Биполярная мембрана

Полезная модель относится к мембранной технологии, а именно к биполярным мембранам для процессов разделения, и может быть использована при получении высокочистой воды, глубокой очистки биологических и медицинских препаратов, подготовки воды для теплоэнергетики, обработки сточных вод с выделением ценных элементов, очистке и разделении высокомолекулярных органических веществ и т.п. Предлагается трехслойная биполярная мембрана, состоящая из катионообменного армированного слоя, армированного анионообменного слоя и переходного слоя между ними. Варьируя толщину катионообменного или анионообменного слоев, можно получать мембраны с различными свойствами.
Технический результат полезной модели заключается в расширении ассортимента мембран и получении ионообменных мембран с заранее заданными ионоселективными и биполярными свойствами, а также улучшении их механических характеристик с целью существенного снижения энергозатрат при получении чистой воды.
В последнее время очень востребованными являются мембраны, обеспечивающие селективный перенос ионов с одновременной коррекцией pH растворов. Такие мембраны работают в электромембранных технологиях, таких как: получение деионизованной воды, кондиционирование пищевых продуктов, создание водооборотных систем в химической промышленности.
Главным достоинством таких мембран является возможность регулировать соотношение функций транспорта ионов соли и генерации продуктов диссоциации путем изменения толщины одного из слоев, составляющих биполярную мембрану.
Известны гетерогенные мозаичные мембраны [Ion transport behavior in diffusion layer of new designer ion exchange-mosaic composite polymer membrane / Akira Yamauchi, A. Mounir EL Sayed, Kazuo Mizuguchi, Munemori Kodamaa, Yoshifumi Sugito / Journal of Membrane Science. 283, 2006. P. 301-309], изготовленные из униполярной мембраны, на которую наносится слой мозаичного ионообменного материала, что приводит к улучшению транспортных свойств анионообменных мембран.
+
-
Недостатками таких мембран является их односторонняя проводимость, они могут работать в одном направлении тока, при этом область их применения ограничена фиксированным значением чисел переноса Н и ОН ионов по отношению к числам переноса целевых ионов, а также сложностью их получения.
Известна полезная модель [ГШ 120373, МПК B01D 71/06, опубл. 20.09.2012], предлагающая асимметричную биполярную мембрану, состоящую из гетерогенной сильноосновной ионообменной мембраны-подложки и гомогенной пленки сульфированного перфторуглеродного (МФ-4СК) модификатора с различной толщиной (от 10 до 70 мкм). Электромиграционные числа переноса ионов сильно зависят от толщины катионообменного слоя и, подбирая нужную его величину, можно получить как мембрану, идентичную биполярной, так и мембрану с совмещенными функциями транспорта ионов, присутствующих в перерабатываемых водах и продуктах диссоциации воды.
Недостатками такой мембраны являются относительно высокая стоимость фторполимерной мембраны и необходимость ее химической активации, что делает технологию ее изготовления и эксплуатации трудоемкой в промышленных условиях, а также в режиме деминерализации такая мембрана работает только как анионообменная, что ограничивает ее область применения.
Наиболее близким аналогом к заявляемой мембране является биполярная мембрана марки МБ-1, полученная путем совместного горячего прессования и одновременного армирования монополярных катионообменной и анионообменной мембран. (Ионитовые мембраны. Грануляты. Порошки: каталог НИИТЭХИМ. - М., 1977, 15 с.). Биполярную мембрану марки МБ-1 изготавливают на основе сильнокислотного сульфокатионообменника, получаемого сульфированием сополимера стирола и дивинилбензола, а также из полифункционального анионообменника, содержащего, помимо аммониевых оснований, вторичные и третичные амины.
К недостаткам можно отнести расслоение полимерной матрицы и армирующей ткани в процессе эксплуатации, а также незначительную суффозию с частичной потерей сорбционной способности материала, а также высокой величины падения напряжения на ячейке при применении их в электродиализных процессах.
