Способ получения композиционной катионообменной мембраны



Способ получения композиционной катионообменной мембраны
Способ получения композиционной катионообменной мембраны
Способ получения композиционной катионообменной мембраны

 


Владельцы патента RU 2487145:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") (RU)

Изобретение относится к мембранной технике и технологии, в частности к способам получения композитных материалов на основе катионообменных мембран с полианилином, и может быть использовано в электродиализных аппаратах для процессов концентрирования солевых растворов и разделения многокомпонентных смесей. Способ включает синтез полианилина в катионообменной мембране во внешнем электрическом поле в две стадии. На первой стадии под действием внешнего электрического поля при плотности тока 40-100 А/м2 проводят насыщение мембраны ионами анилиниума из 0,01-0,001 М раствора анилина на фоне 0,005 М раствора серной кислоты в течение 15-180 мин. На второй стадии процесс полимеризации анилина в мембране проводят при плотности тока 40-100 А/м2 под действием инициатора полимеризации 0,01 М раствора хлорида железа (III) на фоне 0,005 М раствора серной кислоты в течение 60-180 мин. Обеспечивается разработка экспрессного и экологически чистого, более экономичного способа получения композиционных катионообменных мембран. 2 табл., 3 ил., 6 пр.

 

Изобретение относится к мембранной технике и технологии, в частности к способам получения композитных материалов на основе ионообменных мембран и полианилина с улучшенными характеристиками, которые могут найти применение в электродиализных аппаратах для процессов концентрирования солевых растворов и разделения многокомпонентных смесей.

Известны различные способы получения композитных материалов путем синтеза полианилина на поверхности или в фазе мембранных материалов, которые условно можно разделить на стационарные и электрохимические способы. Стационарные способы осуществляются в статических условиях, электрохимические - в условиях наложения внешнего электрического поля.

Известны описанные в научно-технической литературе электрохимические способы получения композиционных мембран с полианилином, предполагающие анодное окисление мономера на поверхности инертных электродов из платины, золота, стеклоуглерода и других, например Алпатова Н.М., Андреев В.Н., Данилов А.И., Молодкина Е.Б., Полукаров Ю.М., Березина Н.П., Тимофеев С.В., Боброва Л.П., Белова Н.Н. Электрохимический темплатный синтез композита полианилина с полимерным перфторированным сульфокатионитом // Электрохимия. - 2002. - Т.38, №8. - С.1020-1025. При этом не требуется использование растворов окислителей, инициирующих полимеризацию анилина, однако такие способы применяются только для модифицирования электродных поверхностей, а не для получения мембранного материала.

Известен способ получения электропроводящей композиционной полимерной мембраны толщиной ~50 мкм с электропроводящим слоем из полианилина на подложке толщиной ~20 мкм из пористого твердого полимерного электролита Nation фирмы "Дюпон" [Fabrizio M., Furlanetto F., Mengoli G., Musiani M., Paolucci F. Polyaniline-based membranes for gas electrodes // J. Electroanal. Chem. - 1992. - 323. - P.197-212]. На подложку дополнительно перед полимеризацией анилина нанесена золотая решетка толщиной 0,2-0,5 мкм, которая является электрическим контактом. Допированный полианилин присутствует в порах Nation в результате диффузии анилина и оксиданта FeClO4 через поры подложки во время полимеризации, что затрудняет воспроизводство заданных параметров электропроводящего слоя и свойств мембраны.

Общим недостатком электрохимических способов является невозможность получения композиционной ионообменной мембраны в «свободном» состоянии для применения в процессах разделения.

Известны описанные в научно-технической литературе способы получения композиционных полимерных мембран на основе ионопроводящих мембран Nafion фирмы "Дюпон" и электропроводящего полианилина в статических условиях путем его синтеза непосредственно в полимерной матрице под действием химических окислителей, например Aldebert P., Audebert Р., Armand M., Bidan G., Pineri M. New chemical synthesis of mixed conductivity polymers // J. of the Chemical Society - Chemical Communications. - 1986. - Vol.22. - P.1636-1638; Fabrizio M., Mengoli G., Musiani M.M., Paolucci F. Electrochemical characterization of PANI-Nafion membranes and their electro-catalytic activity // J. of Electroanalytical Chemistry. - 1991. - V.300. - P.23-34; Hsu C.-H. Novel preparation and properties of conductive polyaniline/Nafion film // Synthetic Metals. - 1991. - P.671-674. При синтезе используют достаточно концентрированные растворы мономера и инициатора процесса полимеризации (0,1-1 M).

