - к данным для модифицированных мембран.In fig. 1 shows the kinetics of changes in the conductivity of a solution in a chamber with water during the diffusion of an aqueous solution of 1 M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 ; in fig. 2 - kinetics of changes in the conductivity of a solution in a chamber with water during the diffusion of a 1M solution of aniline hydrochloride; in fig. 3 - concentration dependences of the electrical conductivity of the MA-41 membranes (curve 1) and the MA-41 / PAn membrane (curve 2) obtained in Example 1 in a solution of sodium chloride; in fig. 4 - kinetics of changes in the conductivity of solutions in a chamber with water during the diffusion of an aqueous solution of 0.3 M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 , Fig. 4a) and 0.5 M aniline hydrochloride, Fig. 4b); in fig. 5 - concentration dependence of the electrical conductivity of the membranes MA-41 (curve 1) and MA-41 / PAn (curve 2) obtained in example 2 in a solution of sodium chloride; in fig. 6 - kinetics of changes in the conductivity of a solution in a chamber with water during the diffusion of a solution of 0.5 M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + 1 M HCl, Fig. 6a) and 1 MC 6 H 5 NH 2 + 1 M HC1, Fig. 6b) through the MA-41 membrane; in fig. 7 - kinetics of changes in the conductivity of a solution in a chamber with water during the diffusion of a solution of 0.5 M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + 1 M HCl, Fig. 7a) and 1 MC 6 H 5 NH 2 +1 M HCl, Fig. 7b) through the MA-40 membrane; in fig. 8 - concentration dependence of the electrical conductivity of the original membrane (curve 1) and the composite with polyaniline based on it (curve 2) in a solution of sodium chloride: Fig. 8a) MA-41 and MA-41 / PAn, Fig. 8b) MA-40 and MA-40 / PAn; in fig. 9 - concentration dependences of the water transfer numbers of the studied membranes MA-40 (curve 1), MA-40 / PAn (curve 2) obtained according to example 4 in NaCl solutions. In Figures 3, 5, 8, 9, curves 1 refer to the data for the original membranes, and curves 2 to the data for the modified membranes.

Пример 1Example 1

В качестве исходной мембраны использовали гетерогенную анионообменную мембрану МА-41. Исходная мембрана разделяет камеры непроточной ячейки, в одной из которых находится дистиллированная вода, а в другую последовательно наливаем растворы. Сначала в камеру ячейки заливаем 1 M водный раствор персульфата аммония ((NH4)2S2O8), который является окислителем процесса полимеризации анилина. Диффузионный процесс проходит с перемешиванием в течение часа. Измерялась кинетика изменения проводимости растворов в камере с водой. При этом на рис. 1 видно изменение наклона кривой через 35 минут. Это означает, что сначала диффузия раствора (NH4)2S2O8 проходит медленнее в 1,7 раз. Это можно объяснить тем, что в течение 35 минут осуществляется процесс ионного обмена между противоионами хлора и ионами персульфата, диффундирующими через мембрану, поэтому диффузия раствора (NH4)2S2O8 заторможена.The heterogeneous anion-exchange membrane MA-41 was used as the initial membrane. The original membrane separates the cells of the non-flowing cell, in one of which is distilled water, and in the other we pour the solutions sequentially. First, pour a 1 M aqueous solution of ammonium persulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) into the cell chamber, which is an oxidizing agent for the aniline polymerization process. The diffusion process takes place with stirring for an hour. The kinetics of changes in the conductivity of solutions in a chamber with water was measured. Moreover, in fig. 1 shows the change in the slope of the curve after 35 minutes. This means that at first the diffusion of the (NH 4 ) 2 S 2 O 8 solution is 1.7 times slower. This can be explained by the fact that within 35 minutes the ion exchange process between the chlorine counterions and persulfate ions diffusing through the membrane occurs, therefore, the diffusion of the solution (NH 4 ) 2 S 2 O 8 is inhibited.

