RU2566415C1 - Method to change characteristics of electrodialyser with alternating cation- and anion-exchange membranes - Google Patents

Method to change characteristics of electrodialyser with alternating cation- and anion-exchange membranes Download PDF

Info

Publication number
RU2566415C1
RU2566415C1 RU2014129703/05A RU2014129703A RU2566415C1 RU 2566415 C1 RU2566415 C1 RU 2566415C1 RU 2014129703/05 A RU2014129703/05 A RU 2014129703/05A RU 2014129703 A RU2014129703 A RU 2014129703A RU 2566415 C1 RU2566415 C1 RU 2566415C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrodialyzer
concentration
solution
chambers
electrodialyser
Prior art date
Application number
RU2014129703/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Наталья Владимировна Лоза
Сергей Алексеевич Лоза
Наталья Анатольевна Кононенко
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 RU2014129703/05A priority Critical patent/RU2566415C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2566415C1 publication Critical patent/RU2566415C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention is referred to membrane technique and technology, and namely to electrodialysis. The method to change characteristics of electrodialyser with alternating cation- and anion-exchange membranes includes delivery to the electrodialyser electrode chambers of sulphuric acid solution with concentration of 0.025 M, to desalting cells - 0.005-0.01 M of solution of aniline in mineral acid with concentration of hydrogen ions of 0.05 M, an to concentrate compartment - salt solution with concentration of 0.0005-0.015 M wherein anion of acid residue is the oxidiser in mineral acid with concentration of hydrogen ions of 0.05 M at current density equal to 100-400 A/m2 during 60-120 minutes, with further washing of the electrodialyser chambers and cells with distilled water, thereafter the electrodialyser is withhold under current with density of 100 A/m2 during 60 minutes with delivery of 0.025 M sulphuric acid solution to all chambers and cells.
EFFECT: reduced power consumption at usage of the electrodialyser.
3 cl, 1 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к мембранной технике и технологии, а именно к технике электродиализа.The invention relates to membrane technology and technology, namely the technique of electrodialysis.

Свойства электродиализаторов определяются особенностями ионообменных мембран, которые используются при его изготовлении. В настоящее время для электродиализного обессоливания и концентрирования растворов электролитов чаще всего применяют гетерогенные ионообменные мембраны, которые являются относительно дешевыми и при этом обладают необходимым набором физико-химических и электротранспортных свойств. Однако в зависимости от технологической задачи, которую выполняет электродиализатор, могут потребоваться ионообменные мембраны со специфическим набором свойств. Так для повышения эффективности электродиализного концентрирования растворов электролитов необходимы ионообменные мембраны с пониженной электроосмотической проницаемостью [патент РФ №2411070, B01D 071/60 (2006.01) Композиционная ионообменная мембрана / Шкирская С.А., Сычева А.А.-Р., Березина Н.П., Тимофеев С.В., Криштопа М.В.; ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет». - №20091314/05.].The properties of electrodialyzers are determined by the features of ion-exchange membranes, which are used in its manufacture. At present, for electrodialysis desalination and concentration of electrolyte solutions, heterogeneous ion-exchange membranes are most often used, which are relatively cheap and at the same time possess the necessary set of physicochemical and electric transport properties. However, depending on the technological task performed by the electrodialyzer, ion-exchange membranes with a specific set of properties may be required. So, to increase the efficiency of electrodialysis concentration of electrolyte solutions, ion-exchange membranes with reduced electroosmotic permeability are required [RF patent No. 2411070, B01D 071/60 (2006.01) Composite ion-exchange membrane / Shkirskaya SA, Sycheva A.A.-R., Berezina N. P., Timofeev S.V., Krishtopa M.V .; FSBEI HPE “Kuban State University”. - No. 20091314/05.].

Однако выбор ионообменных мембран ограничен промышленно выпускаемыми мембранами. Поэтому возникает необходимость разрабатывать методы модифицирования имеющихся промышленных ионообменных мембран с целью придания им необходимых свойств. Процесс модифицирования ионообменных мембран становится при этом отдельным технологическим этапом производства электродиализатора, предшествующим его сборке, и требует дополнительного оборудования, например, ванн с растворами модифицирующих агентов. Таким образом, к этапам сборки электродиализатора добавляется отдельный предварительный этап, связанный с получением модифицированных мембран с необходимыми свойствами, что приводит к увеличению времени изготовления и стоимости электродиализатора.However, the choice of ion-exchange membranes is limited to commercially available membranes. Therefore, there is a need to develop methods for modifying existing industrial ion-exchange membranes in order to give them the necessary properties. The process of modifying ion-exchange membranes becomes in this case a separate technological stage in the production of the electrodialyzer, prior to its assembly, and requires additional equipment, for example, baths with solutions of modifying agents. Thus, a separate preliminary stage is added to the assembly stages of the electrodialyzer, associated with the production of modified membranes with the necessary properties, which leads to an increase in the manufacturing time and cost of the electrodialyzer.

