Способ переноса электронов через искусственную мембрану

 

Изобретение относится к мембранной технологии, а именно к способам транспорта электронов через жидкие мембраны на пористой полимерной основе, и может найти применение в химических процессах для проведения окислительно-восстановительных реакций. Цель изобретения - увеличение скорости транспорта электронов и уменьшение вымываемости переносчика электронов из мембраны. Способ переноса электронов включает транспорт электронов из водного раствора, содержащего восстановитель , к водному раствору, содержащему окислитель, через микропористую мембрану, содержащую гидрофобный слой и меланины в качестве переносчика электронов. При этом концентрации восстановителя и окислителя в исходных растворах составляют 1,25 и 6,25 -10-5 М. с Изобретение позволяет увеличить скорость Ј транспорта электронов до 8,, по сравнению с 7,96-10 моль/(см2 -ч) по прототипу. 1 табл. СО с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s В 01 О 61/38 .

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4811894/26 (22) 09.04.90 (46) 07.03.92. Бюл. N. 9 (71) Институт химической физики АН СССР (72) В,В.Демочкин, А.Е.Донцов, Н.Л,Сакина, В.Л.Рубайло и М.А.Островский (53) 541.18.045(088.8) (56) S.-L.Jau, D.P.Rillema. 0.С.Jackmam, L.G.DaIgnault. Electron transport reactions

in immobilized liquid membranes.

А.comparislon of the carriers VItamin Кз апб

2-tetr-butyl-anthraquinone, — J. of Membrane

science, 1988, ч 37, р.р.27-43, (54) СПОСОБ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ

ЧЕРЕЗ ИСКУССТВЕННУЮ МЕМБРАНУ (57) Изобретение относится к мембранной технологии. а именно к способам транспорта электронов через жидкие мембраны на пористой полимерной основе, и может найИзобретение относится к мембранной технологии, а именно к способам транспорта электронов через жидкие мембраны на пористой полимерной основе, и может найти применение в химических процессах для проведения окислительно-восстановительных реакций.

Наиболее близким к предлагаемому является способ переноса электронов через жидкую мембрану на пористой полипропиленовой основе. Жидкую фазу мембраны готовили из смеси дифенилового эфира и метилэтилена (массовое соотношение 2:1) с добавлением к смеси подходящих количеств переносчиков электронов:витамина

К3 или 2-третбутилантрахинона (ТБАХ). Восстановительный раствор содержал трис(2,2

„„Ы2„„1717198 А1 ти применение в химических процессах для проведения окислительно-восстановительных реакций. Цель изобретения — увеличение скорости транспорта электронов и уменьшение вымываемости переносчика электронов из мембраны. Способ переноса электронов включает транспорт электронов из водного раствора, содержащего восстановитель, к водному раствору, содержащему окислитель, через микропористую мембрану, содержащую гидрофобный слой и меланин ы в качестве переносчика электронов. При этом концентрации восстановителя и окислителя в исходных растворах составляют 1,25 .10 — 10 и 6,25 10 — 5 10 M.

Изобретение позволяет увеличить скорость Б транспорта электронов до 8,3 10 6-6,8 10 5 по сравнению с 7,96 10 моль/(см .ч) по прототипу, 1 табл.

-бипиридин рутения (II), метилвиологен и

0,100 М этилендиаминтетраацетата (ЭДТА), доведенный до рН 7,0 M с помощью 4 М

NaOH. Окислительный раствор содержал комплексы железа (III) с фенантролином или тетраметилфенантролином, или дифенилфенантролином в 1 M Н2304, В способе был использован температурный диапазон от

20 до 40 С.

При использовании ТБАХ в качестве переносчика электронов максимальная скорость переноса электронов через мембрану составила 6,5 10 моль/(см ч) в случае фенантролинового комплекса железа в водном растворе 1,0 М HzSO4 и

7,96 10 моль/(см ч) для фенантролинового комплекса железа, растворенного в сме1717198

20

30

40

55 си 30%-ного метанола и 1,0 М I2S04.

