Способ профилирования гетерогенных ионообменных мембран

Изобретение относится к способам формирования на поверхности ионообменных мембран определенного геометрического рельефа, интенсифицирующего массоперенос через мембраны в электродиализных аппаратах. В способе профилирования гетерогенных ионообменных мембран прессованием мембраны предварительно переводят в набухшее состояние и прессуют их при температуре 80-90°C и времени выдержки под нагрузкой 20-40 с. Изобретение обеспечивает увеличение активной поверхности ионообменных мембран, снижение величины адгезии, исключение термодеструкции и разрушения микроструктуры мембран. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к способам формирования на поверхности ионообменных мембран определенного геометрического рельефа, интенсифицирующего массоперенос через мембраны в электродиализных аппаратах.

Известен способ профилирования ионообменных мембран путем механического нанесения на их поверхности канавок с образованием выступающих ребер, играющих роль прокладок и служащих для обеспечения фиксированного расстояния между мембранами в камерах обессоливания и концентрирования и создания в них условий турбулентности [1].

Данный способ профилирования мембран является крайне нетехнологичным и малоэффективным.

Известен способ профилирования гетерогенных ионообменных мембран прессованием при температуре 135-150°C, давлении 7-10 МПа и времени выдержки под нагрузкой 60-120 сек [2].

Способ позволяет значительно увеличить активную поверхность ионообменной мембраны, что приводит к улучшению массообменных характеристик.

Недостатками указанного способа является наличие так называемого эффекта «капсулирования», заключающегося в том, что происходит процесс обволакивания и экранирования частиц ионита мембран инертным связующим материалом - полиэтиленом, входящим в состав гетерогенной ионообменной мембраны, что приводит к возрастанию удельного сопротивления профилированных мембран и снижению величины их активной поверхности.

Другим недостатком известного способа является то, что происходит прилипание мембраны к матрице пресс-формы в результате увеличения адгезии.

И, наконец, высокие температура и давление, при которых происходит процесс профилирования мембран, могут приводить к химической деструкции мембран и изменению микроструктуры мембран, в частности, «закупориванию» части транспортных пор.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа профилирования ионообменных мембран, позволяющего увеличить активную поверхность ионообменных мембран, снизить величину адгезии, исключить термодеструкцию и разрушение микроструктуры мембран.

Технический результат достигается тем, что в способе профилирования гетерогенных ионообменных мембран прессованием, мембраны предварительно переводят в набухшее состояние и прессуют их при температуре 80-90°C и времени выдержки под нагрузкой 20-40 с.

Правильность геометрии рельефа или, другими словами, профиля, сформированного на поверхности мембран, можно оценить по отношению полученной высоты профиля (h) к оптимальной высоте (h_опт), задаваемой пресс-формой, т.е. по относительной высоте профиля α, равному h/h_опт. Если α<1, то профиль пропечатан недостаточно, если α>1, то мембрана перепрессована и наблюдается нарушение геометрии профиля. При α≈1 (0.9<α<1.1) создается наилучший профиль. На фиг.1 показаны фотографии поперечных срезов профилированных мембран, из которых видно, что с увеличением температуры прессования высота профиля возрастает, однако при чрезмерном росте температуры наблюдается отклонение профиля от заданной геометрии.

На фиг.2 представлены полученные методом сканирующей электронной микроскопии и затем обработанные в компьютерной программе Adobe Photoshop фотографии непрофилированных и профилированных ионообменных мембран МК-40 и МА-40, изготовленных известным способом и предложенным способом. Данный метод позволяет оценить долю активной поверхности w% ионообменных мембран (белые участки на фиг.2 - доля ионита на поверхности мембраны). Анализ микроструктуры мембран показывает, что при прессовании известным способом до 98% активной поверхности мембран может быть экранировано пленкой полиэтилена, а также «капсулирована» значительная часть частиц ионита в объеме мембраны. При прессовании предварительно набухших мембран в соответствии с предлагаемым способом нежелательный эффект «капсулирования» практически отсутствует.