Известны способы, которые позволяют изменять характеристики одной мембраны. Так известен способ получения катионообменной композиционной мембраны при одновременном воздействии на мембрану градиентных концентрационного и электрического полей в две стадии [патент РФ №2487145, МПК C08J 5/22 (2006.01), B01D 69/12 (2006.01), B01D 71/32 (2006.01), Н01М 4/94 (2006.01), C08J 5/20 (2006.01), B01D 67/00 (2006.01)]. При этом катионообменная мембрана разделяет камеры ячейки с растворами различных составов и концентраций. В камеру со стороны отрицательно заряженного электрода на обеих стадиях подают раствор 0.005 М раствор серной кислоты. В камеру ячейки со стороны положительно заряженного электрода на первой стадии подают 0.01-0.001 М раствор анилина на фоне 0.005 М раствора серной кислоты. При этом происходит насыщение мембраны ионами фениламмония в течение 15-180 минут. На второй стадии - 0.01 М раствор хлорида железа(III) на фоне 0.005 М раствора серной кислоты. Полимеризация анилина в мембране в присутствии окислителя (хлорида железа(III)) происходит в течение 60-180 минут. Процесс проводят при пропускании постоянного электрического тока плотностью 40-100 А/м2. Недостатками данного метода является то, что полученные композитные материалы являются объемно-модифицированными, то есть имеют равномерное распределение модифицирующего компонента полианилина по объему полимерной матрицы. Применение в качестве окислителя хлорида железа(III) может вызвать образование осадка гидроксида железа(III) на поверхности катионообменной мембраны, что приведет к необходимости полной разборки электродиализатора для очистки мембран. Кроме того, объемномодифицированные композиты не обладают необходимым набором свойств для существенного изменения характеристик электродиализатора, а именно их диффузионная и электроосмотическая проницаемости незначительно отличаются от характеристик исходных катионообменных мембран.Known methods that allow you to change the characteristics of a single membrane. So there is a known method of producing a cation exchange composite membrane with simultaneous exposure to the membrane of gradient concentration and electric fields in two stages [RF patent No. 2487145, IPC C08J 5/22 (2006.01), B01D 69/12 (2006.01), B01D 71/32 (2006.01) , H01M 4/94 (2006.01), C08J 5/20 (2006.01), B01D 67/00 (2006.01)]. In this case, the cation exchange membrane separates the cell chambers with solutions of various compositions and concentrations. At both stages, a solution of a 0.005 M solution of sulfuric acid is fed into the chamber from the side of a negatively charged electrode. At the first stage, a 0.01-0.001 M aniline solution is fed into the cell chamber from the side of the positively charged electrode against a background of a 0.005 M sulfuric acid solution. In this case, the membrane is saturated with phenylammonium ions for 15-180 minutes. At the second stage, a 0.01 M solution of iron (III) chloride against a background of a 0.005 M solution of sulfuric acid. Polymerization of aniline in the membrane in the presence of an oxidizing agent (iron (III) chloride) occurs within 60-180 minutes. The process is carried out by passing a constant electric current with a density of 40-100 A / m 2 . The disadvantages of this method is that the obtained composite materials are volume-modified, that is, they have a uniform distribution of the modifying component of polyaniline over the volume of the polymer matrix. The use of iron (III) chloride as an oxidizing agent can cause the formation of an iron (III) hydroxide precipitate on the surface of the cation exchange membrane, which will lead to the need for complete disassembly of the electrodialyzer to clean the membranes. In addition, volume-modified composites do not possess the necessary set of properties for a significant change in the characteristics of the electrodialyzer, namely, their diffusion and electroosmotic permeabilities slightly differ from the characteristics of the initial cation-exchange membranes.

Способ изменения характеристик готового (собранного) электродиализатора с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами неизвестен из уровня техники.A method for changing the characteristics of a finished (assembled) electrodialyzer with alternating cation exchange and anion exchange membranes is not known from the prior art.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа изменения характеристик готового (собранного) электродиализатора в зависимости от целевого назначения, например, в качестве деионизатора или концентратора.The technical task of the invention is the development of a method for changing the characteristics of the finished (assembled) electrodialyzer depending on the intended purpose, for example, as a deionizer or concentrator.

Технический результат - снижение энергозатрат у электродиализатора с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами при его использовании.EFFECT: reduced energy consumption of an electrodialyzer with alternating cation exchange and anion exchange membranes when using it.