Для витамина Кз в качестве переносчика максимальная скорость составила

4,20 10 моль/(см ч), Точность измерения значений скорости й5%.

Однако по способу проницаемость мембран для электронов недостаточно высока.

Кроме того, наблюдается постепенное вымывание переносчиков электронов из мембран, что приводит к дальнейшему уменьшению проницаемости для электронов в процессе эксплуатации, Для сохранения указанных выше значений скорости электронного траспорта необходимо для каждого цикла переноса электронов готовить свежую мембрану.

Цель изобретения — увеличение скорости транспорта электронов и уменьшение вымываемости переносчика электронов из мембраны.

Поставленная цель достигается п редлагаемым способом переноса электронов через искусственную мембрану, включающим транспорт электронов из водного раствора, содержащего восстановитель, к водному раствору, содержащему окислитель, через микропористую мембрану, содержащую гидрофобный слой, в котором в качестве переносчика электронов в мембране используют меланины, причем концентрация восстановителя в донорном растворе составляет 1,25 10 -10з М, а концентрация окислителя в акцепторном растворе составляет 6,25 10 — 5.10 M.

Меланины представляют собой продукты окислительной полимеризации тирозина, диоксифенилаланина и катехоламинов.

Их получают как из природных продуктов, так и синтетически. Большие количества дешевых препаратов могут быть получены из отходов сельскохозяйственного производства, например из отходов переработки винограда или производства растительного масла.

Ранее способы, где в качестве переносчика электронов использовали бы меланинсодержащие мембраны, не были известны.

При разработке данного способа было обнаружено, что меланин, иммобилизованный в жидких мембранах на пористой полимерной основе, способен переносить электрон от донора, находящегося в водной фазе с одной стороны мембраны, на акцептор электрона, находящийся в водной фазе с другой стороны мембраны. При дальнейших исследованиях было установлено, что скорость потока электронного заряда в предлагаемом способе значительно выше, чем в известном способе, и при определенных концентрациях донорного и акцепторного растворов достигает почти 10кратного увеличения. Сопоставление значений удельного сопротивления мембран, содержащих меланин и без меланина (примеры 1 и 3), показывает, что введение в мембрану меланина приводит к значительному увеличению ее электропроводности, что обусловливает возникающую проницаемость для электронов. При отсутствии меланина в мембране восстановления цитохрома с не происходит, так как мембрана непроницаема для электронов.

В предлагаемом способе восстановление окислителя происходит без затрат энергии — только за счет градиента концентрации восстановителя.

В предлагаемом способе использовали как синтетический ДОФА-меланин, так и природный меланин, полученный из сельскохозяйственных отходов, В качестве пористой полимерной основы могут использоваться нитроцеллюлозные и ацетатцеллюлозные микрофильтры и другие пористые полимерные матрицы, Импрегнирующая водонерастворимая органическая жидкость может представлять собой жирные кислоты, их эфиры, фосфолипиды, растительные масла, длинноцепочечные углеводороды и спирты или смеси водонерастворимых веществ.

Пример 1, ДОФА-меланин (диоксифенилаланин-меланин) получали по методике

Arch. Biochem. Biophys., 1980, v,220, М 1, р.140 — 148. 0,05 г ДОФА-меланина суспендировали в 5 см фосфатного 0,05 M буфера (рН=9). Полученную суспензию наносили на нитроацетатцеллюлозные микрофильтры пористостью 75% со средним диаметром по

0,45 мкм и толщиной 0,1 мм при 20 С. Затем мембрану сушили в потоке теплого воздуха.