Figure 00000001
Figure 00000001

Далее протекает обычный процесс диффузии иона S2O8 2-, без дополнительных затормаживающих эффектов, в результате чего скорость процесса диффузии в камеру с водой возрастает.Then the usual process of diffusion of the S 2 O 8 2– ion proceeds, without additional inhibitory effects, as a result of which the speed of the diffusion process into the chamber with water increases.

Затем раствор заменяем на раствор 1 М анилина, приготовленного на 1М HCl (солянокислый анилин). Процесс длится в течение часа. За изменением проводимости в камере с водой наблюдаем, измеряя сопротивление воды кондуктометрически (рис. 2). Как видно из рис. 2, процесс диффузии раствора солянокислого анилина протекает с изменением скорости. Сначала происходит обмен противоионов персульфата на ионы хлора, сопровождающийся необменной сорбцией коионов фениламмония (первый участок на кривой). Далее, через 20 минут, скорость процесса резко падает в результате того, что на поверхности гетерогенной мембраны МА-41 образуется полианилин, проявляющий блокирующие свойства к переносу ионов.Then the solution is replaced with a solution of 1 M aniline prepared in 1 M HCl (aniline hydrochloride). The process lasts for an hour. We observe the change in conductivity in a chamber with water by measuring the resistance of water conductometric (Fig. 2). As can be seen from fig. 2, the diffusion process of the aniline hydrochloride solution proceeds with a change in speed. First, the exchange of persulfate counterions to chlorine ions occurs, accompanied by non-exchange sorption of phenylammonium coions (the first section on the curve). Further, after 20 minutes, the process speed drops sharply as a result of the formation of polyaniline on the surface of the MA-41 heterogeneous membrane, which exhibits blocking properties for ion transfer.

Figure 00000002
Figure 00000002

После этого растворы сливают и мембрану отмывают от растворов водой, а затем помещают в раствор 1 М HCl для перевода полианилина в проводящую форму эмеральдин соль. Полученная композитная мембрана имеет темно-зеленую окраску с одной стороны, а с другой остается желтоватой, как и исходная. Затем мембрану уравновешивали с растворами NaCl различных концентраций для проведения экспериментов по определению электропроводности. Из рис. 3 видно, что при переходе от исходной мембраны к модифицированной происходит уменьшение электропроводности примерно на 25%.After that, the solutions are drained and the membrane is washed from the solutions with water, and then placed in a solution of 1 M HCl to convert polyaniline to the conductive form of emeraldine salt. The resulting composite membrane has a dark green color on the one hand, and on the other remains yellowish, like the original one. Then the membrane was balanced with NaCl solutions of various concentrations for conducting experiments to determine electrical conductivity. From fig. It can be seen from Fig. 3 that, when passing from the initial membrane to the modified one, the conductivity decreases by about 25%.

Пример 2Example 2

Были проведены исследования по получению композита на основе МА-41 с применением меньших концентраций растворов, но с увеличением времени синтеза. В качестве растворов применялись 0,3 M водный раствор (NH4)2S2O8, который пропускали через мембрану в течение 1 часа, а затем - раствор 0,5 M анилина на фоне 0,5 M HCl в течение 1 часа. Из рис. 4а видно, что изменение проводимости воды от времени диффузии водного раствора 0,3 M (NH4)2S2O8 через мембрану имеет линейный характер, т.е. в процессе всего времени эксперимента проходит ионный обмен между противоионами хлора и ионами персульфата, диффундирующими через мембрану. Изменение наклона кривой на рис. 4б свидетельствует о том, что диффузия 0,5 M солянокислого анилина протекает с изменением скорости процесса. Сначала происходит более быстрый процесс обмена противоионов персульфата на ионы хлора, сопровождающийся необменной сорбцией коионов фениламмония. Затем скорость процесса уменьшается примерно в два раза. Это говорит о том, что на поверхности мембраны образовался слой полианилина, который затрудняет перенос раствора через мембрану.Studies have been conducted to obtain a composite based on MA-41 using lower concentrations of solutions, but with an increase in synthesis time. As solutions, a 0.3 M aqueous solution of (NH 4 ) 2 S 2 O 8 was used , which was passed through the membrane for 1 hour, and then a solution of 0.5 M aniline against 0.5 M HCl for 1 hour. From fig. Figure 4a shows that the change in water conductivity as a function of diffusion time of an aqueous solution of 0.3 M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 through the membrane is linear, i.e. during the entire experiment, an ion exchange takes place between the chlorine counterions and persulfate ions diffusing through the membrane. The change in the slope of the curve in Fig. 4b indicates that the diffusion of 0.5 M aniline hydrochloride proceeds with a change in the process rate. First, a faster process of exchange of persulfate counterions to chlorine ions occurs, accompanied by non-exchange sorption of phenylammonium coions. Then the speed of the process decreases by about half. This suggests that a layer of polyaniline has formed on the surface of the membrane, which makes it difficult to transfer the solution through the membrane.

