Биполярная ионообменная мембрана
1 . БИПОЛЯ РНАЯ ИОНООБМЕННАЯ МЕМБРАНА, содержащая катионообменный и анионообменньй слои, о т л и чающаяся тем, что, с целью уменьшения ее электрического сопротивления и увеличения вькрда по току водородных и гидроксильных ионов, катионообмённый и/или анирнообменный слои выполнены.двухслойными, причем внешние.слои содержат сильнодиссогЫирующие ионогенные группы, а внутренние - слабодиссоциирующие или одновременно слабодиссоциирующие и силь нддиссоцйирующие ионогенные группы. 2. Мембрана по п.1, о т л и ч а ю щ,а я с я тем, что внешние анионообменные и катионообменные слои содержатсоответственно четвертичные аминог()уппы и сульфокислотные группы, а внутренние - алкйлпиридиновые и фосфорнокислотные группы.
СОЮЭ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (g))g С 25 В 13/04
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и ASTGPGHol4Y сВЙДетельстВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ fHHT СССР
1 (21) 2665517/23-26 .(22) 18.09.78 (46) 15.04.90. Бюл. N - 14 (71) Институт химии Дальневосточного научного центра АН СССР> (72) В.П.Гребень, Н.Я.Пивоваров, Н.Я.Коварский, И.Г.Косякова, Н.П.Гнусин, В.И.Заболоцкий, Н.В.Шельдешов, Г.Ç.Нефедова и Ю.Г.Фрейдлин (53) 621.3.035 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
В 317962, кл. С 25 В 13/04, 1971.
V.I.Frilette, J.Phys. Chem 60.
У 4, 435, 1956. (54)(57) 1. БИПОЛЯРНАЯ ИОНООБМЕНЙАЯ
МЕМБРАНА, содержащая катионообменный и анионообменный слои, о т л иИзобретение относится к электрохимическому производству, в частности к биполярным ионообменным мембранам, которые используют в процессах электродиализа при получении кислот и щелочей нз раств6ров солей и проведении химических превращений, протекающих с участием водородных и гидроксильных ионов.
Известна биполярная.ионообменная мембрана, состоящая из чередующихся слоев катионо- и анионообменника.
Наиболее близким техническим решением является мембрана, состоящая из слоя катионообменника и слоя анионообменника.
В известных биполярных мембранах катионообменный и анионообменный
09) (11) I
2 ч а ю щ а я с я тем, что, с целью уменьшения ее электрического сопротивления и увеличения вйхрда по току водородных и гидроксильных ионов, катионообменный и/или анионообменный слои выполнены. двухслойными, причем внешние, слои содержат сильнодиссот иирующие ионогенные группы, а внутренние — слабодиссоциирующие или одновременно слабодиссоциирующие и сильнодиссоцйирующие ионогенные группы.
2. Мембрана по п.1> о т л и ч а— ю it| а я с я тем, что внешние анионообменные и катионообменные слои содержат соответс"твенно четвертичные аминогруппы-и сульфокислотные группы, а внутренние — алкилпиридиновые и фосфорнокислотные группы. слои представляют собой однотипную ионообменную мембрану, содержащую
rio всему объему одни и те же ионогенйые группы.
Недостатком известных биполярf 1, ных мембран являются неудовлетворительные электрохимические свойства (высокое электрическое сопротивление илн низкий выход по току водородных и гидроксильных йонов). Например, падение напряжения на биполярной мембране, изготовЛенной смещением сульфокатионитового (на основе ионита КУ-2) и высокоосноввого анионитового (на основе ионита АВ-17) слоев при плотности тока 200 А/м составляет от 10 до 20 В. Напротив, падение напряжения на биполярной мем745193 бране, изготовленной совмещением фос1 форнокислотного (на основе ионита
КФ-1) и высокоосновного анионитного (на основе ионита АВ-17 или AB-23M)
5 слоев в тех же условиях измерения составляет 0,9-1,9 В, но такая мембрана имеет низкую величину выхода по току водородных и гидроксильных ионов (70-80%). 10
Целью изобретения является улучшение электрохимических свойств биполярных мембран — уменьшение их электрического сопротивления и увеличение выхода по току водородных и гидроксильных ионов., Укаэанная цель достигается тем, что в биполярной мембране катионообменный или анионообменный слой или оба одновременно выполняют в виде двух слоев, различающихся природой функциональных групп, причем внешние катионообменный и анионообменный слои в биполярной мембране изготав ливают на основе сильнодиссоциирую- 25 щих ионитов, содержащих, в частности, сульфогруйпы и четвертичные ами.нбгруппы, соответственно. Эти слои обладают высокой селективностью (препятствуют проникновению ионов внешнего электролита во внутрь мембраны), поэтому мембрана имеет высокий выход bio току водородных и гидроксильных ионов °
Между внешйими слоями располагают катионообменный и анионообменный слои, ускоряющие процесс диссоциации воды на водородные и гидроксильные ионы, протекающий при прохождении электрического тока через биполярную мембра- 40 ну, что приводит к снижению перена. пряжения реакции диссоциации воды и уменьшению падения напряжения на биполярной мембране в целом. Анализ электрохимических свойств известных
" биполярных мембран и опыты показали, что наиболее быстро процесс ДиССоциа- ции воды протекает если катионообмен. ный и анионообменный слои, образующие биполярную границу, содержат слабодиссоциирующие или слабодиссоциирующие и сильнодиссоциируйщие йоно генные группы одновременно, в частности, фосфорнокислотные и алкилпи : ридиновые группы.