Высушенную мембрану помещали в сосуд с метилолеатом, через 5 мин извлекали, давали стечь жидкости с поверхности, после чего закрепляли мембрану с рабочей площадью S = 3 см термостатированной тефлоновой ячейке, Диффузионная ячейка разделялась мембраной на две камеры объемом 20 см каждая, Определенная по увеличению веса масса иммодилизованного в мембрану меланина и метилолеата на

1 r сухой полимерной матрицы равнялась

20 мг/г и 2,4 г/r соответственно, Удельное сопротивление мембраны на постоянном токе составляло 0 5 МОм см, В первую камеру заливали 15 мл водного раствора цитохрома с (содержание железа 0,43%, молекулярная масса M = 123000, 1717198

Серва); содержание цитохрома с 5 105 М (окислитель). Во вторую камеру помещали 15 мл 5 10 М водного раствора никотинамидадениндинуклеотида натрия (НАДН) (восстановитель). Температура 20 C. Концентрацию восстановленной формы цитохрома с регистрировали спектрофотометрически на длине волны 548 нм (альфа-полоса в спектре восстановленного цитохрома с о = 2,1.10 4 л/моль см). Кинетическая зависимость восстановленной формы цитохрома с спрямляется в координатах In(x-x)=lnx-(Ê+Ê )t, где х — равновесная концентрация восстановленного цитохрома с (при t = о0), а х — его текущая концентрация. В данном примере константа скорости псевдопервого порядка составляла 3,8 10 с . Поток электронов через мембрану (P) при t=0 можно вычислить из

20 значения константы скорости псевдопервого порядка, зная рабочую площадь мембраны (S) и объем водных растворов (V) по следующей формуле:

КС1 О) Н

25 где С1(О) — концентрация окисленной формы цитохрома с при с = О, B данном примере поток электронов че- 30 рез мембрану составлял 3,4 10 моль/

/(см ч). Точность измерения значений ског. рости в этом и других примерах составляла

:"5 0

Пример 2. В первую камеру той же 35 реакционной ячейки заливали 15 мл

5 10 М водного раствора цитохрома g, Bo вторую камеру помещали 15 мл 2,5 10" М водного раствора НАДН, Мембрана содержала меланина и метилолеата в тех же коли- 40 чествах, что и в примере 1. Константа скорости псевдопервого порядка равнялась

1,9 10 моль/л .с. Поток электронов через мембрану составлял 1,7 10 моль/(см ч).

Пример 3 (контрольный), Мембрану 45 получали, как описано выше, однако до пропитки метилолеатом фильтровали водный раствор, не содержащий меланин, Опыт проводили как в примере 1. Через 3 ч не было обнаружено нарастания восстанов- 50 ленной формы цитохрома с по сравнению с началом пути. Удельное электрическое сопротивление мембраны равнялось в этом случае 8-120 МОм см .

Пример 4 (контрольный). Опыт про- 55 водили как в примере 1, однако во вторую камеру помещали водный раствор, не содержащий восстановителя (НАДН). Через

3 ч не было обнаружено нарастания восстановленной формы цитохрома с по сравнению с началом пути. Таким образом, в отсутствии восстановителя не происходит переноса электронов через мембрану.

Пример 5 (контрольный). Опыт проводили как в примере 1, однако в первой камере отсутствовал цитохром с, а в вторую камеру помещали 15 мл водного раствора

5 10 М НАДН. Через 3 ч в первой камере

-4 не было обнаружено никаких следов (спектрофотометрически) НАДН, Таким образом, мембрана: была непроницаема для восстановителя.

Пример 6. Опыт проводили, как в примере 1, однако мембрана представляла собой ацетатцеллюлозный микрофильтр

"Владипор" МФА-3M hL 1 со средним диаметром пор 0,1 мкм, содержащий 24 мг/г и 2,0 r/ã ДОФА-меланина и метилолеата соответственно. В первую камеру заливали 15 мл водного раствора цитохрома с с концентрацией 3 10 М, а во вторую — 15 мл

-5

8 10 М НАДН. B данном примере поток электронов через мембрану составлял

9 10 моль/см ч, Замена нитроацетатцеллюлозного микрофильтра на ацетатцеллюлозный допустима и позволяет получить скорость электронного транспорта выше, чем в прототипе.

Пример 7. Опыт проводили, как в примере 6, однако метилолеат был заменен на децен-1, Во вторую камеру заливали

15 мл 2 10 M НАДН. B данном примере поток электронов чеоез мембрану составлял 8,3 10 моль/(см ч).

Замена метилового эфира олеиновой кислоты на децен-1 в данных концентрационных условиях по НАДН и цитохрому «с позволяет получить скорость электронного транспорта выше, чем в прототипе.