Исследование электропроводности полученного композита МА-41/ПАн показало уменьшение этой характеристики по сравнению с исходной мембраной МА-41. Из рис. 5 видно, что значения электропроводности для образцов, полученных по примеру 2, уменьшаются на 50% по сравнению с исходной мембраной. Из литературных источников [S. Tan, D. Be'langer Characterization and Transport Properties of Nafion/Polyaniline Composite Membranes // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. P. 23480-23490.] известно, что уменьшение концентрации растворов, используемых для модифицирования катионообменных мембран, приводит к образованию более протяженных цепей полианилина и более высокой электропроводности, однако на анионообменных мембранах происходит уменьшение электропроводности.The study of the electrical conductivity of the obtained MA-41 / PAn composite showed a decrease in this characteristic in comparison with the initial MA-41 membrane. From fig. 5 it is seen that the conductivity values for the samples obtained in example 2 are reduced by 50% compared with the original membrane. From literary sources [S. Tan, D. Be'langer Characterization and Transport Properties of Nafion / Polyaniline Composite Membranes // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. P. 23480-23490.] It is known that a decrease in the concentration of solutions used to modify cation-exchange membranes leads to the formation of longer polyaniline chains and higher electrical conductivity, but a decrease in electrical conductivity occurs on anion-exchange membranes.

Анализируя кинетику переноса растворов в процессе синтеза, можно сделать вывод, что слой полианилина при использовании синтеза по примеру 1 или 2 образуется через 20-25 минут после начала переноса мономера анилина.Analyzing the kinetics of the transfer of solutions during the synthesis, it can be concluded that the polyaniline layer using the synthesis of example 1 or 2 is formed 20-25 minutes after the start of transfer of aniline monomer.

Пример 3Example 3

В качестве исходной мембраны использовали гетерогенную анионообменную мембрану МА-41. Исходная мембрана разделяет камеры непроточной ячейки, в одной из которых находится дистиллированная вода, а в другую последовательно наливают растворы. Сначала в рабочую камеру ячейки заливают 0,5 M раствор персульфата аммония ((NH4)2S2O8), приготовленного на 1 M растворе HCl на 30 минут. Затем растворы сливают и в камеру в качестве рабочего раствора заливают 1 M солянокислый анилин (1 M C6H5NH2 + 1 M HCl) на 30 минут. Диффузионный перенос растворов проходит с перемешиванием.The heterogeneous anion-exchange membrane MA-41 was used as the initial membrane. The original membrane separates the cells of the non-flowing cell, in one of which is distilled water, and the solutions are successively poured into the other. First, a 0.5 M solution of ammonium persulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) prepared in a 1 M HCl solution for 30 minutes is poured into the cell’s working chamber. Then the solutions are drained and 1 M aniline hydrochloride (1 MC 6 H 5 NH 2 + 1 M HCl) is poured into the chamber as a working solution for 30 minutes. The diffusion transfer of solutions takes place with stirring.