При изготовлении мембран иониты
КУ-2 (стиролдивинилбензольный катионит, содержащий ионогеннйе группы — SOPH), КФ-1 (стиройдивийкйбензольный катионит, содержащий ионогенные группы — PO H ), АВ-17 (стиролдивинилбензольный анионит, содержащий ионогенные группы — N(CH ) ОН), АВ-23м (винилпиридиндивинилбензольный анионит, содержащий ионогенные группы -С H (CH )OH и -C 65:35 вес.частей вальцуют при 135 — о 140 С. Биполярные мембраны получают спрессованием катионообменных и анионообменных вальцованных мембран толщиной 0,25-0,30 мм при 140-145 С и давлении 35-70 кгс/см . Для увеличения прочности мембран на стадии прессования их совмещают с лавсановой тканью. Пример 1. Ионообменные слои при прессовании мембраны располагают в,следующей последовательности: сульфокислотный слой на основе катионита КУ-2 (фиг.б, слой 1); фосфорнокислотный слой на основе катионита КФ-1 (фиг.б, слой 1 ), анионообменный слой на основе анионита АВ 17 (фиг.б, слой 2). Мембрана имеет следующие .электрохимические свойства: выход по току водородных и гидроксильных ионов прй контакте мембраны с 0,5 н-. растворами соляной кислоты и едкого натра и плотности тока 400 А/м 93%, падение напряжения на мембране при плотности тола 200 А/м — 1,3 В. Пример 2. Ионообменные слои при прессовании мембраны распола1 гают в следующей последовательности: сульфокислотный слой на основе катионита КУ-2 (фиг.в, слой 1); анионообменный слой на основе анионита АВ-23м (фиг.в, слой 2 )," анионообменный слой на основе анионита АВ-17 (фиг.в, . слой 2) ° Мембрана имеет следующие электрохимические характеристики: выход по току водородных и гидроксильных ионов при контакте. мембраны с 0 5 н. раствором соляной кислоты и едкого натра и плотности"тока 400 А/м2— 96%, падение напряжения на мембране при плотности тока 200.А/м2 — 3,6 В. Пример 3. Ионообменные слои при прессовании мембраны располагают в следующей последовательности: суль- фокислотный слой на основе катионита 3 6 и гт и яеримо с падением напряжения на мембранах МБ"3, МБ-4, МБ-5. 1 2! Корректор С.Шекмар Редактор Л.Письман, Техред Л.Олийнык )- =:.--. Заказ 1691 Тираж 546 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðîö, ул. Гагарина, 101 5 74519 КУ-2 (фнг. r, слой 1), фосфарнокнслотный слой на, основе катионита КФ-1 (фиг.г, слой 1 ) -, анионообменный слой на основе анионита АВ-23м (фнг.r, слой 2 ); аннонообменный / ь 5 слой на основе анионита АВ-17 (фиг.r, слой 2). Мембрана имеет следующие электрохимические свойства: выход по току водородных н гидроксиль- 1п ных ионов при контакте мембраны с 0 5 н ° растворами соляной кислоты и едкого натра и плотности тока 400 А/м — 96X, падение напряжения на мембране при плотности тока 15 200 А/м -, 1,3 В. Биполярные мембраны, изготовленные согласно данному изобретени1о, имеет значительно лучшие электрохимические свойства по сравнению с известными биполярными мембранами. Так, падение напряжения на них в 5— 1О раз меньше, чем на мембране МБ-2 Вместе с тем, выход по току водородных и гидроксильных ионов из мембран, составляющих предмет данного изобретения, на 7-25Х выше, чем из известных. Увеличение выхода- по току водородных и гидроксильных ионов приводит как к снижению энергетических затрат на процесс электродиализа, так н к одновременному уменьшению загрязнения конечного продукта,.например, загрязнения сблью растворов кислоты и щелочи. Существенным является также, что производство биполярных мембран гетерогенного типа по данному изобретению не требует изменения технологии и применения дополнительных устройств но сравнению с производством известных биполярных мембран гетерогенного типа.