Для достижения заявленного результата в электродиализатор с исходными чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами в камеры обессоливания (КО) подают 0.005-0.01 М раствор анилина в минеральной кислоте с концентрацией ионов водорода 0.05 М, а в камеры концентрирования (КК) - бихромат калия, перманганат калия, персульфат аммония или другой раствор соли, в котором анион кислотного остатка выступает в качестве окислителя, с концентрацией 0.0005-0.015 М в серной, соляной или другой минеральной кислоте с концентрацией ионов водорода 0.05 М, и пропускают постоянный электрический ток плотностью 80-500 А/м2 в течение 10-120 минут. В электродные камеры подают 0.025 М раствор серной или любой другой минеральной кислоты. Затем электродиализатор промывают дистиллированной водой для удаления из камер анилина и окислителя. Далее все камеры электродиализатора запитывают раствором минеральной кислоты с концентрацией не менее 0.05 М и выдерживают под током плотностью 80-150 А/м2 в течение 1-го часа для полного удаления анилина и окислителя из мембран.To achieve the stated result, a 0.005-0.01 M solution of aniline in mineral acid with a concentration of hydrogen ions of 0.05 M is fed to the electrodialyzer with the initial alternating cation-exchange and anion-exchange membranes in the desalination (KO) chambers, and potassium dichromate, potassium permanganate, to the concentration chambers (CC), ammonium persulfate or another salt solution in which the anion of the acid residue acts as an oxidizing agent, with a concentration of 0.0005-0.015 M in sulfuric, hydrochloric or other mineral acid with a concentration of hydrogen ions of 0.05 M, and pass a constant electric current with a density of 80-500 A / m 2 for 10-120 minutes. A 0.025 M solution of sulfuric or any other mineral acid is fed into the electrode chambers. Then, the electrodialyzer is washed with distilled water to remove aniline and an oxidizing agent from the chambers. Next, all the electrodialyzer chambers are fed with a solution of mineral acid with a concentration of at least 0.05 M and kept at a current density of 80-150 A / m 2 for 1 hour to completely remove aniline and oxidizing agent from the membranes.

Способ пригоден для электродиализаторов, состоящих из чередующихся анионо- и катионообменных мембран, имеющих проточные камеры концентрирования и обессоливания, а также для электродиализаторов с непроточными камерами, в которых можно организовать проточность на время процесса синтеза полианилина на одной из поверхностей катионообменных мембран. Способ позволяет уменьшить энергозатраты и увеличить выход по току электродиализатора в процессах электродиализного концентрирования или деминерализации растворов кислот.The method is suitable for electrodialyzers, consisting of alternating anionic and cation-exchange membranes having flowing concentration and desalination chambers, as well as for electrodialyzers with non-flowing chambers, in which flow through the process of polyaniline synthesis on one of the surfaces of cation-exchange membranes can be arranged. The method allows to reduce energy consumption and increase the current efficiency of the electrodialyzer in the processes of electrodialysis concentration or demineralization of acid solutions.

При растворении анилина в растворе, содержащем катионы водорода, например, в растворе кислоты, происходит его протонирование с образованием катионов фениламмония. Катионы фениламмония в соответствии с направлением электрического тока переносятся в камеру концентрирования через катионообменную мембрану. Одновременно с этим анионы окислителя под действием постоянного поля переносятся к поверхности катионообменной мембраны в КК где встречаются с катионами фениламмония. В результате на поверхности катионообменной мембраны, обращенной в камеру концентрирования, происходит синтез полианилина.Upon dissolution of aniline in a solution containing hydrogen cations, for example, in an acid solution, it protonates to form phenylammonium cations. Phenylammonium cations in accordance with the direction of the electric current are transferred to the concentration chamber through a cation exchange membrane. At the same time, the oxidizing anions under the influence of a constant field are transferred to the surface of the cation exchange membrane in CC where they are found with phenylammonium cations. As a result, the synthesis of polyaniline occurs on the surface of the cation exchange membrane facing the concentration chamber.

На фигуре 1 приведена схема подключения электродиализатора с чередующимися анионообменными и катионообменными мембранами. На фигуре 2 представлена зависимость выхода по току от плотности тока на электродиализаторе в процессе деминерализации раствора серной кислоты: а - при падении напряжения на парную камеру, образованную камерой обессоливания и концентрирования, 1В, б - при падении напряжения на парную камеру 10В, при этом I обозначены кривые, соответствующие исходному электродиализатору, II - кривые, соответствующие электродиализатору с композитными анизотропными мембранами МК-40/ПАн при ориентации слоем полианилина в КО, III - кривые, соответствующие электродиализатору с композитными анизотропными мембранами МК-40/ПАн при ориентации слоем полианилина в КК.The figure 1 shows the connection diagram of the electrodialyzer with alternating anion-exchange and cation-exchange membranes. The figure 2 shows the dependence of the current efficiency on the current density on the electrodialyzer in the process of demineralization of a solution of sulfuric acid: a - when the voltage drops on the pair chamber formed by the desalination and concentration chamber, 1V, b - when the voltage drops on the pair chamber 10V, while I the curves corresponding to the initial electrodialyzer are indicated, II - the curves corresponding to the electrodialyzer with MK-40 / PAn composite anisotropic membranes when oriented with a polyaniline layer in KO, III - the curves corresponding to the electrodes an analyzer with composite anisotropic membranes MK-40 / PAn with the orientation of a polyaniline layer in CC.