Исследование кинетики полимеризации анилина путем изменения проводимости в камере с водой показало характер зависимостей, аналогичный тому, как и в примере 1 (рис. 1, 2), но процессы протекают более быстро за счет присутствия кислоты в растворе персульфата аммония (рис. 6а). Изменение наклона кривой примерно в 2 раза (рис. 6б) свидетельствует о том, что процесс диффузии раствора солянокислого анилина протекает с изменением скорости. Сначала происходит обмен противоионов персульфата на ионы хлора, сопровождающийся необменной сорбцией коионов фениламмония (первый участок на кривой). Далее, через 10 минут после начала процесса диффузии солянокислого анилина, скорость процесса резко падает в результате того, что на поверхности гетерогенной мембраны МА-41 образуется полианилин, проявляющий блокирующие свойства к переносу ионов. Для прекращения процесса полимеризации анилина раствор сливают и мембрану отмывают от рабочего раствора водой, а затем помещают в 1М HCl для перевода полианилина в проводящую форму эмеральдин соль. Полученная композитная мембрана имеет темно-зеленую окраску с одной стороны, а с другой остается желтоватой, как и исходная.A study of the kinetics of aniline polymerization by changing the conductivity in a chamber with water showed the nature of the dependences, similar to that in Example 1 (Figs. 1, 2), but the processes proceed more rapidly due to the presence of acid in a solution of ammonium persulfate (Fig. 6a). A change in the slope of the curve by about 2 times (Fig. 6b) indicates that the process of diffusion of the aniline hydrochloride solution proceeds with a change in speed. First, the exchange of persulfate counterions to chlorine ions occurs, accompanied by non-exchange sorption of phenylammonium coions (the first section on the curve). Further, 10 minutes after the start of the diffusion process of aniline hydrochloride, the process speed drops sharply as a result of the formation of polyaniline on the surface of the heterogeneous MA-41 membrane, which exhibits blocking properties for ion transfer. To terminate the aniline polymerization process, the solution is drained and the membrane is washed from the working solution with water, and then placed in 1 M HCl to convert polyaniline to the conductive form of emeraldine salt. The resulting composite membrane has a dark green color on the one hand, and on the other remains yellowish, like the original one.

Пример 4Example 4

В качестве исходной мембраны использовали гетерогенную анионообменную мембрану МА-40. Исходная мембрана разделяет камеры непроточной ячейки, в одной из которых находится дистиллированная вода, а в другую последовательно наливают растворы. Диффузионный перенос растворов проходит с перемешиванием. Сначала в рабочую камеру ячейки заливают 0,5 M раствор персульфата аммония ((NH4)2S2O8), приготовленного на 1 M растворе HCl на 30 минут. Затем растворы сливают и в камеру в качестве рабочего раствора заливают 1 M солянокислый анилин (1 M C6H5NH2 + 1 M HCl) на 30 минут. При этом на рис. 7а) видно изменение наклона кривой через 10 минут. Это означает, что сначала диффузия раствора (NH4)2S2O8 проходит медленнее за счет процесса ионного обмена между противоионами хлора и ионами персульфата, диффундирующими через мембрану, поэтому диффузия раствора (NH4)2S2O8 заторможена. Далее протекает обычный процесс диффузии иона S2O8 2-, без дополнительных затормаживающих эффектов, в результате чего скорость процесса диффузии в камеру с водой возрастает.The heterogeneous anion-exchange membrane MA-40 was used as the initial membrane. The original membrane separates the cells of the non-flowing cell, in one of which is distilled water, and the solutions are successively poured into the other. The diffusion transfer of solutions takes place with stirring. First, a 0.5 M solution of ammonium persulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) prepared in a 1 M HCl solution for 30 minutes is poured into the cell’s working chamber. Then the solutions are drained and 1 M aniline hydrochloride (1 MC 6 H 5 NH 2 + 1 M HCl) is poured into the chamber as a working solution for 30 minutes. Moreover, in fig. 7a) the change in the slope of the curve is visible after 10 minutes. This means that at first the diffusion of the (NH 4 ) 2 S 2 O 8 solution proceeds more slowly due to the ion exchange process between the chlorine counterions and persulfate ions diffusing through the membrane; therefore, the diffusion of the (NH 4 ) 2 S 2 O 8 solution is inhibited. Then the usual process of diffusion of the S 2 O 8 2– ion proceeds, without additional inhibitory effects, as a result of which the speed of the diffusion process into the chamber with water increases.

