Ионообменные мембраны - это изделия, представляющие собой пластины или пленки из ионитов или из композиций, включающих иониты, проявляющие в растворах электролитов высокую электропроводность и ионную селективность, т.е. проницаемость для ионов только одного знака заряда.
Выпускаемые промышленностью мембраны классифицируют по трем признакам: структуре, знаку заряда и степени диссоциации. По признаку структуры различают гомогенные и гетерогенные мембраны. По признаку знака заряда ионогенных групп мембраны делят на гомополярные и биполярные. К гомополярным относятся катионитовые, анионитовые и амфотерные (полиамфолитные) мембраны. Биполярные мембраны представляют собой двухслойные пленки, на противоположных сторонах которых находятся ионогенные группы разной полярности. Их получают спрессовыванием катионитовых и анионитовых вальцованных гетерогенных мембран. По признаку степени диссоциации мембраны могут быть слабокислотными (низкоосновными), среднекислотными (среднеосновными) и сильнокислотными (высокоосновными).
Гомогенные мембраны однофазные: состоят только из одного ионообменного компонента, представляющего сплошную непрерывную фазу. К гомогенным мембранам условно относят и интерполимерные мембраны, у которых макромолекулы ионита и термопласта тесно переплетены между собой, причем между связующим и ионообменным компонентом имеются химические связи.
Технология гомогенных мембран включает три способа:
1) поликонденсацию мономеров, содержащих ионогенные группы или группы, легко превращаемые в ионогенные (-NHCO-, -OCO-,
и др.),2) сополимеризацию мономеров, содержащих ионогенные группы, с дивинилбензолом в тонком слое на антиадгезионной подложке,
3) модификацию инертных полимерных пленок.
Модификацией получают активированные гомогенные мембраны. Из методов модификации чаще применяют сульфирование, фосфорилирование, аминирование, алкилирование. Гомогенные катионитовые мембраны получают сульфированием или фосфорилированием привитых сополимеров стирола к сополимеру тетрафторэтилена и винилиденфторида с добавкой 3-5% дивинилбензола:
Хлорметилированием и последующим аминированием этого сополимера получают высокоосновные аниониты.
Гомогенные мембраны с высокими характеристиками получают привитой радикальной полимеризацией стирола к полиолефиновым пленкам с последующим фосфорилированием фенильных ядер стирольных звеньев:
Алкилированием поливинилпиридина хлористым или иодистым метилом, галоидалкилом, диметилсульфатом получают высокоосновные анионитовые мембраны:
Технология гомогенных мембран та же, что и в производстве ионитов, но только в тонком слое между двумя пластинами.
Гетерогенные мембраны - двухфазные композиционные материалы, ионообменный компонент которых диспергирован в инертном связующем (термопласты: поливинилхлорид, полиизобутилен, полиэтилен и др.).
Принцип технологии гетерогенных мембран состоит во введении и диспергировании измельченного ионита в расплавленном термопласте и придании изделию определенной формы и размеров.
Производство многостадийно и энергоёмко: I - отмывка ионита от примесей (набухший ионит отмывают от железа 6%-ным раствором соляной кислоты, а от органических примесей - 10%-ным раствором гидроксида натрия и промывают деионизированной водой); II - отжим отмытого ионита на центрифуге до 50%-ной влажности и сушка при температуре 80-100 °С до остаточной влажности 5%; III - измельчение высушенного ионита до частиц размером 50 мкм; IV - смешение ионита с гранулированным полиэтиленом и вальцевание смеси при температуре 135-140 °С; V - каландрование и одновременное армирование пленки капроновой (или лавсановой) тканью; VI - получение заготовки ленты путем охлаждения армированной пленки до комнатной температуры и разрезания ее на заготовки длиной и шириной 1,5х1,5 м и прессование мембраны в течение 0,5 ч при температуре 120 - 130 °С (температура прессования должна быть на 10-25 °С выше температуры текучести термопласта) и давлении 20 МПа на этажных прессах. Важнейшими характеристиками ионообменных мембран служат их обменная емкость, селективность (числа переносов катионов и анионов в мембране отличаются от числа переносов тех же ионов в свободном растворе), влагосодержание и мембранный потенциал.
Мембранный потенциал (МП) равен сумме двух доннановских потенциалов (Дон.П) по обе стороны мембраны на границе с растворами и диффузионного потенциала (Диф.П) внутри мембраны, возникающего вследствие градиента концентрации по толщине мембраны:
Ионообменные мембраны нашли широкое применение в технике и технологии:
а) для получения химически чистых веществ методом электродиализа,
б) в электрохимических процессах опреснения соленых природных вод с целью получения питьевой воды,
в) обессоливание промышленных вод и электрохимическая регенерация отработанных растворов,
г) концентрирование растворов кислот и солей,
д) для удаления радиоактивных изотопов,
е) очистка сахарных сиропов и витаминов,
ж) создание мембранных электродов и топливных элементов.
Ассортимент отечественных мембран весьма широк и приведен в справочной литературе. Наименование марок мембран включает буквенные и цифровые обозначения: буква М соответствует слову "мембрана", буква К -катионитовая, буква А - анионитовая. Цифры после черточки определяют конкретную марку мембраны, ее ионогенную группу, марку и содержание ионита. Примеры некоторых марок мембран приведены в таблице.
Таблица - Примеры гетерогенных мембран
Марка мембраны Ионогенная группа Марка ионита Содержание ионита, % Армирующая ткань
Катионитовые мембраны
МК-40 -SO3H КУ-2 65 капрон
МК-42 -COOH КБ-4 60 капрон
Анионитовые мембраны
МА-41 [-N+(CH3)3]Cl- АВ-17 65 капрон
Назад (Полиамфолиты)