RU2802630C1 - Method for producing a composite anion exchange membrane - Google Patents

Method for producing a composite anion exchange membrane Download PDF

Info

Publication number
RU2802630C1
RU2802630C1 RU2022130820A RU2022130820A RU2802630C1 RU 2802630 C1 RU2802630 C1 RU 2802630C1 RU 2022130820 A RU2022130820 A RU 2022130820A RU 2022130820 A RU2022130820 A RU 2022130820A RU 2802630 C1 RU2802630 C1 RU 2802630C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
solution
anion
exchange
ammonium persulfate
Prior art date
Application number
RU2022130820A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Наталья Владимировна Лоза
Наталья Анатольевна Кутенко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2802630C1 publication Critical patent/RU2802630C1/en

Links

Abstract

FIELD: membrane technology.
SUBSTANCE: present invention relates to a method for producing a composite anion-exchange membrane. The method includes placing the membrane in working solutions, one of which is a monomer solution, the other is a solution of an oxidizing agent, and washing, and an anion-exchange heterogeneous membrane consisting of polyethylene and an anion-exchange resin with positively charged nitrogen-containing fixed groups is used as the initial membrane, whereas the membrane is placed first into an oxidizing agent solution, which is 1 M ammonium persulfate, and kept for 60 minutes, and then into a monomer solution, which is an aqueous 0.1 M solution of 2-aminobenzenesulfonic acid, and kept for 48 hours, and the membrane is washed in deionized water.
EFFECT: increase in electrical conductivity and a decrease in the diffusion permeability of membranes.
2 cl, 1 dwg, 2 tbl, 6 ex

Description

Изобретение относится к мембранной технологии, в частности, к способам получения композитных анионообменных мембран на основе анионообменных мембран и сульфированного полианилина (СПАНИ), предназначенных для применения в процессах электродиализного обессоливания и концентрирования растворов электролитов и разделения многокомпонентных смесей.The invention relates to membrane technology, in particular, to methods for producing composite anion-exchange membranes based on anion-exchange membranes and sulfonated polyaniline (SPANI), intended for use in processes of electrodialysis desalting and concentration of electrolyte solutions and separation of multicomponent mixtures.

Известна композитная анионообменная мембрана, состоящая из гетерогенной анионообменной мембраны-подложки и нанесенного на ее поверхность тонкого гомогенного катионообменного слоя сульфированного политетрафторэтилена, содержащего углеродные нанотрубки, и обладающая улучшенной селективностью к переносу противоионов [Патент РФ 195198 B01D 67/00 (2006.01) B01D 71/36 (2006.01) B82Y 30/00 (2011.01) опубл. 17.01.2020 Бюл. № 2]. Недостатком является возможное разрушение тонкого гомогенного катионообменного слоя сульфированного политетрафторэтилена из-за разных значений коэффициента набухания тонкого гомогенного катионообменного слоя сульфированного политетрафторэтилена и гетерогенной анионообменной мембраны-подложки, и более низкая электропроводность по сравнению с предлагаемой композитной анионообменной мембраной.A composite anion-exchange membrane is known, consisting of a heterogeneous anion-exchange membrane-substrate and a thin homogeneous cation-exchange layer of sulfonated polytetrafluoroethylene containing carbon nanotubes deposited on its surface, and having improved selectivity for the transfer of counterions [RF Patent 195198 B01D 67/00 (2006. 01) B01D 71/36 (2006.01) B82Y 30/00 (2011.01) publ. 01/17/2020 Bulletin. No. 2]. The disadvantage is the possible destruction of the thin homogeneous cation exchange layer of sulfonated polytetrafluoroethylene due to different swelling coefficients of the thin homogeneous cation exchange layer of sulfonated polytetrafluoroethylene and the heterogeneous anion exchange membrane substrate, and lower electrical conductivity compared to the proposed composite anion exchange membrane.

Известен способ получения анионообменных мембран, выполненных из полимера, содержащего аминогруппы различной степени алкилированности, погружением их в 5% водный раствор полимерного полиэлектролита, представляющего собой поликватерниум-22. Обработку ведут в течение 8 ч при температуре 50°С. Изобретение обеспечивает простой способ модификации анионообменных мембран, сокращение длительности процесса модификации и стабильные характеристики мембран в течение более длительного времени эксплуатации [Патент РФ 2 699646 B01D 71/06 (2019.05); B01D 71/82 (2019.05) опубл. 06.09.2019 Бюл. № 25]. Недостатками метода является отсутствие объяснения действия модификатора, отсутствие подтверждения наличия поликватерниума-22 в мембране.There is a known method for producing anion-exchange membranes made of a polymer containing amino groups of varying degrees of alkylation by immersing them in a 5% aqueous solution of a polymer polyelectrolyte, which is polyquaternium-22. The treatment is carried out for 8 hours at a temperature of 50°C. The invention provides a simple method for modifying anion-exchange membranes, reducing the duration of the modification process and stable membrane characteristics over a longer operating time [RF Patent 2 699646 B01D 71/06 (2019.05); B01D 71/82 (2019.05) publ. 09/06/2019 Bulletin. No. 25]. The disadvantages of the method are the lack of explanation of the action of the modifier and the lack of confirmation of the presence of polyquaternium-22 in the membrane.