Известен способ получения композиционной ионообменной мембраны, содержащей матрицу в виде перфторированной сульфокатионитовой мембраны и полианилина, путем сорбции анилина из его суспензии с последующей его полимеризацией в присутствии персульфата аммония (патент США 6465120, Н01М 8/10, 2002). Концентрация анилина в суспензии составляет от 10 до 100 об.%, концентрация водного раствора персульфата аммония - 5%. Таким способом получают слой полианилина преимущественно на поверхности мембраны.

Известен способ получения допанта (мелкодисперсный гидратированный кислый фосфат циркония Zr(HPO4)2·H2O, мелкодисперсный гидратированный оксид циркония ZrO2·Н2О, мелкодисперсный гидратированный оксид кремния SiO2·H2O или мелкодисперсный полианилин) путем его синтеза непосредственно в полимерной матрице перфторированной сульфокатионитовой ионообменной мембраны при получении композиционной ионообменной мембраны с градиентно распределенными по толщине мембраны наночастицами допанта (патент РФ №2352384, МПК B01D 71/00, В82В 1/00). Недостатком является многостадийность и сложность синтеза.

Известен способ получения композиционной ионообменной мембраны путем синтеза барьерного слоя полианилина в процессе диффузии через перфторированную сульфокатионитовую ионообменную мембрану протонированного раствора анилина с последующей диффузией водного раствора персульфата аммония (патент РФ 2411070, МПК B01D 71/60). Синтез проводят в течение 1-3 часов, при этом используют 1 М раствор мономера и 0,1 М раствор инициатора полимеризации. Недостатком данного способа является использование концентрированных полимеризующих растворов.

Общим недостатком стационарных способов получения композиционных мембран с полианилином является использование концентрированных растворов мономера, инициатора полимеризации, фонового раствора кислоты, а также длительность процесса.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения композиционных полимерных мембран на основе перфторированных мембран МФ-4СК производства ОАО «Пластполимер» [Березина Н.П., Кубайси А.А.-Р., Алпатова Н.М., Андреев В.Н., Грига Е.И. Химический темплатный синтез композитных мембран ПАН/МФ-4СК и их сорбционные и проводящие свойства // Электрохимия. - 2004. - Т.40, №3. - С.333-341; Berezina N.P., Kononenko N.A., Sytcheva A.A.-R., Loza N.V., Shkirskaya S.A., Hegman N., Pungor A. Perfluorinated Nanocomposite Membranes Modified by Polyaniline: Electrotransport Phenomena and Morphology // Electrochimica Acta. - 2009. - V.54. - P.2342-2352]. При синтезе используют достаточно концентрированные растворы мономера (1÷0,01 М анилина), инициатора процесса полимеризации (1÷0,01 М FeCl3) и фоновой кислоты (0,5 М H2SO4), а время получения композиционных мембран составляет от нескольких часов до 30 суток.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка экспрессного и экологически чистого, более экономичного способа получения композиционных катионообменных мембран.

Технический результат достигается тем, что синтез полианилина в катионообменной мембране проводят во внешнем электрическом поле в две стадии. На первой стадии под действием внешнего электрического поля при плотности тока 40-100 А/м2 проводят насыщение мембраны ионами анилиниума из 0,01-0,001 М раствора анилина на фоне 0,005 М раствора серной кислоты в течение 15-180 минут. На второй стадии процесс полимеризации анилина в мембране проводят при плотности тока 40-100 А/м2 под действием инициатора полимеризации 0,01 М раствора хлорида железа (III) на фоне 0,005 М раствора серной кислоты в течение 60-180 минут.

Отличительными признаками заявляемого способа получения композиционной мембраны от прототипа являются проведение процесса во внешнем электрическом поле и использование более разбавленных полимеризующих растворов. Концентрации используемых растворов на два порядка ниже, чем у прототипа. Время, затрачиваемое на получение композиционной мембраны, в 100-120 раз меньше.