Предлагаемый способ изменения характеристик электродиализатора был применен к рамочному электродиализатору с внутренними коллекторами (фиг. 1), содержащему поляризующие электроды из платинированного титана - 1. Электродиализатор включал пять катионообменных мембран - 2, шесть анионообменных мембран МА-41 (ОАО «Щекиноазот», Россия) - 3. Между электродами и мембранами, а также между каждой парой мембран помещали сетку-сепаратор - 4. Электродные камеры 5 отделяли анионообменными мембранами 3. Катионообменные 2 и анионообменные 3 мембраны образовывали пять парных камер, каждая из которых состояла из камеры концентрирования 6 и камеры обессоливания 7. Каждый тип камер питали раствором электролита из отдельной емкости: 8 - емкость с раствором для электродных камер 5; 9 - емкость с раствором для КО 7; 10 - емкость с раствором для КК 6. В электродные камеры 5 из емкости 8 подавали раствор серной кислоты с концентрацией 0.025 М. Рабочая площадь одной мембраны составляла 1 дм2, межмембранное расстояние - 0.9 мм, раствор электролита циркулировал с линейной скоростью 0.02 м/с, которая обеспечивалась многоканальным перистальтическим насосом (на схеме не изображен). Постоянный электрический ток на поляризующие электроды 1 подавали импульсным источником питания постоянного тока Б5-50 - 11. Для контроля за силой постоянного тока в электрическую цепь был последовательно подключен амперметр, для контроля за значением падения напряжения на электродиализаторе в цепь был параллельно подключен вольтаметр.The proposed method for changing the characteristics of the electrodialyzer was applied to a frame electrodialyzer with internal collectors (Fig. 1) containing polarizing electrodes made of platinum titanium - 1. The electrodialyzer included five cation exchange membranes - 2, six anion exchange membranes MA-41 (JSC Shchekinoazot, Russia) - 3. A grid-separator was placed between the electrodes and membranes, as well as between each pair of membranes. 4. The electrode chambers 5 were separated by anion-exchange membranes 3. Cation-exchange 2 and anion-exchange 3 membrane membranes there were five paired chambers, each of which consisted of a concentration chamber 6 and a desalination chamber 7. Each type of chambers was fed with an electrolyte solution from a separate container: 8 — a container with a solution for electrode chambers 5; 9 - a container with a solution for KO 7; 10 — a container with a solution for CC 6. A solution of sulfuric acid with a concentration of 0.025 M was fed into the electrode chambers 5 from a container 8. The working area of one membrane was 1 dm 2 , the intermembrane distance was 0.9 mm, and the electrolyte solution circulated at a linear velocity of 0.02 m / s , which was provided by a multi-channel peristaltic pump (not shown in the diagram). A constant electric current was supplied to the polarizing electrodes 1 by a pulsed DC power source B5-50 - 11. To control the direct current strength, an ammeter was connected in series to the electric circuit, and a voltmeter was connected in parallel to control the voltage drop across the electrodialyzer.

Способ изменения характеристик электродиализатора с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами реализовывали в гальваностатическом режиме при плотности поляризующего тока в диапазоне от 100 до 400 А/м2, которую поддерживали источником питания постоянного тока 11 в течение заданного времени от 60 до 120 минут. Емкость 8 заполняли раствором 0.025 М серной кислоты, откуда раствор подавали в электродные камеры 5. Емкость 10 заполняли 0.002 М раствором бихромата калия в 0.025 М серной кислоты, откуда раствор подавали в КК 6. Емкость 9 заполняли 0.01 М раствором анилина в 0.025 М серной кислоты, откуда раствор подавали в КО 7. По окончании заданного времени воздействия постоянным током все емкости и электродиализатор промывали дистиллированной водой. Затем емкости 8, 9 и 10 заполняли 0.025 М раствором серной кислоты, который циркулировал через все камеры электродиализатора в течении 1 часа при плотности поляризующего тока 100 А/м2 для полного удаления анилина и бихромата калия из мембран и камер электродиализатора.A method for changing the characteristics of an electrodialyzer with alternating cation exchange and anion exchange membranes was carried out in the galvanostatic mode at a polarizing current density in the range from 100 to 400 A / m 2 , which was supported by a DC power source 11 for a predetermined time from 60 to 120 minutes. Capacity 8 was filled with a solution of 0.025 M sulfuric acid, from where the solution was supplied to the electrode chambers 5. Capacity 10 was filled with a 0.002 M solution of potassium dichromate in 0.025 M sulfuric acid, from where the solution was supplied in KK 6. Capacity 9 was filled with a 0.01 M solution of aniline in 0.025 M sulfuric acid where the solution was supplied to KO 7. At the end of the specified time of direct current exposure, all containers and the electrodialyzer were washed with distilled water. Then, containers 8, 9 and 10 were filled with a 0.025 M solution of sulfuric acid, which circulated through all electrodialyzer chambers for 1 hour at a polarizing current density of 100 A / m 2 to completely remove aniline and potassium dichromate from membranes and electrodialyzer chambers.

Испытания электродиализатора до и после изменения его характеристик в режиме деминерализации раствора серной кислоты выполняли в потенциостатическом режиме при падении напряжения на парную камеру (Uп.к.) 1, 2, 5 и 10В. Каждые 30 минут кондуктометрическим методом определяли концентрацию растворов серной кислоты на входе и выходе камер концентрирования и обессоливания. Начальная концентрация раствора серной кислоты составляла 0.01 моль/л.Tests of the electrodialyzer before and after changing its characteristics in the mode of demineralization of a solution of sulfuric acid were performed in a potentiostatic mode with a voltage drop on the pair chamber (U c.p. ) 1, 2, 5, and 10 V. Every 30 minutes, the concentration of sulfuric acid solutions at the inlet and outlet of the concentration and desalination chambers was determined by the conductometric method. The initial concentration of the sulfuric acid solution was 0.01 mol / L.