Пример 8. Опыт проводили, как в примере 1, однако концентрация НАДН в второй камере составляла 10 М. Поток электронов через мембрану составлял 68,0 мкмоль/(cM Ч).

Пример 9, Опыт проводили, как в примере 1, однако концентрация НАДН в второй камере составляла 1,2 10 М. Поток электронов через мембрану составлял

68,0 мкмоль/(см .ч), Таким образом, нецег. лесообразно увеличивать концентрацию

НАДН выше, чем 10 М, так как скорость электронного транспорта выходит на насыщение (верхний предел по НАДН = 10 М).

Пример 10. Опыт проводили, как в примере 1, однако концентрация НАДН во второй камере составляла 1,25 .10 М. Поток электронов через мембрану составлял

1717198

45

55

8,5 мкмоль/(см ч), т.е. выше, чем в прототипе.

Пример 11. Опыт проводили, как в примере 1, однако концентрация НАДН во второй камере составляла. 10 М, Поток 5

-4 электронов чеоез мембрану составлял

6,7 мкмоль/(см ч), т.е. ниже, чем в прототипе.

Пример 12. Опыт проводили, как в примере 8, однако концентрация.цитохрома 10 с в первой камере составляла 6,25 10 М

Поток электронов через мембрану составлял 8,5 мкмоль/(см ч). г.

Пример 13, Опыт проводили, как в примере 8, однако концентрация цитохрома 15 с в первой камере составляла 5,0 10 М.

-6

Поток электронов через мембрану составлял 6,7 мкмоль/(см ч), т.е. ниже, чем в

2 прототипе. Таким образом, нижний предел по концентрации цитохрома с составляет 20

6,25 10 М.

Пример 14, Опыт проводили, как в примере 8, однако концентрация цитохрома с в первой камере составляла 6 .10 М;

-5

Поток электронов через мембрану состав- 25 лял 68,0 мкмоль/(см ч) (та же скорость, что

2. и в примере 8).

Пример 15 (для подтверждения невымывания переносчика электронов меланина из мембраны). Опыт проводили, как в примере 1, однако использовали мембрану, выдержавшую 10 циклов переноса электронов. Поток электронов через мембрану был равен 3,2 10 моль/(см ч), т.е, практически не изменился по сравнению с 35 примером 1.

Результаты по примерам 1-15 приведены в таблице.

Как видно из приведенных данных концентрационный диапазон по восстановителю составляет 1,25: 10 -10 М, а по окислителю (цитохрому c) 6,25.10 -5 10 М.

Дальнейшее увеличение концентрации реагентов не приводит к увеличению скорости переноса электронов.

Полученные данные показывают, что предлагаемый способ позволяет значительно .повысить скорость электронного транспорта: в зависимости от условий проведения процесса скорость достигает значений от 8,3 10 до 6,8.10 моль/(см ч) по сравнению с 7,96 10 моль/(см ч) в прототипе.

При использовании предлагаемого способа высокая прочность закрепления полимерных цепей меланина в мембране приводит к увеличению времени ее жизни и исключает потери меланина и загрязнение водных растворов.

Формула изобретения

Способ переноса электронов через искусственную мембрану, включающий транспорт электронов из водного раствора, содержащего восстановитель, к водному раствору, содержащему окислитель, через микропористую мембрану, содержащую гидрофобный слой и переносчик электронов, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорости транспорта электронов и уменьшения вымываемости переносчика электронов из мембраны, в качестве переносчика электронов используют меланины, а концентрации восстановителя и окислителя в исходных растворах составляют 1,25.10 -10 и 6,25 10 — 5 10 М соответственно.