Известна анионообменная мембрана, состоящая из подложки, в качестве которой взята мембрана, содержащая 35% полиэтилена и 65% сильноосновного анионита, и слоя модификатора, расположенного на профилированной поверхности мембраны. Слой выполнен из фосфорилированного сверхразветвленного полимера на основе Boltorn Н20 и перфторсульфополимера МФ-4СК в соотношении 1:1 по массе. Технический результат - увеличение электропроводности при сохранении диффузионной проницаемости, что позволяет достичь высоких выходов по току при одновременном снижении энергозатрат [Патент РФ 207737 B01D 71/26 (2006.01); B01D 71/82 (2006.01); B01D 69/02 (2006.01); B01D 61/44 (2006.01) опубл. 12.11.2021 Бюл. № 32]. Электропроводность анионообменной мембраны в 1,4 раза выше по сравнению с исходной мембраной. Недостатком этой анионообменной мембраны является более низкая электропроводность по сравнению с полученной по предлагаемому способу, а также разные коэффициенты набухания мембраны, взятой в качестве подложки и слоя модификатора, что может приводить к отслоению слоя модификатора или нарушению его целостности.An anion exchange membrane is known, consisting of a substrate, which is a membrane containing 35% polyethylene and 65% strong basic anion exchange resin, and a modifier layer located on the profiled surface of the membrane. The layer is made of phosphorylated hyperbranched polymer based on Boltorn H20 and perfluorosulfopolymer MF-4SK in a 1:1 ratio by weight. The technical result is an increase in electrical conductivity while maintaining diffusion permeability, which makes it possible to achieve high current outputs while reducing energy costs [RF Patent 207737 B01D 71/26 (2006.01); B01D 71/82 (2006.01); B01D 69/02 (2006.01); B01D 61/44 (2006.01) publ. 11/12/2021 Bulletin. No. 32]. The electrical conductivity of the anion exchange membrane is 1.4 times higher compared to the original membrane. The disadvantage of this anion-exchange membrane is its lower electrical conductivity compared to that obtained by the proposed method, as well as different swelling coefficients of the membrane taken as a substrate and a modifier layer, which can lead to detachment of the modifier layer or damage to its integrity.

Известен способ получения композитной анионообменной мембраны, модифицированной полианилином [Патент РФ 2612269 B01D 71/60 (2006.01) опубл. 03.03.2017 Бюл. № 7], 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, при этом 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. Недостатком способа является низкая электропроводность полученных мембран.There is a known method for producing a composite anion-exchange membrane modified with polyaniline [RF Patent 2612269 B01D 71/60 (2006.01) publ. 03.03.2017 Bulletin. No. 7], which includes 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, while using 0.5 M ammonium persulfate (NH 4 ) 2 S 2 O 8 prepared in a solution of 1 M HCl, and exposing the membrane to the resulting solution of ammonium persulfate for 10-30 minutes, and then use an aniline solution for 10-30 minutes, while the positively charged fixed groups of the anion exchange membrane are nitrogen-containing. The disadvantage of this method is the low electrical conductivity of the resulting membranes.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения композитной катионообменной мембраны [Патент РФ 2700530 опубл. B01D 67/00 (2006.01) B01D 71/06 (2006.01)17.09.2019 Бюл. № 26], характеризующийся тем, что катионообменную гомогенную перфторированную мембрану помещают в раствор эквивалентной смеси анилина с концентрацией 0,01-0,001 М и серной кислоты на 30 минут для насыщения ее анилином, затем катионобменную гомогенную перфторированную мембрану помещают в раствор окислителя хлорида железа (III) в серной кислоте с концентрацией 0,005 М для образования полианилина под действием окислителя на время равное 30 минутам, после этого мембрану тщательно отмывают дистиллированной водой и помещают в раствор серной кислоты с концентрацией 0,5 М.The closest to the claimed is the method of producing a composite cation exchange membrane [RF Patent 2700530 publ. B01D 67/00 (2006.01) B01D 71/06 (2006.01)09/17/2019 Bulletin. No. 26], characterized by the fact that the cation-exchange homogeneous perfluorinated membrane is placed in a solution of an equivalent mixture of aniline with a concentration of 0.01-0.001 M and sulfuric acid for 30 minutes to saturate it with aniline, then the cation-exchange homogeneous perfluorinated membrane is placed in a solution of the oxidizing agent ferric chloride (III ) in sulfuric acid with a concentration of 0.005 M to form polyaniline under the influence of an oxidizing agent for a period of 30 minutes, after which the membrane is thoroughly washed with distilled water and placed in a solution of sulfuric acid with a concentration of 0.5 M.

Недостатком способа является низкая электропроводность и высокая диффузионная проницаемость полученных мембран.The disadvantage of this method is the low electrical conductivity and high diffusion permeability of the resulting membranes.