Испытания электродиализатора в режиме концентрирования серной кислоты выполняли при отсутствии проточности через камеры концентрирования 6. Заполнение КК 6 происходило в результате электромассопереноса катионов водорода и сульфат-ионов через катионо- и анионообменные мембраны соответственно под действием постоянного электрического тока. Испытания выполняли в гальваностатическом режиме при плотностях поляризующего тока 0.2, 0.4, 0.7, 1.0, 1.5, 2.0 А/дм2. В процессе испытаний электродиализатора контролировали объем образующегося концентрата серной кислоты в КК 6 и его концентрацию. Концентрацию серной кислоты в камере концентрирования 6 определяли методом кислотно-основного титрования раствором гидроксида натрия с использованием фенолфталеина в качестве индикатора. В проточных камерах обессоливания поддерживали постоянную концентрацию раствора серной кислоты 0.02 моль/л.Tests of the electrodialyzer in the mode of concentration of sulfuric acid were carried out in the absence of flow through the concentration chamber 6. The filling of KK 6 was carried out as a result of the electro-mass transfer of hydrogen cations and sulfate ions through cation and anion exchange membranes, respectively, under the influence of direct electric current. The tests were performed in the galvanostatic mode at polarizing current densities of 0.2, 0.4, 0.7, 1.0, 1.5, 2.0 A / dm 2 . During the tests of the electrodialyzer, the volume of the formed sulfuric acid concentrate in KK 6 and its concentration were controlled. The concentration of sulfuric acid in the concentration chamber 6 was determined by acid-base titration with a solution of sodium hydroxide using phenolphthalein as an indicator. In flowing desalination chambers, a constant concentration of sulfuric acid solution of 0.02 mol / L was maintained.

Испытания электродиализаторов с улучшенными характеристиками проводились при установке композитных анизотропных катионообменных мембран 2 слоем полианилина в камеру обессоливания 7 (ПАн в КО) и концентрирования 6 (ПАн в КК).Tests of improved electrodialyzers were carried out when composite anisotropic cation-exchange membranes 2 were installed with a layer of polyaniline in desalination chamber 7 (PAn in KO) and concentration 6 (PAn in KK).

Пример конкретного выполнения 1Case Study 1

Берем электродиализатор, содержащий в качестве катионообменных 2 гетерогенные сульфокатионитовые мембраны МК-40 (ОАО «Щекиноазот», Россия). Для изменения характеристик электродиализатора с чередующимися катионообменными 2 и анионообменными 3 мембранами поддерживаем на поляризующих электродах постоянную плотность поляризующего тока 400 А/м2 в течение первых 10 минут и 100 А/м2 в последующие 110 минут. Общее время воздействия на электродиализатор постоянного тока с целью изменения его характеристик составило 120 минут для получения слоя полианилина на поверхности катионообменных мембран МК-40 2 со стороны камеры концентрирования 6, а затем в течение 60 минут для удаления катионов фениламмония и калия, и бихромат-анионов из ионообменных мембран 2, 3 и камер 6, 7 электродиализатора.We take an electrodialyzer containing 2 heterogeneous sulfocationite membranes MK-40 as cation exchange (Shchekinoazot OJSC, Russia). To change the characteristics of an electrodialyzer with alternating cation-exchange 2 and anion-exchange 3 membranes, we maintain a constant polarizing current density of 400 A / m 2 on the polarizing electrodes for the first 10 minutes and 100 A / m 2 for the next 110 minutes. The total time of exposure to a direct current electrodialyzer to change its characteristics was 120 minutes to obtain a polyaniline layer on the surface of MK-40 cation exchange membranes 2 from the side of the concentration chamber 6, and then for 60 minutes to remove phenylammonium and potassium cations and dichromate anions from ion-exchange membranes 2, 3 and chambers 6, 7 of the electrodialyzer.

Испытания исходного электродиализатора осуществляли в режиме деминерализации и концентрирования растворов серной кислоты до изменения его характеристик. В таких же режимах были проведены испытания электродиализатора с измененными характеристиками.Tests of the initial electrodialyzer were carried out in the mode of demineralization and concentration of sulfuric acid solutions until its characteristics changed. In the same modes, tests of the electrodialyzer with changed characteristics were carried out.

