Способ получения биполярной мембраны

 

Изобретение относится к области гидрометаллургии, в частности к получению ионитовых мембран. Способ заключается в получении мембраны методом горячего прессования и одновременного армирования монополярных сульфокатионитовой мембраны и мембраны на основе бензилтриметиламмониевого анионита. Между монополярными мембранами по рабочему участку формируют слой из смеси фосфороорганического соединения, содержащего эфирный кислород в алкильных радикалах и азотфосфорсодержащего полиамфолита. Изобретение позволяет улучшить электрохимические свойства мембраны, снизить себестоимость исходных материалов, а также расширить ассортимент биполярных мембран. 1 табл.

Изобретение относится к области гидрометаллургии, в частности к способам получения ионитовых мембран, которые могут быть использованы для корректировки рН, разложения солевых систем на кислоту и щелочь методом электродиализа и т.д.

Известен способ получения биполярной мембраны (пат. WO 9715612, МКИ В 01 D 61/44), в соответствии с которым мономер, например галогеналкилстирол или N-гетероциклическое соединение с алкильной группой, прививают на один слой листового полимера и обрабатывают для получения четвертичных аммониевых групп. Другой мономер хотя бы с одной арильной группой, содержащий сульфокислотные или фосфоновокислые функциональные заместители, прививают на другой слой листового полимера. Однако недостатком этого способа является его экологическая небезопасность и технологическая сложность изготовления мембран.

В пат. US №5849167 (МКИ В 01 D 61/44) заявлен способ получения биполярной мембраны, в соответствии с которым перед совместным прессованием мономерных мембран их подвергали предобработке. Для этого анионитовые мембраны приводили в контакт с соединением поливалентного металла и с водным раствором гидроокиси щелочного металла, а катионитовые мембраны подвергали предобработке раствором, свободным от поливалентного металла и щелочного металла. Недостатком мембран, полученных по этому способу, является невысокие электрохимические свойства в процессе генерации ионов H⁺ и ОН^-.

Наиболее близким является способ получения биполярных мембран совместным прессованием и одновременным армированием капроновой тканью или лавсановой сеткой гетерогенных монополярных катионитовых и анионитовых мембран (Сравнительная оценка поведения биполярных мембран в процессе электродиализа. В сборнике докладов Всесоюзного научно-технического семинара в Доме технической пропаганды “Современные методы очистки воды”, М., май - июнь, 1984, стр.115-120).

Однако применение изготовленных по указанному в прототипе способу биполярных мембран на основе широко известных и доступных сильнокислотных сульфокатионитов и сильноосновных бензилтриметиламмониевых анионитов нецелесообразно ввиду низкой рентабельности процесса, высокой величины падения напряжения на ячейке и, как следствие, высокого расхода электроэнергии.

Что касается биполярных мембран, изготовленных по указанному в прототипе способу на основе среднекислотного фосфоновокислого катионита и сильноосновного бензилтриметиламмониевого анионита, то эффективность их применения для процесса разложения солевых систем на кислоту и щелочь методом электродиализа гораздо выше.

Однако технология получения среднекислотного фосфоновокислого катионита чрезвычайно сложна, вследствие чего получаемый ионит является весьма дорогостоящим продуктом, а потому монополярные мембраны, изготовленные на его основе, имеют очень высокую себестоимость, т.к. содержание его в мембране доходит до 70% от веса мембраны. Соответственно и биполярные мембраны на его основе имеют достаточно высокую себестоимость, что значительно снижает рентабельность процесса разложения солевых систем методом электродиализа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение электрохимических свойств мембран, снижение себестоимости исходных материалов, т.е. повышение рентабельности процесса разложения солевых систем на кислоту и щелочь методом электродиализа, а также расширение ассортимента биполярных мембран.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления биполярной мембраны между сульфокатионитовой мембраной и мембраной на основе сильноосновного бензилтриметиламмониевого анионита по рабочему участку биполярной мембраны формируют слой из смеси фосфорорганического соединения, содержащего эфирный кислород в алкильных радикалах, с азотфосфорсодержащим полиамфолитом.

В качестве фосфорорганического соединения применяют катионообменные экстрагенты класса полифосфазенов или алкилфосфорных кислот.

В предлагаемом способе изготовления биполярных мембран используются дешевые и доступные промышленные монополярные катионитовые и анионитовые мембраны. Это позволяет получить значительно более дешевые биполярные мембраны любого размера и толщины с высокими электрохимическими показателями - низкой величиной падения напряжения на мембране (сравнительно с дорогостоящими биполярными мембранами на основе фосфоновокислого катионита и бензилтриметиламмониевого анионита), что способствует повышению рентабельности процесса разложения солевых систем на кислоту и щелочь методом электродиализа. При этом исключается необходимость в применении значительных количеств дорогостоящего среднекислотного фосфоновокислого катионита. Введение небольшого количества фосфорорганического соединения в межмембранное пространство сообщает биполярным мембранам высокие электрохимические и эксплуатационные характеристики и снижает расход электроэнергии при переработке растворов методом электродиализа.

Пример 1. Между монополярными сульфокатионитовой и бензил-триметиламмониевой анионитовой мембранами формируют слой из смеси полиалкилфосфонитрильной кислоты (ПАФНК) и азотфосфорсодержащего полиамфолита с содержанием фосфора 9% в соотношении 1:2 (расход смеси составляет 40 г/м²).

Затем мембраны подвергают совместному горячему прессованию и одновременному армированию капроновой тканью.

Пример 2. Между монополярными сульфокатионитовой и бензил-триметиламмониевой анионитовой мембранами формируют слой из смеси ди-(2-этилгексил)фосфорной кислоты (Д2ЭГФК) и азотфосфорсодержащего полиамфолита с содержанием фосфора 8% в соотношении 1:2 (расход смеси составляет 40 г/м²). Затем мембраны подвергают совместному горячему прессованию и одновременному армированию капроновой тканью.

Изготовленные биполярные мембраны испытаны в процессе получения гидроксида натрия и серной кислоты из раствора сернокислого натрия, содержащего примерно 40 г/дм³ сульфата натрия. Электродиализ осуществляли при плотности тока 100 А /м². Для сравнения в этих же условиях испытывали биполярные мембраны по прототипу. Полученные данные позволили сделать вывод о том, что по своим эксплуатационным характеристикам биполярные мембраны, полученные по предлагаемому способу, значительно превосходят биполярные мембраны на основе сульфокатионита и бензилтриметиламмониевого анионита и идентичны биполярным мембранам на основе фосфоновокислого катионита и бензилтриметиламмониевого анионита.

Свойства биполярных мембран, изготовленных по предлагаемому способу и по прототипу, приведены в таблице.

При этом себестоимость биполярных мембран, полученных по предлагаемому способу, значительно ниже себестоимости мембран по прототипу за счет существенного снижения количества дорогостоящего фосфоновокислого катионита, используемого при их изготовлении, что также положительно сказывается на рентабельности процесса переработки солевых растворов методом электродиализа.

Формула изобретения

Способ получения биполярной мембраны путем совместного горячего прессования и одновременного армирования монополярных сульфокатионитовой мембраны и мембраны на основе бензилтриметиламмониевого анионита, отличающийся тем, что между катионитовой и анионитовой мембранами по рабочему участку биполярной мембраны формируют слой из смеси фосфорорганического соединения, содержащего эфирный кислород в алкильных радикалах, с азотофосфорсодержащим полиамфолитом.