Задачей изобретения является усовершенствование способа получения композитной анионообменной мембраны, позволяющее улучшить эксплуатационные характеристики полученных мембран.The objective of the invention is to improve the method for producing a composite anion-exchange membrane, which makes it possible to improve the performance characteristics of the resulting membranes.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение электропроводности и понижение диффузионной проницаемости мембран.The technical result of the proposed invention is to increase electrical conductivity and decrease the diffusion permeability of membranes.

Технический результат достигается тем, что анионообменную мембрану, состоящую из полиэтилена и анионообменной смолы с положительно заряженными азотсодержащими фиксированными группами, помещают последовательно в емкость с раствором окислителя, содержащим персульфат аммония с концентрацией 1 М на 60 мин, а затем заменяют раствор окислителя на водный раствор мономера 2-аминобензолсульфокислоты с концентрацией 0,1 М на 48 часов, после чего композитную анионообменную мембрану отмывают деионизованной водой; размещают анионообменную мембрану с положительно заряженными фиксированными группами в двухкамерной ячейке, образованной вертикально закрепленной мембраной, одну из камер которой наполняют водой, а другую - последовательно растворами окислителя персульфата аммония, а затем водным раствором мономера 2-аминобензолсульфокислоты, затем композитную анионообменную мембрану отмывают деионизованной водой.The technical result is achieved by placing an anion exchange membrane consisting of polyethylene and an anion exchange resin with positively charged nitrogen-containing fixed groups in a container with an oxidizing solution containing ammonium persulfate with a concentration of 1 M for 60 minutes, and then replacing the oxidizing solution with an aqueous solution of the monomer 2-aminobenzenesulfonic acids with a concentration of 0.1 M for 48 hours, after which the composite anion exchange membrane is washed with deionized water; an anion exchange membrane with positively charged fixed groups is placed in a two-chamber cell formed by a vertically fixed membrane, one of the chambers of which is filled with water, and the other - successively with solutions of the oxidizing agent ammonium persulfate, and then with an aqueous solution of 2-aminobenzenesulfonic acid monomer, then the composite anion exchange membrane is washed with deionized water.

СПАНИ по предлагаемому способу образуется непосредственно в анионообменной мембране в результате окислительной полимеризации мономера 2-аминобензолсульфокислоты, которая является производным анилина, под действием окислителя персульфата аммония. Использование 2-аминобензолсульфокислоты в качестве мономера вместо анилина позволяет получить СПАНИ, который обладает катионообменными свойствами благодаря наличию сульфогрупп. При этом образующиеся полимеры, полианилин и СПАНИ, имеют одинаковую линейную структуру «голова-хвост», отличающуюся наличием заместителя сульфогруппы в полимерной цепи [S. Shimizu, T. Saitoh, M. Uzawa at all. Synthesis and applications of sulfonated polyaniline // Synth. Metals. 1997. V. 85. P. 1337-1338].According to the proposed method, SPANI is formed directly in the anion-exchange membrane as a result of oxidative polymerization of the monomer 2-aminobenzenesulfonic acid, which is a derivative of aniline, under the action of the oxidizing agent ammonium persulfate. The use of 2-aminobenzenesulfonic acid as a monomer instead of aniline makes it possible to obtain SPANI, which has cation exchange properties due to the presence of sulfonic groups. In this case, the resulting polymers, polyaniline and SPANI, have the same linear “head-tail” structure, distinguished by the presence of a sulfo group substituent in the polymer chain [S. Shimizu, T. Saitoh, M. Uzawa at all. Synthesis and applications of sulfonated polyaniline // Synth. Metals. 1997. V. 85. P. 1337-1338].

Отличительными признаками заявляемого способа являются:Distinctive features of the proposed method are:

- использование анионообменной мембраны, состоящей из полиэтилена и анионообменной смолы с положительно заряженными азотсодержащими фиксированными группами;- the use of an anion exchange membrane consisting of polyethylene and an anion exchange resin with positively charged nitrogen-containing fixed groups;

- использование для обработки мембраны на первой стадии рабочего раствора окислителя персульфата аммония, а на второй стадии - рабочего раствора мономера 2-аминобензолсульфокислоты.- using a working solution of the oxidizer ammonium persulfate at the first stage to treat the membrane, and at the second stage a working solution of 2-aminobenzenesulfonic acid monomer.

Таким образом, совокупность предлагаемых существенных признаков позволяет получить композитную анионообменную мембрану с электропроводностью в 3 раза выше и диффузионной проницаемостью на 15 % ниже, чем у исходной мембраны.Thus, the combination of the proposed essential features makes it possible to obtain a composite anion-exchange membrane with an electrical conductivity 3 times higher and a diffusion permeability 15% lower than that of the original membrane.

На фиг. 1 представлены инфракрасные спектры нарушенного полного внутреннего отражения (ИК НПВО спектры) исходной мембраны (кривая 0) и композитных анионообменных мембран (кривые 1 - 4). Рассмотрим примеры конкретного выполнения.In fig. Figure 1 shows the infrared spectra of attenuated total internal reflection (IR ATR spectra) of the original membrane (curve 0) and composite anion-exchange membranes (curves 1 - 4). Let's look at examples of specific implementation.