Оценка энергозатрат на электродиализную деминерализацию серной кислоты от 0.01 до 0.001 моль/л показала, что эта величина зависит от рабочего напряжения на электродиализаторе (табл. 1). При низких значениях падения напряжения на парную камеру (Uп.к.=1 и 2В) энергозатраты практически одинаковы для исходного электродиализатора и электродиализатора с измененными характеристиками при установке катионообменных мембран МК-40/ПАн 2 слоем полианилина в КК 6. При установке катионообменных мембран МК-40/ПАн 2 слоем полианилина в КО 7 энергозатраты выше в 1.27 раз по сравнению с исходным электродиализатором. Дальнейшее увеличение Uп.к. приводит к уменьшению энергозатрат для электродиализатора с измененными характеристиками по сравнению с исходным электродиализатором независимо от установки катионнообменных мембран 2. Так при Uп.к.=10В энергозатраты уменьшаются после изменения характеристик электродиализатора по сравнению с исходным в 1.4-1.6 раза.Evaluation of energy costs for electrodialysis demineralization of sulfuric acid from 0.01 to 0.001 mol / l showed that this value depends on the operating voltage on the electrodialyzer (Table 1). At low values of the voltage drop across the pair chamber (U cc = 1 and 2V), the energy consumption is almost the same for the initial electrodialyzer and electrodialyzer with altered characteristics when installing MK-40 / PAn 2 cation-exchange membranes with a polyaniline layer in CC 6. When installing cation-exchange membranes MK-40 / PAN 2 with a layer of polyaniline in KO 7 energy consumption is 1.27 times higher compared to the original electrodialyzer. Further increase in U p.k. leads to a reduction in energy consumption for an electrodialyzer with changed characteristics compared to the original electrodialyzer, regardless of the installation of cation exchange membranes 2. Thus, at U c.p. = 10V, energy consumption decreases after changing the characteristics of the electrodialyzer compared to the original 1.4-1.6 times.

Выход по току (ŋ) в процессе деминерализации серной кислоты отличается для исходного электродиализатора и электродиализатора с измененными характеристиками. Так при низких значениях падения напряжения на парную камеру (Uп.к.=1В и Uп.к.=2В) выход по току для обоих электродиализаторов практически одинаков (фиг.2, а). При увеличении Uп.к. до 5В выход по току для электродиализатора с измененными характеристиками незначительно превосходит выход по току исходного электродиализатора. При увеличении напряжения на парную камеру до 10В выход по току для электродиализатора с измененными характеристиками увеличивается приблизительно в 2 раза по сравнению с исходным электродиализатором (фиг.2, б).The current efficiency (ŋ) in the process of demineralization of sulfuric acid is different for the initial electrodialyzer and electrodialyzer with changed characteristics. So at low values of the voltage drop across the pair chamber (U pk = 1V and U pk = 2V), the current efficiency for both electrodialyzers is almost the same (Fig. 2, a). With an increase in U sc up to 5V current output for an electrodialyzer with changed characteristics slightly exceeds the current output of the original electrodialyzer. When the voltage to the pair chamber is increased to 10 V, the current output for the electrodialyzer with changed characteristics increases approximately 2 times compared to the original electrodialyzer (Fig. 2, b).

Испытания электродиализаторов в режиме концентрирования серной кислоты показали, что энергозатраты уменьшаются после применения предложенного метода изменения характеристик электродиализатора. Так при плотности тока 2 А/дм2 энергозатраты на выделение 1 моль серной кислоты из 0.025 М раствора составляют для исходного электродиализатора 0.73 кВт·ч/моль, для электродиализатора с измененными характеристиками при установке катионообменных мембран МК-40/ПАн 2 слоем полианилина в КО 7 и КК 6 - 0.68 и 0.56 кВт·ч/моль соответственно. Содержание серной кислоты в концентрате при высоких плотностях тока примерно одинаковое до и после изменения характеристик электродиализатора и достигает около 1 моля/л при плотности тока 2 А/дм2.Tests of electrodialyzers in the mode of concentration of sulfuric acid showed that energy consumption decreases after applying the proposed method of changing the characteristics of the electrodialyzer. So at a current density of 2 A / dm 2, the energy consumption for the release of 1 mol of sulfuric acid from a 0.025 M solution is 0.73 kWh / mol for the initial electrodialyzer, for the electrodialyzer with altered characteristics when MK-40 / PAN 2 cation-exchange membranes are installed with a layer of polyaniline in KO 7 and KK 6 - 0.68 and 0.56 kWh / mol, respectively. The content of sulfuric acid in the concentrate at high current densities is approximately the same before and after changing the characteristics of the electrodialyzer and reaches about 1 mol / l at a current density of 2 A / dm 2 .

Таблица 1Table 1 Энергозатраты на деминерализацию 1 м3 раствора серной кислоты от начальной концентрации 0.01 моль/л до 0.001 моль/лEnergy consumption for demineralization of 1 m 3 sulfuric acid solution from an initial concentration of 0.01 mol / l to 0.001 mol / l Uп.к., BU s.c. , B W, кВт·ч/м3 W, kW · h / m 3 Исходный электродиализаторSource Electrodialyzer Электродиализатор с анизотропными композитными катионообменными мембранами МК-40/ПАнElectrodialyzer with anisotropic composite cation exchange membranes MK-40 / PAn ПАн в КОPAN in KO ПАн в ККPAn in QC 1one 0.850.85 1.081.08 0.870.87 22 1.661.66 2.102.10 1.571.57 55 4.624.62 3.843.84 3.613.61 1010 16.7216.72 12.1012.10 10.7010.70

