Способ получения биполярной мембраны
METHOD FOR OBTAINING A BIPOLAR MEMBRANE

Изобретение относится к технологии изготовления мембран и может быть использовано в производстве биполярных гетерогенных ионообменных мембран, которые могут применяться для конверсии солей в кислоты и щелочи, при получении высокочистой воды, подготовки воды для теплоэнергетики, переработки сточных вод с выделением ценных элементов и т.п.
Известны способы получения гетерогенных ионообменных мембран вальцеванием на горячих вальцах с их последующим армированием на гидравлическом прессе [А.с. №№148906 (1962), 191783 (1967), МПК C08J 5/22], на барабанном вулканизационном прессе [А.с. №462848 (1974), МПК C08J 1/34], на каландре [Патент RU 2314322 (2008), C1, МПК C08J 5/22, C08J 5/20, B01D 67/00, B01D 71/26, B32B 27/32,]. Недостатком такого способа получения мембран является их однополярность, т.е. мембраны либо катионообменные, либо анионообменные.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ горячего прессования и одновременного армирования гетерогенных катионо- и анионообменных мембран [Ионитовые мембраны. Грануляты. Порошки: каталог НИИТЭХИМ. - М.: 1977, 15 с]. По данному способу на ООО «Инновационное Предприятие «Щекиноазот» производят коммерчески доступные биполярные мембраны МБ-2. Недостатком данного способа является высокая себестоимость мембран и высокий расход электроэнергии, а также сложность обеспечить равномерность давления при получении мембран большой площади.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение электрохимических свойств мембран, что приводит к снижению энергозатрат и повышению рентабельности процесса получения кислот и щелочей из солей, а также расширение ассортимента биполярных мембран. По предлагаемому способу можно получать биполярные мембраны любого размера из разнообразных гетерогенных катионо- и анионообменных мембран, имеющих термопластичные полимеры в качестве инертного связующего – полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид.
Технический результат достигается за счет применения вакуумирования с одновременным нагреванием при получении биполярных мембран. При нагревании гетерогенных катионо- и анионообменных мембран происходит переход инертного связующего (полиэтилена) в вязко-текучее состояние. Вакуумирование обеспечивает необходимое давление на мембраны и исключает негативное влияние внешних факторов (пыль и инородные частицы). Таким образом листы гетерогенных катионо- и анионообменной мембран совмещаются в один лист биполярной мембраны с хорошей адгезией слоев. Применение вакуумирования при производстве мембран позволяет обеспечить равномерность свойств мембраны по всей площади даже для мембран большого размера. В отличие от методов горячего прессования и вальцевания, в предлагаемом способе предусмотрен конвекционный нагрев, который обеспечит равномерное и быстрое достижение заданной температуры, а также высокую точность её поддержания с одновременным снижением энергозатрат. Для получения мембран по данному способу необходимо произвести сборку сэндвич-пакета, состоящего из двух полированных листов из нержавеющей стали и гетерогенных катионо- и анионообменных мембран, отделенных от стальных листов термобумагой. Затем сэндвич-пакет помещается в гермо-термомешок из силиконовой резины и происходит его вакуумирование. Режимы прессования – температура и время прогрева сэндвич-пакета, время прессования и охлаждения были подобраны таким образом, чтобы достичь заданной температуры между слоями биполярной мембраны. Оптимальные параметры прессования составляют - температура 130-145°С, выдержка в течение 0,5-1 часа и остыванием под вакуумом.
Для получения биполярных мембран по предлагаемому способу можно использовать относительно недорогие гетерогенные катионо- и анионообменные мембраны отечественного производства (ООО «Инновационное Предприятие «Щекиноазот»), а также гетерогенные катионо- и анионообменные мембраны зарубежного производства (например: ионообменные мембраны RALEX производства a.s. Mega, Чешская Республика).