Пример 1Example 1

В качестве исходной мембраны использовали анионообменную гетерогенную мембрану, состоящую из полиэтилена и анионообменной смолы с положительно заряженными азотсодержащими фиксированными группами. Образец исходной мембраны массой около 1 г помещали в 20 мл раствора, содержащего окислитель персульфат аммония с концентрацией 0,125 М (NH4)2S2O8 и мономер 2-аминобензолсульфокислоту с концентрацией 0,1 М на 48 часов. Время появления окраски образца указано в таблице 1. После этого композитную анионообменную мембрану отмывали деионизованной водой. ИК НПВО спектр приведен на фиг. 1, кривая 1.An anion-exchange heterogeneous membrane consisting of polyethylene and an anion-exchange resin with positively charged nitrogen-containing fixed groups was used as the starting membrane. A sample of the original membrane weighing about 1 g was placed in 20 ml of a solution containing the oxidizing agent ammonium persulfate with a concentration of 0.125 M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 and the monomer 2-aminobenzenesulfonic acid with a concentration of 0.1 M for 48 hours. The time for the sample color to appear is indicated in Table 1. After this, the composite anion exchange membrane was washed with deionized water. The ATR IR spectrum is shown in Fig. 1, curve 1.

Пример 2Example 2

В качестве исходной мембраны использовали образец, аналогичный примеру 1. На первой стадии образец исходной мембраны помещали в 20 мл водного раствора мономера 0,1 М 2-аминобензолсульфокислоты на 24 часа. Затем образец помещали в 20 мл раствора окислителя 0,125 М персульфата аммония на 48 часов. Время появления окраски образца 2 указано в таблице 1. После этого композитную анионообменную мембрану (образец 2 в табл. 1) отмывали деионизованной водой. ИК НПВО спектр приведен на фиг. 1, кривая 2.A sample similar to Example 1 was used as the starting membrane. At the first stage, a sample of the starting membrane was placed in 20 ml of an aqueous solution of 0.1 M 2-aminobenzenesulfonic acid monomer for 24 hours. The sample was then placed in 20 ml of 0.125 M ammonium persulfate oxidizing solution for 48 hours. The time for the color appearance of sample 2 is indicated in Table 1. After this, the composite anion-exchange membrane (sample 2 in Table 1) was washed with deionized water. The ATR IR spectrum is shown in Fig. 1, curve 2.

Пример 3Example 3

В качестве исходной мембраны использовали образец, аналогичный примеру 1. На первой стадии образец исходной мембраны помещали в 20 мл водного раствора 0,1 М 2-аминобензолсульфокислоты на 24 часа по примеру 2. Затем образец помещали в 20 мл раствора, содержащий (NH4)2S2O8 с концентрацией 0,125 М и 2-аминобензолсульфокислоту с концентрацией 0.1 М на 48 часов. Время появления окраски образца 3 указано в таблице 1. После этого композитную анионообменную мембрану (образец 3 в табл. 1 отмывали дистиллированной водой. ИК НПВО спектр приведен на фиг. 1, кривая 3.A sample similar to Example 1 was used as a starting membrane. At the first stage, a sample of the starting membrane was placed in 20 ml of an aqueous solution of 0.1 M 2-aminobenzenesulfonic acid for 24 hours according to Example 2. Then the sample was placed in 20 ml of a solution containing (NH 4 ) 2 S 2 O 8 with a concentration of 0.125 M and 2-aminobenzenesulfonic acid with a concentration of 0.1 M for 48 hours. The time for the color appearance of sample 3 is indicated in Table 1. After this, the composite anion-exchange membrane (sample 3 in Table 1) was washed with distilled water. The ATR IR spectrum is shown in Fig. 1, curve 3.

Пример 4Example 4

В качестве исходной мембраны использовали образец, аналогичный примеру 1. На первой стадии образец исходной мембраны помещали в 20 мл водного раствора 0,1 М 2-аминобензолсульфокислоты на 24 часа по примеру 2. Затем образец помещали в 20 мл раствора, содержащий (NH4)2S2O8 с концентрацией 1 М и 2-аминобензолсульфокислоту с концентрацией 0,1 М на 48 часов. Время появления окраски образца 4 указано в таблице 1. После этого композитную анионообменную мембрану (образец 4 в табл. 1) отмывали деионизованной водой. ИК НПВО спектр приведен на фиг. 1, кривая 4.A sample similar to Example 1 was used as a starting membrane. At the first stage, a sample of the starting membrane was placed in 20 ml of an aqueous solution of 0.1 M 2-aminobenzenesulfonic acid for 24 hours according to Example 2. Then the sample was placed in 20 ml of a solution containing (NH 4 ) 2 S 2 O 8 with a concentration of 1 M and 2-aminobenzenesulfonic acid with a concentration of 0.1 M for 48 hours. The time for the color appearance of sample 4 is indicated in Table 1. After this, the composite anion exchange membrane (sample 4 in Table 1) was washed with deionized water. The ATR IR spectrum is shown in Fig. 1, curve 4.