Пример конкретного выполнения 2Case Study 2

В качестве исходного электродиализатора использовали электродиализатор, содержащий в качестве катионообменных мембран 2 сульфокатионитовые гомогенные перфторированные мембраны МФ-4СК (ОАО «Пластполимер», Россия), которые являются аналогом мембран Nafion (DuPont, США). Эти мембраны обладают более высокой химической стойкостью по сравнению с гетерогенными электродиализными мембранами МК-40 (ОАО «Щекиноазот», Россия), поэтому они являются более пригодными для использования в процессах электродиализной переработки растворов кислот. Способ изменения характеристик электродиализатора с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами реализовывали при поддержании на поляризующих электродах 1 постоянной плотности поляризующего тока 400 А/м2 в течение первых 10 минут и 100 А/м2 в последующие 50 минут. Общее время воздействия на электродиализатор постоянного тока с целью изменения его характеристик составило 60 минут для получения слоя полианилина на поверхности катионообменных мембран 2 МФ-4СК со стороны камеры концентрирования 6, а затем 60 минут для удаления катионов фениламмония и калия, и бихромат-анионов из ионообменных мембран 2, 3 и камер 6, 7 электродиализатора.An electrodialyzer was used as the initial electrodialyzer, containing 2 sulfocationiconite homogeneous perfluorinated MF-4SK membranes (Plastpolymer OJSC, Russia) as cation exchange membranes, which are similar to Nafion membranes (DuPont, USA). These membranes possess higher chemical resistance in comparison with MK-40 heterogeneous electrodialysis membranes (JSC Shchekinoazot, Russia), therefore they are more suitable for use in electrodialysis processing of acid solutions. A method for changing the characteristics of an electrodialyzer with alternating cation-exchange and anion-exchange membranes was implemented while maintaining a constant polarizing current density of 400 A / m 2 on the polarizing electrodes 1 for the first 10 minutes and 100 A / m 2 for the next 50 minutes. The total time of exposure to a direct current electrodialyzer to change its characteristics was 60 minutes to obtain a polyaniline layer on the surface of cation exchange membranes 2 MF-4SK from the side of the concentration chamber 6, and then 60 minutes to remove phenylammonium and potassium cations and dichromate anions from ion exchange membranes 2, 3 and chambers 6, 7 of the electrodialyzer.

Испытания исходного электродиализатора осуществляли в режиме деминерализации и концентрирования растворов серной кислоты до изменения его характеристик. В таких же режимах были проведены испытания электродиализатора с измененными характеристиками.Tests of the initial electrodialyzer were carried out in the mode of demineralization and concentration of sulfuric acid solutions until its characteristics changed. In the same modes, tests of the electrodialyzer with changed characteristics were carried out.

Испытания электродиализатора с измененными характеристиками в режиме деминерализации раствора серной кислоты показали, что при установке катионообменных мембран МФ-4СК/ПАн 2 слоем полианилина в КК 6 при значениях Uп.к.=5B и Uп.к.=10B происходит снижение энергозатрат примерно в 1.2 раза по сравнению с исходным электродиализатором. Однако при установке катионообменных мембран МФ-4СК/ПАн 2 слоем полианилина в КО 7 эффективность деминерализации очень низкая и проведение процесса в таком режиме нецелесообразно.Tests of the electrodialyzer with changed characteristics in the mode of demineralization of a solution of sulfuric acid showed that when installing cation-exchange membranes MF-4SK / PAN 2 with a polyaniline layer in KK 6 at values of U bp = 5B and U sc = 10B there is a decrease in energy consumption by about 1.2 times compared with the original electrodialyzer. However, when installing MF-4SK / PAN 2 cation-exchange membranes with a polyaniline layer in KO 7, the demineralization efficiency is very low and the process in this mode is not practical.

В результате исследования массообменных и энергетических характеристик электродиализатора при работе в режиме концентрирования раствора серной кислоты установлено, что применение предложенного способа изменения характеристик электродиализатора привело к увеличению содержания H2SO4 в концентрате в среднем на 35% по сравнению с концентратом, полученном с применением исходного электродиализатора при одновременном снижении энергозатрат на 10%.As a result of studying the mass transfer and energy characteristics of the electrodialyzer when operating in the mode of concentration of a solution of sulfuric acid, it was found that the application of the proposed method for changing the characteristics of the electrodialyzer led to an increase in the content of H 2 SO 4 in the concentrate by an average of 35% compared with the concentrate obtained using the original electrodialyzer while reducing energy costs by 10%.

На основании изложенного можно утверждать, что заявляемое техническое решение промышленно применимо, является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. является изобретением.Based on the foregoing, it can be argued that the claimed technical solution is industrially applicable, is new, has an inventive step, i.e. is an invention.

Claims (3)