2
2
Пример выполнения 1. Для получения биполярной мембраны были использованы ионообменные мембраны Ralex CМH и АМH, производства Чехия. Листы мембран марок Ralex CМH и АМH размером 10х40 см собираются в сэндвич-пакет следующим образом: на полированный лист из нержавеющей стали укладываются последовательно термобумага, две заготовки мембран мембраны марок Ralex АМH и CМH снова термобумага, сверху кладется стальной лист. Собранный таким образом сэндвич-пакет загружается в гермо-термомешок с одновременным прокладыванием защитной тефлоновой сетки между внутренними поверхностями мешка и сэндвич-пакета сверху и снизу. С помощью вакуумного блока создается давление в термо-гермомешке в диапазоне не менее минус 0.9 кг/см с одновременным нагревом до достижения температуры 140°С с экспозицией 70 минут. При этом вакуум в термо-гермомешке поддерживается постоянно. По окончании выдержки нагревательный блок отключается, давление поддерживается до достижения температуры менее 40°С. Далее сэндвич-пакет разбирается и БПМ извлекается.
Пример выполнения 2. При изготовлении БПМ использовали те же приемы, что и в примере 1. Отличие заключалось в том, что в качестве исходных материалов были использованы мембраны российского производства МК-40 и МА-41 ООО «Инновационное Предприятие «Щекиноазот». При этом температура вакуумного прессования составляла 135°С с экспозицией 60 минут.
Пример выполнения 3. При изготовлении БПМ использовали те же приемы, что и в примере 1. Отличие заключалось в том, что перед сборкой сэндвич-пакета между листами мембран Ralex АМH и CМH помещали порошкообразный катализатор реакции диссоциации воды. В качестве катализатора диссоциации воды использовали размолотый фосфорнокислотный катионит КФ-1.
Пример выполнения 4. При изготовлении БПМ использовали те же приемы, что и в примере 3. Отличие заключалось в том, что в качестве исходных мембран использовали МК-40 и МА-41.
2
Изготовленные биполярные мембраны использовали для конверсии сульфата натрия в серную кислоту и натриевую щелочь. Электродиализ осуществляли на трехкамерной элементарной ячейке при плотности тока 1 А/дм. Для сравнения в этих же условиях испытывали мембрану МБ-2.
Таблица. Физико-химические и электрохимические свойства БПМ.
Пример
Матрица (наименование базового материала)
Толщина, мм
Прочность на разрыв, МПа
поверхностное электрическое сопротивление, Ом·см<sup>2</sup>
Выход по току, %
Падение напряжения на трехкамерной элементарной ячейке, В
кислоты
щелочи
прототип
МБ-2
0,9(не более)
5,5(не менее)
18(не более)
55
65
16,8
1
Ralex CMH/AMH
1,05
15,0
12
62
73
14,9
2
МК-40/МА-41
0,83
13,1
13
57
68
16,3
3
Ralex CMH/КФ-1/AMH
1,10
14,2
12
65
75
2,9
4
МК-40/КФ-1/МА-41
0,87
12,5
13
59
69
3,2
Из приведенной таблицы следует, что заявленный способ получения биполярных мембран на основе гетерогенных катионо- и анионообменных мембран позволяет получить мембраны с разнообразными эксплуатационными свойствами, различной номенклатурной принадлежности, в том числе с прочностными характеристиками, требуемыми в применяемых в различных областях техники. Проведенные испытания показали промышленную применимость полученных биполярных мембран для применения в процессе конверсии солей в кислоты и щелочи. Полученные по предлагаемому способу мембраны обеспечивают более высокие выходы по току и низкое падение напряжение, по сравнению с прототипом. Введение катализатора реакции диссоциации воды позволяет дополнительно снизить падение напряжения на ячейке в 5 раз, что пропорционально уменьшает энергозатраты.
Таким образом, предлагаемый способ получения биполярных мембран новый, позволяет получать промышленно применимые в электродиализе мембраны, обладающие улучшенными характеристиками, такими как меньшее сопротивление и падение напряжения, а также высокие выходы по току, следовательно, соответствует критериям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.