Пример 5Example 5

В качестве исходной мембраны использовали образец, аналогичный примеру 1. Образец размером 10 см на 10 см вертикально размещали в двухкамерной ячейке, образованной вертикально закрепленной мембраной. Каждая камера ячейки имеет объем 100 мл. Одну из камер ячейки наполняли деионизованной водой, а другую на первой стадии наполняли раствором 1 М персульфата аммония и оставляли на 60 минут. После этого раствор персульфата аммония заменяли на 0,1 М раствор 2-аминобензолсульфокислоты и оставляли на 48 часов. Время появления окраски образца 5 указано в таблице 1. После этого композитную анионообменную мембрану (образец 5 в табл. 1) отмывали деионизованной водой. Обменная емкость (Q, ммоль/г), влагосодержание (W, %), толщина (l, мкм), удельная электропроводность (k, См/м) и диффузионная проницаемость (P, м2/с) полученного образца 5 приведены в таблице 2.A sample similar to Example 1 was used as the starting membrane. A sample measuring 10 cm by 10 cm was placed vertically in a two-chamber cell formed by a vertically fixed membrane. Each cell chamber has a volume of 100 ml. One of the chambers of the cell was filled with deionized water, and the other at the first stage was filled with a solution of 1 M ammonium persulfate and left for 60 minutes. After this, the ammonium persulfate solution was replaced with a 0.1 M solution of 2-aminobenzenesulfonic acid and left for 48 hours. The time for the color appearance of sample 5 is indicated in Table 1. After this, the composite anion exchange membrane (sample 5 in Table 1) was washed with deionized water. The exchange capacity (Q, mmol/g), moisture content (W, %), thickness (l, µm), specific electrical conductivity (k, S/m) and diffusion permeability (P, m 2 /s) of the resulting sample 5 are given in the table 2.

Пример 6Example 6

В качестве исходной мембраны использовали образец, аналогичный примеру 1. На первой стадии образец исходной мембраны размером 10 см на 10 см помещали в 100 мл 1 М персульфата аммония и оставляли на 60 минут, а затем в 100 мл 0,1 М раствор 2-аминобензолсульфокислоты на 48 часов по примеру 5. Время появления окраски образца 6 указано в таблице 1. После этого композитную анионообменную мембрану (образец 6 в табл. 1) отмывали деионизованной водой. Обменная емкость, влагосодержание и толщина, полученного образца 6 приведены в таблице 2.A sample similar to Example 1 was used as the starting membrane. At the first stage, a sample of the starting membrane measuring 10 cm by 10 cm was placed in 100 ml of 1 M ammonium persulfate and left for 60 minutes, and then in 100 ml of a 0.1 M solution of 2-aminobenzenesulfonic acid for 48 hours according to example 5. The time for the color appearance of sample 6 is indicated in Table 1. After this, the composite anion exchange membrane (sample 6 in Table 1) was washed with deionized water. The exchange capacity, moisture content and thickness of the resulting sample 6 are given in Table 2.

Таблица 1 - Условия получения композитных анионообменных мембранTable 1 - Conditions for obtaining composite anion-exchange membranes № образцаSample No. Стадия 1Stage 1 Стадия 2Stage 2 Время появления окрашивания мембраныTime of appearance of membrane staining Состав рабочего раствораComposition of the working solution Время контакта мембраны с рабочим растворомContact time of the membrane with the working solution Состав рабочего раствораComposition of the working solution Время контакта мембраны с рабочим растворомContact time of the membrane with the working solution 11 -- -- 0,1 М 2-аминобензолсульфокислоты + 0,125 М персульфата аммония0.1 M 2-aminobenzenesulfonic acid + 0.125 M ammonium persulfate 48 часов48 hours >30 мин>30 min 22 0,1 М раствор 2-аминобензолсульфокислоты0.1 M solution of 2-aminobenzenesulfonic acid 24 часа24 hours 0,125 М (NH4)2S2O8 0.125 M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 48 часов48 hours >30 мин>30 min 33 0,1 М раствор 2-аминобензолсульфокислоты0.1 M solution of 2-aminobenzenesulfonic acid 24 часа24 hours 0,1 М 2-аминобензолсульфокислоты + 0,125 М персульфата аммония0.1 M 2-aminobenzenesulfonic acid + 0.125 M ammonium persulfate 48 часов48 hours >4 ч>4 h 44 0,1 М раствор 2-аминобензолсульфокислоты0.1 M solution of 2-aminobenzenesulfonic acid 24 часа24 hours 0,1 М 2-аминобензолсульфокислоты + 1 М персульфата аммония0.1 M 2-aminobenzenesulfonic acid + 1 M ammonium persulfate 48 часов48 hours >30 мин>30 min 55 1 М (NH4)2S2O8 раствор1 M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 solution 60 мин60 min 0,1 М C6H7NSO3 0.1 M C 6 H 7 NSO 3 48 часов48 hours 15-30 мин15-30 min 66 1 М (NH4)2S2O8 раствор1 M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 solution 60 мин60 min 0,1 М C6H7NSO3 0.1 M C 6 H 7 NSO 3 48 часов48 hours 15-30 мин15-30 min