17171 с98 т - - - - г

Пример

Концентрация, M Скорость транспорта Примечания "1 т. электронов, моль/см ч

Окислитель t Восстановитель ь .1

Прототип

Нембрана не содержала меланин

"Владипор"

"Влалипор", пропитка децен-1

Верхний предел по концентрации восстановителя и окислителя

1,2 10 3

6,8 ° 10

5 10

При концентрации восстановителя выше 1 10 M скорость не увеличивается

1,25 .10

10 5 10

11 5 10

Нижний предел по концентрации восстановителя

При концентрации восстановителя

-1 ниже 1,25 10 M скорость меньше, чем в прототипе

12 6,25 10 10

Нижний предел по концентрации окислителя

13 5 10

При концентрации окислителя ниже

6,25 10 Н скорость меньше, чем в прототипе

6,8 ° 10

14 6 10

При концентрации окислителя выше

1,0 ° 10 М скорость не увеличивается (см. пример 8) 3,2.10

5 10

15 5 10

После 10 циклов

Ф) таМ, ГдЕ НЕ уКазаНО, ИСПОЛЬЗОВаЛИ МЕМбраНу нНИЛЛИПОрн (НнтрсацЕтатцЕЛЛЮЛОЗа С днаМЕтрри ПОр

0,45 мкм с пропиткой метилолеатом).

40

50

Редактор Н. Шитев

Заказ 831 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

5 ° 10

5 10

5 ° 10

5 10

3,.10 в

3 ° 10

5 10

5 ° 10

2,5 .10

5 10

5 ° 1О

10-4

2 ° 10

1,0 10

7 96 10-в

3,4 ° 10"

1,7 10

О.

9 ° 10"

8,3 10

6,8 10

8,5 10

6,7 10

8,5 ° 10

6,7 ° 10

Составитель А, Донцов

Техред М.Моргентал Корректор В. Гирняк

Способ переноса электронов через искусственную мембрану Способ переноса электронов через искусственную мембрану Способ переноса электронов через искусственную мембрану Способ переноса электронов через искусственную мембрану Способ переноса электронов через искусственную мембрану 

 

Похожие патенты:
Изобретение относится к мембранным процессам выделения органических соединений из растворов
Изобретение относится к способу фракционирования смеси полиизоцианатов

Изобретение относится к технике разделения и очистки газов

Изобретение относится к области конструкций аппаратов, применяемых для проведения процессов разделения веществ с помощью жидких мембран и может быть использовано в химической, микробиологической и других отраслях промышленности для разделения, извлечения и очистки веществ
Изобретение относится к гидрометаллургии и может быть использовано для извлечения металлов из разбавленных технологических растворов и сточных вод

Изобретение относится к области получения обессоленной воды и может быть использовано для деминерализации природных и сточных вод методом электродиализа в атомной энергетике, в электронной, медицинской, фармацевтической, химической, пищевой отраслях промышленности. Электродиализатор включает корпус, расположенные в корпусе между электродами анионную и катионную мембраны, которые разделяют корпус на три камеры: анодную, катодную и исходной воды, каналы для подачи исходной воды и вывода диализата и концентрата. Мембраны выполнены из слоев жидкости различной плотности и толщины, причем плотность катионной мембраны больше плотности исходной воды, плотность анионной мембраны меньше плотности исходной воды. Анионная мембрана выполнена из слоев этилового спирта и толуола, а катионная мембрана - из слоев нитробензола и глицерина, номинальная толщина каждого слоя жидкой мембраны составляет 40-45 мм. Технический результат - повышение степени обессоливания воды, снижение трудоемкости обслуживания электродиализатора и повышение надежности его эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к мембранному разделению. Представлен способ проведения выделения по меньшей мере одного находящегося в газообразном пермеате рабочего материала из исходного газообразного материала, подаваемого в резервуар для исходного газообразного материала, находящийся во взаимосвязи с возможностью массопереноса с резервуаром для пермеата через мембрану, где исходный газообразный материал включает рабочий материал, представляющий собой находящийся в исходном газообразном материале рабочий материал, и мембрана включает гель. Способ относится к подпитывающему жидкому материалу, который обедняется из геля. Технический результат - улучшение производительности процессов пермеации. 4 н. и 79 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к мембранной технологии, а именно к способам транспорта электронов через жидкие мембраны на пористой полимерной основе, и может найти применение в химических процессах для проведения окислительно-восстановительных реакций

Наверх