Исследование кинетики полимеризации анилина путем изменения проводимости в камере с водой показало (рис. 7б)) уменьшение наклона кривой примерно в 2 раза через 10 мин после начала процесса диффузии солянокислого анилина. Это свидетельствует о том, что образование слоя полианилина происходит уже через 10 минут, а далее происходит эпитаксиальный рост цепей полианилина после 10-15 минут и до прекращения процесса полимеризации. Далее растворы сливают и мембрану отмывают от рабочих растворов водой, а затем помещают в раствор 1 M HCl для перевода полианилина в проводящую форму эмеральдин соль. Полученная композитная мембрана имеет темно-зеленую окраску с одной стороны, а с другой остается желтоватой, как и исходная.A study of the kinetics of aniline polymerization by changing the conductivity in a chamber with water showed (Fig. 7b)) a decrease in the slope of the curve by about 2 times 10 min after the start of the diffusion process of aniline hydrochloride. This indicates that the formation of the polyaniline layer occurs after 10 minutes, and then the epitaxial growth of polyaniline chains occurs after 10-15 minutes and until the termination of the polymerization process. Then the solutions are drained and the membrane is washed from the working solutions with water, and then placed in a solution of 1 M HCl to convert polyaniline to the conductive form of emeraldine salt. The resulting composite membrane has a dark green color on the one hand, and on the other remains yellowish, like the original one.

Мембраны, изготовленные по примерам 3, 4, уравновешивались с растворами NaCl различных концентраций для проведения экспериментов по определению удельной электропроводности. Исследование электропроводности композитов МА-41/ПАн и MA-40/ПАн показало существенное увеличение электропроводности на 50% по сравнению с исходными мембранами (рис. 8), что достигнуто впервые. Таким образом, применение в процессах электродиализа анионообменных мембран со слоем полианилина приведет к уменьшению энергозатрат вследствие повышения проводимости электромембранной системы.The membranes made according to examples 3, 4 were balanced with NaCl solutions of various concentrations for conducting experiments to determine the electrical conductivity. The study of the electrical conductivity of composites MA-41 / PAn and MA-40 / PAn showed a significant increase in electrical conductivity by 50% compared to the initial membranes (Fig. 8), which was achieved for the first time. Thus, the use of anion-exchange membranes with a layer of polyaniline in electrodialysis processes will lead to a decrease in energy consumption due to an increase in the conductivity of the electro-membrane system.