Таблица 2 – Физико-химические и электротранспортные свойства исходной анионообменной мембраны и полученной по предлагаемому способу композитной анионообменной мембраныTable 2 - Physico-chemical and electrical transport properties of the original anion-exchange membrane and the composite anion-exchange membrane obtained by the proposed method ОбразецSample Q, ммоль/гQ, mmol/g W, %W, % l, мкмl, µm k, См/мk, S/m P, м2P, m 2 /s Исходная мембранаInitial membrane 2,152.15 3737 520±4520±4 0,200.20 8,62⋅10-12 8.62⋅10 -12 55 0,960.96 4242 524±4524±4 0,670.67 7,74⋅10-12 7.74⋅10 -12 66 0,970.97 4343 524±4524±4 0,680.68 7,05⋅10-12 7.05⋅10 -12

Модификатор СПАНИ является окрашенным, поэтому можно визуально оценить минимальное время, которое необходимо для появления СПАНИ в мембране. Сравнение времени появления окрашивания образцов 1-6, приведенное в таблице 1, показывает, что помещение исходной мембраны на первой стадии в раствор персульфата аммония приводит к значительному ускорению реакции полимеризации 2-аминобензолсульфокислоты. Присутствие персульфата аммония в растворе на второй стадии практически не оказывает влияния на время появления окраски мембраны.The SPANI modifier is colored, so you can visually estimate the minimum time required for the appearance of SPANI in the membrane. A comparison of the time for the appearance of coloring of samples 1-6, shown in Table 1, shows that placing the initial membrane at the first stage in a solution of ammonium persulfate leads to a significant acceleration of the polymerization reaction of 2-aminobenzenesulfonic acid. The presence of ammonium persulfate in the solution at the second stage has virtually no effect on the time of appearance of the membrane color.

Таким образом, определен оптимальный режим получения композитной анионообменной мембраны, который заключается в последовательном помещении исходной мембраны в раствор персульфата аммония на 1 час, а затем в раствор 2-аминобензолсульфокислоты на 48 часов. При этом на первой стадии происходит ионный обмен между анионообменной мембраной и раствором, и анионообменная мембрана переходит в ионную форму персульфат- анионов. На второй стадии происходит окислительная полимеризация 2-аминобензолсульфокислоты под действием персульфат-анионов и образуется полимер СПАНИ. В случае, когда обработку мембраны проводят в емкости с рабочими растворами, образование СПАНИ происходит на обоих поверхностях мембраны. В случае, когда обработку мембраны проводят в двухкамерной ячейке, образованной вертикально закрепленной мембраной, одну из камер которой наполняют деионизованной водой, а другую - последовательно раствором окислителя персульфата аммония, а затем раствором мономера 2-аминобензолсульфокислоты, СПАНИ образуется на поверхности мембраны, обращенной в камеру с растворами персульфата аммония и 2-аминобензолсульфокислоты. Доказательством образования СПАНИ являются визуальные наблюдения за изменением окраски мембраны с желтой (цвет исходной мембраны) на коричневую, а также ИК НПВО спектры поверхности композитных анионообменных мембран, которые приведены на фиг. 1.Thus, the optimal mode for obtaining a composite anion exchange membrane has been determined, which consists of sequentially placing the original membrane in a solution of ammonium persulfate for 1 hour, and then in a solution of 2-aminobenzenesulfonic acid for 48 hours. In this case, at the first stage, ion exchange occurs between the anion-exchange membrane and the solution, and the anion-exchange membrane passes into the ionic form of persulfate anions. At the second stage, oxidative polymerization of 2-aminobenzenesulfonic acid occurs under the action of persulfate anions and the polymer SPANI is formed. In the case when the membrane is processed in a container with working solutions, the formation of SPANI occurs on both surfaces of the membrane. In the case when the membrane is processed in a two-chamber cell formed by a vertically fixed membrane, one of the chambers of which is filled with deionized water, and the other - successively with a solution of the oxidizing agent ammonium persulfate, and then with a solution of the monomer 2-aminobenzenesulfonic acid, SPAN is formed on the surface of the membrane facing the chamber with solutions of ammonium persulfate and 2-aminobenzenesulfonic acid. Evidence of the formation of SPANI is provided by visual observations of the change in membrane color from yellow (the color of the original membrane) to brown, as well as the ATR IR spectra of the surface of composite anion exchange membranes, which are shown in Fig. 1.

