Ионообменные мембраны

Гетерогенные мембраны получают прессованием смеси порошков полиэтилена и соответствующего ионита. Мембраны, поверхность которых армируется капроновой или лавсановой тканью (в последнем случае марка мембраны оканчивается индексом «Л»), имеют повышенную кислотостойкость. В сухом состоянии длина листов мембран, кроме мембраны МК-41, должна быть не менее 1420 мм, ширина — 450 мм; мембрана МК-41 имеет длину 2000 мм и ширину 500 мм. Толщина мембран, армированных капроновой тканью, составляет 0,3—0,4 мм, лавсановой — 0,6 мм (за исключением мембраны МК-41, толщина которой — не более 0,5 мм). Листы должны иметь ровную гладкую поверхность без вмятин, выпуклостей, посторонних включений, проколов и трещин. Мембраны МК-40 и МА-40 выпускают в промышленном масштабе, остальные — в виде опытно-промышленных партий. После высушивания набухших ионообменных мембран их свойства не восстанавливаются. Вероятно, это связано с необратимой деформацией полиэтиленовой матрицы, в которую запрессованы зерна ионита.

Удельная электропроводимость ионообменных мембран порядок меньше, чем удельная электропроводимость ионообменных смол, на основе которых изготовлены соответствующие мембраны. Параметры трехпроводной модели, как и электропроводимость ионообменных мембран, могут меняться от партии к партии и даже в пределах одного листа мембраны.

Числа переноса ионообменных мембран зависят от концентрации, природы и температуры равновесного раствора, а также от условий проведения процесса плотности тока и скорости потока жидкости.

При увеличении плотности тока до величин, превышающих критическую в 15 раз, числа переноса противоионов через катионообменную мембрану меняются незначительно (для мембран МК-40 в 0,1 н. NaCl диапазон изменений составляет 0,98—0,94). Для анионообменных мембран соответствующие изменения много больше — от 0,91 до 0,75. Это различие объясняется в поведении катионо- и анионообменных мембран отличием интенсивности перемешивания раствора при достижении критической плотности тока.

Гидравлическая проницаемость обычных гетерогенных и гомогенных мембран невелика. С увеличением концентрации равновесного раствора гидравлическая проницаемость гетерогенных мембран увеличивается. Это увеличение связано с уменьшением набухания зерен ионита, вкрапленных в матрицу ионита, и увеличением зазора между зернами и матрицей. Гидравлическая проницаемость гомогенных мембран, как правило, ниже проницаемости гетерогенных и уменьшается при увеличении концентрации внешнего раствора. Это объясняется уплотнением ионита вследствие его сжатия, уменьшением чисел гидратации и количества свободной воды.

Электроосмотическая проницаемость ионообменных мембран практически не зависит от плотности тока и температуры, но зависит от гидратации противоиона; чем больше гидратирован противоион, тем выше электроосмотическая проницаемость мембран. С ростом концентрации раствора электроосмотическая проницаемость гетерогенных мембран практически не меняется.

Химическая стойкость мембран МК-40, МА-40 и МА-41 достаточно высока; их можно использовать при рН, равных 1—14. Мембраны с лавсановой армировкой и мембрану МА-40 желательно применять при рН от 1 до 7. Поскольку катионообменные смолы химически более стойки, чем анионитовые, то и мембраны, изготовленные на основе катионитов, отличаются большей стойкостью, чем мембраны на основе анионитов. По этой причине анодную камеру в электродиализаторах часто отделяют катионообменной мембраной МК-40Л, которая остается стойкой в 6 н. растворах соляной и серной кислот. Для сравнения укажем, что мембрана МА-40 достаточно стойка лишь в 5%-ных растворах этих кислот и разрушается в растворах 1 н. HNO3 и 2% H2O2. Мембрана МА-41 более стойка к окислителям, щелочам и кислотам; она сохраняет высокую селективность в 5%-ных растворах HNO3 и Н2О2.

Биполярные мембраны применяют в качестве источника ионов водорода и гидроксила. В этом отношении они подобны биполярным электродам. Однако, в отличие от последних, перенос тока через биполярные мембраны не связан с переходом электрона и, следовательно, с электродной реакцией. Таким образом, применяя биполярные мембраны, можно обойти проблему изготовления стойких анодов и избежать образования газообразных продуктов электродных реакций.

Биполярные ионообменные мембраны состоят из двух соединенных друг с другом слоев — катионо- и анионо-обменной мембран. Их получают спрессовыванием вальцованных катионо- и анионообменных мембран толщиной 0,25—0,30 мм. Поверхность биполярных мембран армируют капроновой, либо лавсановой, либо полипропиленовой тканью. Толщина биполярных мембран — не более 0,5 мм, размер листа — 450X1470 мм; при набухании толщина мембран увеличивается не менее чем на 3%, я длина — на 20%. Поверхностное сопротивление биполярных мембран не должно превышать 20 Ом-см2, а удельное — 300 Ом-см. Перед применением биполярные мембраны замачивают в воде или в 0,6 н. растворе NaCl. При получении растворов кислот и щелочей концентрацией выше 1 н. следует применять мембраны с полипропиленовой армировкой. Температурный диапазон работы биполярных мембран 10—50°С.

Гомогенные мембраны по сравнению с гетерогенными обладают более высокой электропроводимостью и селективностью. Мембраны МК-10О и МА-100 выпускают в набухшем состоянии соответственно в Na- и Cl-формах размером 500X500X0.3 мм. Высушивание мембран недопустимо. Хранят мембраны в воде или в 0,6 н. растворе NaCl.

Мембраны представляют собой гладкие листы ровной поверхности без посторонних включений, проколов, вмятин и трещин. Их прочность при растяжении должна быть не менее 1000 Н/см2, относительное удлинение при разрыве — не менее 30%, полная обменная емкость по 0,1 н. растворам NaOH или НСl кислоты (2,2±0,2) мэкв/г сухой мембраны.

Исследование электрохимической активности мембран МК-10О и МА-100 в растворах NaCl, HCl, HNO3 и NaOH различной концентрации показадо, что электропроводимость мембран занимает промежуточное положение между электропроводимостью гетерогенных мембран и ионитов. Это объясняется тем, что силовые линии тока в гомогенных мембранах менее искривлены, чем в гетерогенных. В то же время набухание ионообменных смол значительно выше, чем набухание гомогенных мембран. Заметный рост электропроводимости анионообменной мембраны МА-100 при увеличении концентрации равновесного раствора кислоты указывает иа присутствие в ней средне- и, возможно, слабоосновных групп. Вместе с тем, значительно большая электропроводимость ОН-формы мембраны по сравнению с Сl-формой свидетельствует о том, что эта мембрана, в основном, сильноосновная. Мембрана МК-10О, по данным, проявляет сильнокислотные свойства. Диффузия электролита через катионообменные мембраны выше по сравнению с анионообменными. Максимальная диффузия наблюдается через Н- и ОН-форму мембран. Авторы отмечают, что после испытаний в концентрированных растворах электролитов отщепилось 14% всех активных групп.
Имеются указания, что мембраны МК-10О и МА-100 химически стойки в 4 н. растворах NaOH, HCд и HNO3, а также в щелочных растворах, содержащих пероксид водорода и гидразин. В этом отношении привлекают внимание мембраны на основе мономеров винилпиридинового ряда, обладающие высокой химической, термической и радиационной стойкостью. Температурный диапазон применения мембран МК-10О и МА-100 невелик — от 10 до 50 °С.

Мембраны МК-102 химически стойки к кислотам и окислителям, их рекомендуют применять для отделения анодной камеры.

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>