Известно, что основными характеристиками, определяющими эффективность работы электродиализатора концентратора, являются производительность и солесодержание. Производительность определяется выходом по току, а солесодержание - электроосмотическим и осмотическим переносом воды и эффектом обратной диффузии концентрата из камеры концентрирования в камеру обессоливания. В работе [К.В. Протасов, С.А. Шкирская, Н.П. Березина, В.И. Заболоцкий // Электрохимия. 2010. - Т. 46, - №10. - С. 1209-1218.] показано, что определяющую роль на процесс электродиализного концентрирования оказывает электроосмотический перенос воды, тогда как влияние диффузионной составляющей потока соли пренебрежимо мало. Поэтому для оценки эффективности применения полученных композитов в электродиализных процессах исследовали электроосмотическую проницаемость, количественной характеристикой которой являются числа переноса воды. Изучение концентрационных зависимостей чисел переноса воды исходных анионообменных мембран МА-40 и композитов с полианилином MA-40/ПАн (рис. 9) показало, что модифицирование полианином привело к небольшому увеличению чисел переноса воды через композитную мембрану. Это возрастание составляет (10-15)% относительно исходной мембраны МА-40 в диапазоне концентраций от 0,1 M до 0,75 M NaCl. При дальнейшем увеличении концентрации до 3 М различия в значениях чисел переноса воды для исходной и модифицированной мембраны не выходят за пределы погрешности эксперимента. Дальнейшее введение полианилина в анионообменную мембрану нецелесообразно, т.к. при выбранных условиях получения композитных мембран мы достигаем поставленной цели с наименьшими временными затратами и оптимальным набором их свойств.It is known that the main characteristics that determine the efficiency of the concentrator electrodialyzer are productivity and salinity. Productivity is determined by current efficiency, and salinity is determined by electroosmotic and osmotic water transfer and the effect of backdiffusion of the concentrate from the concentration chamber to the desalination chamber. In the work [K.V. Protasov, S.A. Shkirskaya, N.P. Berezina, V.I. Zabolotsky // Electrochemistry. 2010. - T. 46, - No. 10. - S. 1209-1218.] It is shown that the electroosmotic transfer of water has a decisive role in the electrodialysis concentration process, while the influence of the diffusion component of the salt stream is negligible. Therefore, to assess the effectiveness of the use of the obtained composites in electrodialysis processes, the electroosmotic permeability was studied, the quantitative characteristic of which is the water transfer numbers. A study of the concentration dependences of the water transfer numbers of the initial MA-40 anion-exchange membranes and composites with MA-40 / PAn polyaniline (Fig. 9) showed that the modification with polyanine led to a slight increase in the numbers of water transfer through the composite membrane. This increase is (10-15)% relative to the original MA-40 membrane in the concentration range from 0.1 M to 0.75 M NaCl. With a further increase in the concentration to 3 M, the differences in the values of the water transfer numbers for the initial and modified membranes do not go beyond the experimental error. Further introduction of polyaniline into the anion exchange membrane is impractical because under the selected conditions for the production of composite membranes, we achieve our goal with the least time and optimal set of their properties.

Указанная совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата, а именно:The specified set of essential features provides a technical result, namely:

- уменьшение времени изготовления композитной мембраны в 2-5 раз;- reduction of the manufacturing time of the composite membrane by 2-5 times;

- полученная мембрана обладает большей электропроводностью, что делает перспективным ее использование в электродиализных аппаратах.- the resulting membrane has greater electrical conductivity, which makes it promising to use it in electrodialysis machines.

Claims (1)

Способ получения анионообменной мембраны, включающий размещение анионообменной мембраны с положительно заряженными фиксированными группами в двухкамерной ячейке, образованной вертикально закрепленной мембраной, одну из камер которой наполняют водой, а другую - последовательно растворами персульфата аммония (NH4)2S2O8, а затем 1 М анилина, приготовленного на 1 М HCl, отличающийся тем, что используют 0,5 М персульфат аммония (NH4)2S2O8, приготовленный на растворе 1 М HCl, и воздействуют на мембрану полученным раствором персульфата аммония в течение 10-30 минут, а затем используют раствор анилина в течение 10-30 минут, при этом положительно заряженные фиксированные группы анионообменной мембраны являются азотсодержащими.A method for producing an anion exchange membrane, comprising placing an anion exchange membrane with positively charged fixed groups in a two-chamber cell formed by a vertically fixed membrane, one of the chambers of which is filled with water and the other sequentially with solutions of ammonium persulfate (NH 4 ) 2 S 2 O 8 , and then 1 M aniline, prepared in 1 M HCl, characterized in that a 0.5 M ammonium persulphate (NH 4) 2 S 2 O 8 solution prepared in 1 M HCl, and act on the membrane with the resulting solution of ammonium persulfate in those ix 10-30 minutes and then used aniline solution over a period of 10-30 minutes while positively charged fixed groups are nitrogen-containing anion exchange membrane.
RU2015150444A 2015-11-24 2015-11-24 Method of producing composite anion-exchange membrane RU2612269C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150444A RU2612269C1 (en) 2015-11-24 2015-11-24 Method of producing composite anion-exchange membrane

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150444A RU2612269C1 (en) 2015-11-24 2015-11-24 Method of producing composite anion-exchange membrane

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2612269C1 true RU2612269C1 (en) 2017-03-03