Задачей настоящей полезной модели является повышение механической устойчивости трехслойной биполярной мембраны, улучшение ее электрохимических и физико-химических характеристик, повышение сорбционной емкости и селективности с целью существенного снижения энергозатрат при получении чистой воды.
Технический результат заключается в расширении ассортимента мембран и получении ионообменных мембран с заранее заданными ионоселективными и биполярными свойствами, а также улучшении их механических характеристик и достигается тем, что предлагаемая трехслойная биполярная мембрана изготавливается путем проведения синтеза и формирования слабоосновного анионита и сильнокислотного сульфокатионита на поверхности и в структуре новолачной фенолформальдегидной матрицы. По достижении 30-35%-ной степени отверждения полимерных ионитовых матриц оба слоя подвергались совместному горячему прессованию (при температуре 130°C) при давлении 50, 60, 70 МПа.
Слой сильнокислотного сульфокатионита формируется при пропитке волокнистого наполнителя смесью мономеров - парафенолсульфокислоты с формалином, а слабоосновного анионита - при пропитке волокнистого наполнителя смесью ПЭПА и ЭХГ.
Полезная модель поясняется чертежом.
Трехслойная биполярная мембрана состоит из катионообменного армированного слоя (1) (полученного при армировании монополярной катионитовой матрицы и синтеза, включавшего пропитку волокнистого наполнителя смесью мономеров: парафенолсульфокислоты с формалином), армированного анионообменного слоя (2) (полученного армированием монополярной анионитовой матрицы и синтеза, включающего пропитку волокнистого наполнителя смесью ПЭПА и ЭХГ) и переходного слоя между ними (3) (полученного при совместном горячем прессовании слоев (1) и (2)).
Таким образом, биполярная мембрана «Поликон КА» представляет собой композиционный материал, полученный методом поликонденсационного наполнения, содержащий анионитовую и катионитовую компоненты в соотношении 50 масс. % : 50 масс. % и переходный слой.
Варьируя давление и время прессования катионообменного и анионообменного слоев (L1 и L2, соответственно), можно контролируемо получать трехслойную биполярную мембрану с улучшенными электрохимическими, физико-химическими характеристиками, повышенной сорбционной емкостью и селективностью (Таблица 2). Использование двух армирующих слоев (4) вносит существенный вклад в улучшение механических характеристик.
В качестве прототипа взята мембрана Ralex АМН/МФ-4СК
В таблице 2 представлены результаты испытания предлагаемой трехслойной биполярной мембраны. Определение полной статической обменной емкости, которая определяется числом функциональных групп, способных к ионному обмену, в единице массы воздушно-сухого или набухшего ионита и выражается в мг-экв/г или мг-экв/л, вели по ГОСТ 20255.1-89. Прочность при отслаивании определяли по ГОСТ 28966.1-91.
Экспериментально выявлено, что для получения механически оптимально-устойчивой композиции с улучшенными сорбционными характеристиками необходимо давление прессования 60 МПа при времени прессования 15 мин. Как видно из таблицы 2, мембрана имеет относительно высокие показатели напряжения при отслаивании и то, что с уменьшением или увеличением давления пресса при получении трехслойной биполярной мембраны, механическое напряжение при отслаивании растет, что можно объяснить ростом напряжения в структуре матрицы, создаваемом при прессовании с большим давлением. Электрохимические свойства биполярной мембраны, измеренные для образца 4 при давлении прессования 60 МПа и времени прессования 15 мин показали, что полученная мембрана обладает свойствами, присущими биполярным мембранам.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что по своим эксплуатационным характеристикам предлагаемая трехслойная биполярная мембрана значительно превосходит биполярные мембраны по прототипу.
Предлагаемая трехслойная биполярная мембрана может быть получена с заданными размерами и толщинами функциональных ионообменных слоев, и использоваться вместо пористого сепаратора в мембранно-электродном блоке при емкостной деионизации коллоидных растворов с целью существенного снижения энергозатрат при получении чистой воды.