1. Способ изменения характеристик электродиализатора с чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами, включающий подачу в электродные камеры электродиализатора раствора серной кислоты с концентрацией 0,025 М, в камеры обессоливания - 0,005-0,01 М раствора анилина в минеральной кислоте с концентрацией ионов водорода 0,05 М, а в камеры концентрирования - раствора соли с концентрацией 0,0005-0,015 М, в которой анион кислотного остатка является окислителем, в минеральной кислоте с концентрацией ионов водорода 0,05 М, при плотности тока равной 100-400 А/м2 в течение 60-120 минут, с последующим промыванием емкостей и камер электродиализатора дистиллированной водой, после чего электродиализатор выдерживают под током плотностью 100 А/м2 в течение 60 минут при подаче во все камеры электродиализатора 0,025 М раствора серной кислоты.1. A method for changing the characteristics of an electrodialyzer with alternating cation-exchange and anion-exchange membranes, comprising supplying a solution of sulfuric acid with a concentration of 0.025 M to the electrode chambers of the electrodialyzer, and a 0.005-0.01 M solution of aniline in mineral acid with a concentration of hydrogen ions of 0.05 M in the desalination chambers and in the concentration chamber - a salt solution with a concentration of 0.0005-0.015 M, in which the anion of the acid residue is an oxidizing agent, in mineral acid with a concentration of hydrogen ions of 0.05 M, at a current density of 100-400 A / m 2 for 60-120 minutes, followed by washing the containers and chambers of the electrodialyzer with distilled water, after which the electrodialyzer is kept at a current density of 100 A / m 2 for 60 minutes when a 0.025 M sulfuric solution is supplied to all chambers of the electrodialyzer acids. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катионообменных мембран электродиализатор содержит гетерогенные сульфокатионитовые мембраны МК-40.2. The method according to p. 1, characterized in that as the cation exchange membranes, the electrodialyzer contains heterogeneous sulfocationite membranes MK-40. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катионообменных мембран электродиализатор содержит гомогенные сульфокатионитовые перфторированные мембраны МФ-4СК. 3. The method according to p. 1, characterized in that, as cation exchange membranes, the electrodialyzer contains homogeneous sulfocationite perfluorinated membranes MF-4SK.
RU2014129703/05A 2014-07-18 2014-07-18 Method to change characteristics of electrodialyser with alternating cation- and anion-exchange membranes RU2566415C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014129703/05A RU2566415C1 (en) 2014-07-18 2014-07-18 Method to change characteristics of electrodialyser with alternating cation- and anion-exchange membranes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014129703/05A RU2566415C1 (en) 2014-07-18 2014-07-18 Method to change characteristics of electrodialyser with alternating cation- and anion-exchange membranes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2566415C1 true RU2566415C1 (en) 2015-10-27

Family

ID=54362232

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014129703/05A RU2566415C1 (en) 2014-07-18 2014-07-18 Method to change characteristics of electrodialyser with alternating cation- and anion-exchange membranes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2566415C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1685481A1 (en) * 1989-07-11 1991-10-23 Кубанский государственный университет Method of cleaning aminoacids
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
RU2487145C1 (en) * 2011-12-05 2013-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Method of producing composite cation-exchange membrane

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1685481A1 (en) * 1989-07-11 1991-10-23 Кубанский государственный университет Method of cleaning aminoacids
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
RU2487145C1 (en) * 2011-12-05 2013-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Method of producing composite cation-exchange membrane

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jiang et al. Production of lithium hydroxide from lake brines through electro–electrodialysis with bipolar membranes (EEDBM)
Strathmann et al. Ion-exchange membranes in the chemical process industry
Qiu et al. Sustainable recovery of high-saline papermaking wastewater: Optimized separation for salts and organics via membrane-hybrid process
Chen et al. Transforming salty whey into cleaning chemicals using electrodialysis with bipolar membranes
EP4029594A1 (en) Electrochemical device with efficient ion exchange membranes
US10604426B2 (en) High efficiency electrochemical desalination system that incorporates participating electrodes
Tanaka Mass transport in a boundary layer and in an ion exchange membrane: Mechanism of concentration polarization and water dissociation
Lee et al. Comparison of the property of homogeneous and heterogeneous ion exchange membranes during electrodialysis process
WO2019178049A1 (en) Multi-stage bipolar electrodialysis system for high concentration acid or base production
CN106430463B (en) Electroosmosis water treatment device and method with middle polar plate
Shen et al. Synthesis of quaternary ammonium hydroxide from its halide salt by bipolar membrane electrodialysis (BMED): effect of molecular structure of ammonium compounds on the process performance
Wu et al. Effects of multivalent ions on hydrogen production from the salinity gradient between desalination concentrated brine and river by reverse electrodialysis
Chen et al. Integration of concentration and electro-driven membrane system for effective water-saved acid recycling performance
Loza et al. Ion Transport in sulfuric acid solution through anisotropic composites based on heterogeneous membranes and polyaniline
RU2566415C1 (en) Method to change characteristics of electrodialyser with alternating cation- and anion-exchange membranes
Jaroszek et al. Comparison of the applicability of selected anion-exchange membranes for production of sulfuric acid by electro-electrodialysis
Xia et al. An innovative beneficial reclamation of flue gas desulfurization brine using bipolar membrane electrodialysis technique
Strathmann et al. Electromembrane processes, efficient and versatile tools in a sustainable industrial development
JP4146649B2 (en) Process for producing dealkalized water glass and apparatus for producing the same
Zabolotskii et al. Ion and water transport during lithium chloride concentration from aqueous organic solutions by electrodialysis
JP4480903B2 (en) Method for producing dealkalized water glass solution
Zouhri et al. Generation of sulfuric acid and sodium hydroxide from the sodium sulphate salt by electro-electrodialysis (EED)
JPH05285347A (en) Production of acid and alkali
KR20150007070A (en) Capacitive deionization unit cell and preparation method thereof
JP4016663B2 (en) Operation method of electrodeionization equipment

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200719