В составе исходной мембраны отсутствуют сульфогруппы, которые имеются в СПАНИ. На ИК НПВО спектрах образцов 1-4 композитных анионообменных мембран (кривые 1-4 на фиг. 1) присутствуют полосы поглощения при 612 см-1 и 1084 см-1, которые обусловлены симметричными и ассиметричными колебаниями C-S и O=S=O связей, которые отсутствуют на спектре исходной мембраны (кривая 0 на фиг. 1), что подтверждает наличие сульфогрупп в композитных анионообменных мембранах. Полоса поглощения при 1650 см-1, которая имеется на спектрах композитных анионообменных мембран (кривые 1-4 на фиг. 1), обусловлена колебаниями хиноидных фрагментов C=N связей в СПАНИ, которые отсутствуют в исходной мембране. Что также подтверждает образование модификатора в мембране.The composition of the original membrane does not contain sulfo groups, which are present in SPANI. The IR ATR spectra of samples 1-4 of composite anion-exchange membranes (curves 1-4 in Fig. 1) contain absorption bands at 612 cm -1 and 1084 cm -1 , which are caused by symmetric and asymmetric vibrations of CS and O=S=O bonds, which are absent in the spectrum of the original membrane (curve 0 in Fig. 1), which confirms the presence of sulfo groups in composite anion-exchange membranes. The absorption band at 1650 cm -1 , which is present in the spectra of composite anion-exchange membranes (curves 1-4 in Fig. 1), is due to vibrations of the quinoid fragments of C=N bonds in SPANI, which are absent in the original membrane. This also confirms the formation of a modifier in the membrane.

Для оценки влияния СПАНИ на основные физико-химические и электротранспортные свойства мембран было выполнено определение обменной емкости, общего влагосодержания, толщины мембраны, удельной электропроводности и диффузионной проницаемости исходной и композитной анионообменной мембраны, полученной по предлагаемому способу (табл. 2). Удельная электропроводность и диффузионная проницаемость определялись в 0,5 М растворе хлорида натрия. Обнаруженное уменьшение обменной емкости композитной анионообменной мембраны по сравнению с исходной мембраной может быть объяснено тем, что отрицательно заряженные сульфогруппы СПАНИ компенсируют положительно заряженные аминогруппы в композитной анионообменной мембране, которые в результате перестают участвовать в ионном обмене, что выражается в кажущемся уменьшении обменной емкости. При этом наблюдается существенное, в 3 раза, повышение удельной электропроводности композитной анионообменной мембраны по сравнению с исходной анионообменной мембраной. Диффузионная проницаемость композитной анионообменной мембраны на 10 % ниже по сравнению с исходной мембраной. Удельная электропроводность мембран и их диффузионная проницаемость являются основными свойствами, оказывающими влияние на эффективность мембранных процессов разделения и концентрирования растворов электролитов. Чем выше удельная электропроводность, тем ниже энергозатраты на электродиализные процессы переработки растворов электролитов. Увеличение диффузионной проницаемости имеет негативное влияние на электродиализное обессоливание и концентрирование растворов из-за обратной диффузии электролита, которая имеет направление, противоположное миграции, то есть чем ниже диффузионная проницаемость мембран, тем эффективнее будет электродиализ.To assess the effect of SPAN on the basic physicochemical and electrical transport properties of membranes, the exchange capacity, total moisture content, membrane thickness, specific electrical conductivity and diffusion permeability of the original and composite anion exchange membrane obtained by the proposed method were determined (Table 2). Specific electrical conductivity and diffusion permeability were determined in a 0.5 M sodium chloride solution. The detected decrease in the exchange capacity of the composite anion exchange membrane compared to the original membrane can be explained by the fact that the negatively charged sulfo groups of SPANI compensate for the positively charged amino groups in the composite anion exchange membrane, which as a result cease to participate in ion exchange, which is expressed in an apparent decrease in the exchange capacity. In this case, a significant, 3-fold increase in the specific electrical conductivity of the composite anion-exchange membrane is observed compared to the original anion-exchange membrane. The diffusion permeability of the composite anion exchange membrane is 10% lower compared to the original membrane. The specific electrical conductivity of membranes and their diffusion permeability are the main properties that influence the efficiency of membrane processes for separating and concentrating electrolyte solutions. The higher the specific electrical conductivity, the lower the energy consumption for electrodialysis processes for processing electrolyte solutions. An increase in diffusion permeability has a negative effect on electrodialysis desalting and concentration of solutions due to reverse diffusion of the electrolyte, which has the opposite direction to migration, that is, the lower the diffusion permeability of the membranes, the more effective electrodialysis will be.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критериям патентоспособности, так как обладает изобретательским уровнем, новизной и промышленной применимостью.Thus, the claimed technical solution meets the patentability criteria, since it has an inventive step, novelty and industrial applicability.