Экспериментально были найдены интервалы плотности тока, времени осуществления процессов на каждой из стадий, необходимых концентраций используемых растворов. Концентрация хлорида железа (III), равная 0,01 М, на фоне 0,005 М серной кислоты является необходимой и достаточной для достижения технического результата.

Достижение технического результата при осуществлении способа получения композиционных катионообменных мембран подтверждено определением физико-химических и электротранспортных характеристик мембран, а также визуально (появление зеленого окрашивания, присущего для проводящей формы полианилина - эмеральдина). Получаемые мембраны исследовались с помощью аттестованных методик определения удельной электропроводности (кiso, См/м) и диффузионной проницаемости (Р, м2/с); величина предельного тока (iпр, А/м2), характеризующая эффективность электромембранного процесса, определялась из вольтамперной кривой [Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A., Gnusin N.P. Characterization of ion-exchange membrane materials: Properties vs structure // Advances in Colloid and Interface Sci. - 2008. - V.139. - P.3-28].

На фиг.1 представлена концентрационная зависимость удельной электропроводности исходной мембраны МФ-4СК(1), композиционной мембраны (2), и раствора HCl (3); на фиг.2.а - интегральные, на фиг.2.б - дифференциальные кривые распределения воды по эффективным радиусам пор в исходной (1) и композиционной (2) мембране МФ-4СК.

Пример конкретного выполнения

Мембрана МФ-4СК помещалась в электродиализную ячейку между двумя анионообменными мембранами МА-41. В примембранную камеру со стороны катода подавался 0,005 М раствор серной кислоты. В примембранную камеру со стороны анода подавался 0,01 М раствор анилина на фоне 0,005 М раствора серной кислоты. При плотности тока 40 А/м2 ионы протонированного анилина ( C 6 H 5 N H 3 + ) насыщали мембрану. Продолжительность этой стадии составила 30 мин. Затем раствор протонированного анилина в примембранной камере со стороны анода заменяли на полимеризующий раствор 0,01 М раствор хлорида железа (III) на фоне 0,005 М раствора серной кислоты. При той же плотности тока 40 А/м2 ионы железа (III), перемещаясь через мембрану к катоду, инициировали полимеризацию анилина в фазе мембраны. Продолжительность второй стадии - 60 мин (образец №6 в таблице 1).

Характеристики полученных во внешнем электрическом поле композиционных мембран представлены в таблице. Для сравнения в этой же таблице приведены характеристики исходной мембраны МФ-4СК и композиционной мембраны, полученной в статических условиях.

Таблица 1
Электротранспортные характеристики мембран
Мембрана Плотность тока при получении i, А/м2 Время контакта с рабочими растворами, мин кios, См/м Р·1012, м2 iпр, А/м2
стадия 1 стадия 2
1 Исходная мембрана - - - 4,1 3-4 170±6
2 Композиционная мембрана, полученная в статических условиях 0 180 180 3,5 3-4 150±4
3 Композиционная мембрана, полученная во внешнем электрическом поле 83 180 180 3,0 - -
4 -“- 54 120 60 3,5 4-5 180±5
5 -“- 54 15 60 3,0 4-5 180±7
6 -“- 40 30 60 3,2 2,6-3,0 200±7

Как видно из таблицы 1, образцы №2 и 3, полученные в статических условиях и во внешнем электрическом поле при одинаковой концентрации полимеризующих растворов (0,01 М раствора анилина и 0,01 М раствора FeCl3) в течение одинакового времени (продолжительность каждой стадии 180 мин), имеют близкую электропроводность. Для сравнения интенсивности окраски полученных композиционных мембран были сняты спектры поглощения на спектрофотометре модели UV - 2401 PC фирмы SHIMADZU (Япония) в УФ и видимой области спектра, которые подтвердили присутствие полианилина в форме эмеральдина [Иванов В.Ф., Кучеренко Ю.А., Некрасов А.А., Ванников А.В. Спектральные характеристики полианилиновых пленок при периодическом изменении потенциала // Электрохимия. - 1992. - Т.28. - №1. - С.44-49]. При этом окраска композиционных мембран, полученных электрохимическим способом, была существенно интенсивнее, чем окраска образцов, полученных в статических условиях. Таким образом, в условиях внешнего электрического поля эффективность модифицирования мембраны МФ-4СК полианилином выше, несмотря на то что используемая концентрация фоновой кислоты в 100 раз меньше.