Family

ID=58459323

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015150444A RU2612269C1 (en) 2015-11-24 2015-11-24 Method of producing composite anion-exchange membrane

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2612269C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2802630C1 (en) * 2022-11-28 2023-08-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") Method for producing a composite anion exchange membrane

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6465120B1 (en) * 1999-09-20 2002-10-15 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Composite polymer membrane, method for producing the same and solid polymer electrolyte membrane
RU2411070C1 (en) * 2009-08-18 2011-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ГОУ ВПО КубГУ) Composite ion-exchange membrane
RU2481885C1 (en) * 2012-04-06 2013-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Method of producing composite membrane with fixed polyaniline layer thickness

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6465120B1 (en) * 1999-09-20 2002-10-15 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Composite polymer membrane, method for producing the same and solid polymer electrolyte membrane
RU2411070C1 (en) * 2009-08-18 2011-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ГОУ ВПО КубГУ) Composite ion-exchange membrane
RU2481885C1 (en) * 2012-04-06 2013-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Method of producing composite membrane with fixed polyaniline layer thickness

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R.K. Nagarale, G.S. Gohil, V.K. Shahi, G.S. Trivedi, R. Rangarajan Preparation and electrochemical characterization of cation- and anion-exchange/polyaniline composite membranes // J. Colloid and Interface Science 2004. V. 277. P. 162-171. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2802630C1 (en) * 2022-11-28 2023-08-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") Method for producing a composite anion exchange membrane

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sata et al. Interaction between anionic polyelectrolytes and anion exchange membranes and change in membrane properties
Sata Studies on ion exchange membranes with permselectivity for specific ions in electrodialysis
US8716358B2 (en) Anion exchange membrane and method for producing same
US3654125A (en) Apparatus for electrodialysis of electrolytes employing bilaminar ion exchange membranes
Yang et al. High selectivities among monovalent cations in dialysis through cation-exchange membranes coated with polyelectrolyte multilayers
Chatterjee et al. Amphiphilic poly (acrylonitrile)-co-poly (2-dimethylamino) ethyl methacrylate conetwork-based anion exchange membrane for water desalination
CN102728241B (en) Anti-pollution separation membrane and preparation method
DE2659364A1 (en) BIPOLAR POLYMER MEMBRANE AND METHOD FOR MANUFACTURING IT
Choi et al. Electrochemical characterization of poly (vinyl alcohol)/formyl methyl pyridinium (PVA-FP) anion-exchange membranes
Melnikov et al. Transport properties of bilayer and multilayer surface-modified ion-exchange membranes
Sata et al. Preparation and properties of composite membranes composed of anion-exchange membranes and polypyrrole
JP2006346673A (en) Ion-exchangeable mixture and its producing method
Sata et al. Modification of the transport properties of ion exchange membranes. XII. Ionic composition in cation exchange membranes with and without a cationic polyelectrolyte layer at equilibrium and during electrodialysis
Li et al. Enhanced conductivity of monovalent cation exchange membranes with chitosan/PANI composite modification
RU2612269C1 (en) Method of producing composite anion-exchange membrane
EP1188784B1 (en) Cation-exchange membrane selectively permeable to monovalent cation and process for producing the same
CN108219170A (en) A kind of preparation and application using the crosslinked PECH/nylon composite anion exchange membranes of PEI
Thakur et al. An improved protocol for electrodialytic desalination yielding mineral-balanced potable water
Elsherif et al. Potentiometric determination of fixed charge density and permselectivity for silver thiosulphate membrane
RU2481885C1 (en) Method of producing composite membrane with fixed polyaniline layer thickness
CN111085120A (en) Preparation method of monovalent selective cation exchange membrane
Kakihana et al. Characterization of cation-exchange membranes prepared from a graft-copolymer consisting of a polysulfone main chain and styrene sulfonic acid side chains
Liu et al. Preparation and characterizations of novel zwitterionic membranes
KR20160127201A (en) Anion-exchange membranes containing imidazolium polymer layer and the method of making it
Berezina et al. The electric transport of proton-bound water in MF-4SK/PAni nanocomposite membranes