Claims (2)

1. Способ получения композитной анионообменной мембраны, включающий помещение мембраны в рабочие растворы, один из которых раствор мономера, другой - раствор окислителя, и отмывание, отличающийся тем, что в качестве исходной мембраны используют анионообменную гетерогенную мембрану, состоящую из полиэтилена и анионообменной смолы с положительно заряженными азотсодержащими фиксированными группами, при этом мембрану помещают сначала в раствор окислителя, в качестве которого используют 1 М персульфата аммония, и выдерживают в течение 60 минут, а затем в раствор мономера, в качестве которого используют водный 0,1 М раствор 2-аминобензолсульфокислоты, и выдерживают 48 часов, а отмывание мембраны осуществляют в деионизованной воде.1. A method for producing a composite anion-exchange membrane, including placing the membrane in working solutions, one of which is a monomer solution, the other is an oxidizing solution, and washing, characterized in that an anion-exchange heterogeneous membrane consisting of polyethylene and an anion-exchange resin with a positive charged nitrogen-containing fixed groups, while the membrane is first placed in an oxidizing solution, which is 1 M ammonium persulfate, and kept for 60 minutes, and then in a monomer solution, which is an aqueous 0.1 M solution of 2-aminobenzenesulfonic acid, and kept for 48 hours, and the membrane is washed in deionized water. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку мембраны проводят в двухкамерной ячейке, образованной вертикально закрепленной мембраной, одну из камер которой наполняют деионизованной водой, а другую - последовательно раствором окислителя персульфата аммония (NH4)2S2O8, а затем используют раствор мономера 2-аминобензолсульфокислоты или в емкости с рабочими растворами. 2. The method according to claim 1, characterized in that the membrane is treated in a two-chamber cell formed by a vertically fixed membrane, one of the chambers of which is filled with deionized water, and the other - sequentially with a solution of the oxidizing agent ammonium persulfate (NH 4 ) 2 S 2 O 8 , and then use a solution of 2-aminobenzenesulfonic acid monomer or in a container with working solutions.
RU2022130820A 2022-11-28 Method for producing a composite anion exchange membrane RU2802630C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2802630C1 true RU2802630C1 (en) 2023-08-30

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100560191C (en) * 2007-12-24 2009-11-18 天津大学 In-situ polymerization prepares the method for polyaniline composite hyperfiltration 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
US20140311347A1 (en) * 2011-12-01 2014-10-23 The Regents Of The University Of California Polaniline based membranes for separation of carbon dioxide and methane
WO2014188450A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 Council Of Scientific & Industrial Research Improved process to retain nutritious constituents in potable water obtained through desalination
RU2612269C1 (en) * 2015-11-24 2017-03-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Method of producing composite anion-exchange membrane
RU2700530C1 (en) * 2019-01-24 2019-09-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") Method of producing composite cation-exchange membrane

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100560191C (en) * 2007-12-24 2009-11-18 天津大学 In-situ polymerization prepares the method for polyaniline composite hyperfiltration membrane
US20140311347A1 (en) * 2011-12-01 2014-10-23 The Regents Of The University Of California Polaniline based membranes for separation of carbon dioxide and methane
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
WO2014188450A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 Council Of Scientific & Industrial Research Improved process to retain nutritious constituents in potable water obtained through desalination
RU2612269C1 (en) * 2015-11-24 2017-03-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Method of producing composite anion-exchange membrane
RU2700530C1 (en) * 2019-01-24 2019-09-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") Method of producing composite cation-exchange membrane

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sata Studies on ion exchange membranes with permselectivity for specific ions in electrodialysis
Lorrain et al. Influence of cations on the proton leakage through anion-exchange membranes
US3933610A (en) Desalination process by improved multistage electrodialysis
Berezina et al. Electrotransport properties and morphology of MF-4SK membranes after surface modification with polyaniline
US11583808B2 (en) Method of preparation of conductive polymer/carbon nanotube composite nanofiltration membrane and the use thereof
CN105107393A (en) Preparation method of monovalent ion selective composite film based on template method
Basta et al. Electroextraction of Pb2+ ions from diluted solutions by a process combining ion-exchange textiles and membranes
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
RU2802630C1 (en) Method for producing a composite anion exchange membrane
SU1491342A3 (en) Method of producing two-ply catione-exchange membrane
RU2487145C1 (en) Method of producing composite cation-exchange membrane
Khan et al. Preparation of diffusion dialysis membrane for acid recovery via a phase-inversion method
EP0769032B1 (en) Bipolar membrane and method for fabricating such bipolar membrane
US6569301B2 (en) Cation exchange membrane selectively permeable to monovalent cations and method for its production
RU2481885C1 (en) Method of producing composite membrane with fixed polyaniline layer thickness
RU2559486C2 (en) Multilayer composite polymer strongly basic membrane and method for production thereof
Sata et al. Electrodialytic transport properties of cation exchange membranes in the presence of cyclodextrins
JP3489148B2 (en) Method for removing impurities from polymer ion exchange membrane
CA2120582C (en) Process for the fabrication of a bipolar membrane and process for the fabrication of an aqueous solution of an alkaline metal hydroxyde
Yoo et al. Crosslinkable layer-by-layer assembled sulfonated poly (phenylene oxide) membrane based on Nafion for vanadium redox flow battery
JP2007516357A (en) Method for conducting an electrochemical reaction
Sata New applications of ion exchange membranes
Yeager et al. Membrane applications
CN114405286A (en) Ion-crosslinked amphoteric ion exchange membrane, preparation method and application thereof in selective electrodialysis
Loza et al. Preparation and Investigation of Anion Exchange Membranes Modified with Sulfonated Polyaniline