Из таблицы видно, что все композиционные мембраны, полученные во внешнем электрическом поле (№3-6), имеют достаточно высокую ионную проводимость (не менее 3 См/м) и пониженную диффузионную проницаемость по сравнению с исходной мембраной МФ-4СК, а также с композиционной мембраной, полученной в статических условиях. Известно также, что композиционные мембраны на основе МФ-4СК и полианилина обладают более высокой термической стабильностью и селективностью, пониженной электроосмотической проницаемостью, что позволяет с большей эффективностью использовать их в электромембранных процессах [Березина Н.П., Шкирская С.А., Колечко М.В., Попова О.В., Сенчихин И.Н., Ролдугин В.И. Барьерные эффекты слоя полианилина в поверхностно-модифицированных мембранах МФ-4СК/Полианилин // Электрохимия. 2011. Т.47, №9. С.1066-1077].

Показана возможность получения композиционной мембраны на основе МФ-4СК и полианилина при снижении плотности тока до 40 А/м2 (№6), уменьшении концентрации раствора анилина до 0,001 М и сокращении продолжительности первой стадии насыщения мембраны ионами анилиниума до 15 мин, а второй стадии полимеризации анилина до 60 мин (№5).

На фиг.1 представлена концентрационная зависимость удельной электропроводности композиционной мембраны, полученной во внешнем электрическом поле при плотности тока 40 А/м2, продолжительность первой стадии насыщения мембраны ионами анилиниума - 35 мин, продолжительность второй стадии полимеризации анилина в мембране - 100 мин.

Данная зависимость использована для оценки параметров трехпроводной модели, характеризующих пути протекания тока через ионообменную мембрану. Доли тока, протекающего по гелевым участкам, межгелевому раствору, а также по смешанному каналу гель-раствор, характеризуются параметрами b, с и а соответственно (a+b+с=1). Доли раствора и геля в смешанном канале характеризуются параметрами d и е соответственно (d+e=1). Параметр представляет собой долю гелевой фазы в объеме мембраны, параметр (1-f) - долю межгелевого раствора. Параметр α учитывает пространственное расположение фаз относительно пути протекания тока (α=+1 для параллельного соединения проводящих фаз, α=-1 для последовательного соединения проводящих фаз). В таблице №2 представлены результаты расчета модельных параметров для композиционной мембраны, полученной во внешнем электрическом поле, а также литературные данные для исходной мембраны МФ-4СК и композитных мембран, полученных в статических условиях в течение 300 мин и 30 суток [Березина Н.П., Гнусин Н.П., Демина О.А., Анникова Л.А. Влияние полианилина на перенос тока через структурные фрагменты ионообменных сульфокатионитовых смол и мембран // Электрохимия. - 2009. - Т.45, №11. - С.1325-1332]. Сравнение рассчитанных параметров показало, что полимеризация анилина в фазе мембраны в условиях внешнего электрического поля в течение 135 мин позволяет получить материал с такими же параметрами для протекания тока, как в образце, полученном при полимеризации анилина в мембране в статических условиях в течение 30 суток.

Методом контактной эталонной порометрии [Вольфкович Ю.М., Багоцкий B.C., Сосенкин В.Е., Школьников Е.И. Методы эталонной порометрии и возможные области их применения // Электрохимия. 1980. Т.16, №11. С.1620-1652] исследованы структурные характеристики исходной мембраны МФ-4СК и композиционной мембраны №6 из таблицы 1. Интегральные (а) и дифференциальные (б) кривые распределения воды по эффективным радиусам пор в исходной (1) и композиционной (2) мембранах МФ-4СК представлены на фиг.2. Из фиг.2а видно, что после полимеризации анилина в мембране ее максимальная пористость уменьшилась от 0,21 см3/г до 0,19 см3/г, при этом, как следует из фиг.2.б, наибольший объем занимают поры с эффективным радиусом порядка 10 нм. Это подтверждает наноразмерный характер полученных композиционных мембран.