Пример 1. Для подтверждения достижения поставленной цели проводили процесс профилирования гетерогенных ионообменных мембран МК-40 и МА-40 прессованием известным и предлагаемым способами. Измерения проводились ртутно-контактным методом после уравновешивания мембран в 0,5 Н растворе NaCl. Результаты представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.
Зависимость характеристик мембран от температуры прессования
	Температура	Относительная высота профиля, α	Удельное поверхностное сопротивление Rуд, Ом·см2
Тип мембраны	Прессования Т, °C	Известный способ	Предлагаемый способ	Известный способ	Предлагаемый способ
МК-40	Непрессованная мембрана	-	7.5
	70	0.25	0.45	7.4	7,1
80	0.57	0.72	7.5	6,4
	90	0.71	1.03	7.9	6,5
	100	0.85	1.09	8.7	7,2
	120	1.00	1.31	10.1	7.8
135	3.25	2.28	11.2	9.6
	Непрессованная мембрана	-	5.9
	70	0.34	0.65	5.6	4,8
	80	0.65	0.94	5.8	4,7
МА-40	90	0.80	1.09	6.3	4,7
	100	0.92	1.14	7.5	5,2
	120	1.60	1.71	8.4	5.7
	135	3.42	3.14	10.0	8.9

Как видно из таблицы, оптимальный профиль мембран МК-40 и МА-40 в предлагаемом способе (α=0.94-1.09) наблюдается при температуре прессования 80-90°C, в то время как в известном способе этот коэффициент достигает оптимальных значений (α=0.92-1.00) при температуре прессования 100-120°C. Возможность снижения температуры прессования при профилировании набухших мембран позволяет исключить разрушение микроструктуры пор.

Кроме того, из таблицы 1 видно, что удельное поверхностное сопротивление профилированных мембран, полученных известным способом, возрастает по сравнению с непрофилированными, в то время как сопротивление мембран, полученных предлагаемым способом, снижается, что указывает на отсутствие эффекта «капсулирования». Это связано, по-видимому, с тем, что образующиеся при прессовании мембраны предлагаемым способом пары воды разрушают пленку полиэтилена. Кроме того, набухшая в воде мембрана является более пластичной, чем сухая, что позволяет существенно снизить температуру прессования, тем самым исключить текучесть полиэтилена.

Другим преимуществом предложенного способа является снижение адгезии мокрой мембраны, что исключает прилипание материала мембраны к металлической поверхности матрицы пресс-формы.

В таблице 2 показана зависимость относительной высоты профиля мембран от времени выдержки в предлагаемом способе.

Таблица 2. Зависимость относительной высоты профиля мембран от времени выдержки в предлагаемом способе (при давлении =10 МПа)
Время выдержки под давлением, с	Относительная высота профиля, α	Относительная высота профиля, α
Т=80°C	Т=90°C
	МК-40	МА-40	МК-40	МА-40
10	0.42	0.75	0.62	0.87
20	0.64	0.92	0.89	1.01
30	0.72	0.96	1.03	1.09
40	0.74	1.03	1.08	1.13
60	0.77	1.11	1.12	1.18
120	0.81	1.15	1.25	1.29
600	0.86	1.27	1.36	1.43

Как видно из табл.2, условия получения оптимального профиля мембран (α=0.92-1.08) наблюдаются при времени выдержки их под нагрузкой 20-40 с.

Источники информации

1. А.с. № 990256 СССР, МКИ В 01 D 13/02. Ионообменная мембрана / А.Г.Белобаба, Л.А.Плеханов, М.В.Певницкая.

2. А.с. № 216622 СССР, МКИ В 01 D 13/02. Электродиализатор / Н.П.Гнусин, М.В.Певницкая, В.К.Варенцов, В.Д.Гребенюк.

Способ профилирования гетерогенных ионообменных мембран прессованием, отличающийся тем, что мембраны предварительно переводят в набухшее состояние и прессуют их при температуре 80-90°C и времени выдержки под нагрузкой - 20-40 с.