Исследование стабильности сильноосновных анионообменных мембран в условиях высокоинтенсивного электродиализа

Сравнение экспериментальных парциальных ВАХ мембран по ионам соли и гидроксила, полученных на установке с ВМД для сильноосновных гетерогенной мембраны МА-41−2П и гомогенной АМХ при высоких плотностях тока, представлено на рис. 1 и 2.

При этом соответственно наблюдается снижение массопереноса по ионам соли (рис. 3а), что связано с увеличением содержания слабоосновных групп и со снижением электроконвекции.

стабильность сильноосновный анионообменный мембрана.

Из рис. 2 видно, что области допредельных токов (i < i_пр, i_пр= 6,2 мА/см²) при скачке потенциала Дц<1 В на исходной мембране МА-41П диссоциация воды практически не происходит. При скачке потенциала Дц = 2,7 В диссоциация воды составляет порядка 20% от общего массопереноса. На мембране, проработавшей 10 ч, диссоциация воды начинается при достижении предельного тока (Дц? 1В), а при Дц = 2,7 В доля тока, переносимая гидроксид ионами через мембрану, составила уже около 40%.

Из парциальных ВАХ на исходной мембране АМХ видно, что рост чисел переноса по гидроксил ионам наблюдается при значительно больших значениях скачка потенциала по сравнению с исходной мембраной МА-41П (рис. 2б). Числа переноса достигают значения Т_ОН-=0,15 при скачке потенциала Дц =4,5 В. Для мембраны АМХ, отработавшей 10 часов в условиях протекания через нее электрического тока i/i_пр = 2,5 i_пр (i_пр= 10,3 мА/см²), начало процесса диссоциации воды установлено при скачке потенциала Дц=1 В, а при Дц=2,7 В числа переноса достигают значения Т_ОН-=0,22. Для обеих мембран с увеличением доли тока, переносимого гидроксил-ионами, соответственно наблюдается значительное снижение массопереноса по ионам соли (рис. 3). Следует отметить, что диапазон напряжений, при которых на исходных анионообменных мембранах диссоциация воды не происходит, для гомогенной мембраны АМХ шире, чем для гетерогенной МА-41.

На рис. 3 показана зависимость толщины гидролизованного слоя от времени поляризации мембраны МА-41П в растворе 0,01 М хлорида натрия в электродиализаторе. Плотность тока, при которой проводился процесс электродиализа, составила i=3,0i_пр.

В исходной мембране доля слабоосновных функциональных аминогрупп составляет б=4% и не меняется по толщине мембраны. После 3 ч интенсивного электродиализа в приповерхностном слое мембраны б достигает значения 9% при толщине гидролизованного слоя 50 мкм. С увеличением времени работы мембраны в электродиализаторе наблюдается рост толщины гидролизованного слоя и доли слабоосновных аминогрупп: после 30 ч проработки при i = 3,0i_пр толщина достигает 100 мкм, а значение б — 15% от емкости мембраны.

Рисунок 3. Зависимость областей локализации слабоосновных аминогрупп (координированных с ионами меди) от поперечной координаты (L) срезов мембран МА-41, проработавших различное время при i/i_пр=3,0; исходная мембрана (1), 3 ч (2), 10 ч (3), 30 ч (4); значения б являются усредненными для участков шириной 20 мкм в поперечном сечении мембраны.

Экспериментальные результаты измерения методом лазерной интерферометрии толщины области конвективной нестабильности, характеризующей степень развития электроконвекции в электромембранной системе, подтверждают факт менее развитого электроконвективного перемешивания раствора с увеличением содержания в мембране каталитически активных ионогенных групп по отношению к реакции диссоциации воды. На рис. 4 показаны зависимости парциальных токов по ионам Cl? и OH? для анионообменной мембраны МА-41−2П, а также размера области конвективной нестабильности от времени электродиализа. На рис. 4 толщина области конвективной нестабильности d нормирована на межмембранное расстояние h.

С ростом времени протекания высоких плотностей электрического тока через мембрану происходит значительное увеличение парциальных токов по ионам гидроксила вследствие деструкции четвертичных аммониевых оснований в поверхностном слое мембраны (рис. 4).

Рисунок 4. Зависимость парциальных плотностей тока по ионам Cl? и OH? и размера области электроконвективной нестабильности d/h при скачке потенциала на мембране МА-41П Дц=3 В от времени электродиализа (а) и доли слабоосновных аминогрупп в поверхностном слое (б); d — толщина области конвективной неустойчивости, hмежмембранное расстояние