Таблица 2
Параметры трехпроводной модели для мембран
Мембраны а b с d е f α
Исходная мембрана 0,21 0,79 5,34·10-3 0,46 0,54 0,90 0,44
Композиционная мембрана, полученная в статических условиях (300 мин) 0,32 0,68 8,35·10-7 0,22 0,78 0,93 0,19
Композиционная мембрана, полученная в статических условиях (30 сут) 0,77 0,23 3,23·10-8 0,19 0,81 0,85 0,11
Композиционная мембрана, полученная во внешнем электрическом поле 0,927 0,073 4·10-7 0,25 0,75 0,77 0,10

Таким образом, предлагаемый способ получения композиционных катионообменных мембран во внешнем электрическом поле является не только более экономичным и экологически чистым из-за использования менее концентрированных растворов серной кислоты (в 100 раз) и анилина (в 10 раз), но и экспрессным из-за сокращения времени процесса в 10-100 раз по сравнению с получением аналогичных образцов в статических условиях.

Указанная совокупность существенных признаков заявляемого способа обеспечивает получение технического результата - более экспрессного и экономичного способа получения композиционной мембраны, обладающей достаточно высокой электропроводностью и величиной предельного тока, пониженной диффузионной и электроосмотической проницаемостью, что перспективно для их применения в процессах разделения растворов с полизарядными ионами, электродиализного концентрирования и хлорно-щелочного электролиза. Таким образом, заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо, т.е. является изобретением.

Способ получения композиционной катионообменной мембраны, включающий насыщение мембраны ионами анилиниума из раствора протонированного анилина на фоне раствора серной кислоты и полимеризацию анилина в мембране под действием инициатора полимеризации хлорида железа (III) на фоне раствора серной кислоты, отличающийся тем, что на первой стадии под действием внешнего электрического поля при плотности тока 40-100 А/м2 проводят насыщение мембраны ионами анилиниума из 0,01-0,001 М раствора анилина на фоне 0,005 М раствора серной кислоты в течение 15-180 мин, на второй стадии процесс полимеризации анилина в мембране проводят при плотности тока 40-100 А/м2 под действием инициатора полимеризации 0,01 М раствора хлорида железа (III) на фоне 0,005 М раствора серной кислоты в течение 60-180 мин.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области электрохимии, в частности к разделу прямого преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использовано в производстве сепараторов для топливных элементов со щелочным электролитом (ТЭЩЭ).
Изобретение относится к технологии получения протонпроводящих полимерных мембран и может быть использовано в водородной энергетике и при производстве твердополимерных топливных элементов.
Изобретение относится к способам получения композиционных материалов на основе химических волокон и ионообменных смол. .

Изобретение относится к технологии получения перфторсульфокатионитовых мембран и могут быть использованы при изготовлении мембранно-электродных блоков, применяемых в топливных элементах различного типа, в том числе в портативных электронных устройствах и т.д.

Изобретение относится к технологии получения газопроницаемых мембран, которые могут быть использованы в топливных элементах (ТЭ) при повышенных температурах эксплуатации (100°С и выше), метанольных ТЭ, электролизерах воды низкого и высокого давления и др.
Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений и предназначено для получения композитных полимерных первапорационных мембран, представляющих собой многослойное, содержащее по крайней мере два слоя изделие.

Изобретение относится к технологии получения новых волокнистых ионообменных материалов и может быть использовано в гидрометаллургии, для извлечения ионов металлов, очистки сточных и промышленных растворов от токсических ионов металлов.
Изобретение относится к технологии получения хемосорбционных материалов, обладающих высокими защитными свойствами по парам аммиака, которые могут быть предназначены для использования в фильтрующих устройствах средств защиты.
Изобретение относится к получению полигалоидных сильноосновных анионитов гелевой и макропористой структуры, предназначенных для обеззараживания воды в замкнутых экологических объектах, бытовой питьевой воды и воды из непроверенных источников.
Наверх