1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 10, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 10, стр. 593-605

Электротранспортные характеристики модифицированных полианилином катионообменных мембран в растворах серной кислоты, сульфатов никеля и хрома

И. В. Фалина a, *, Н. В. Лоза a, Н. А. Кононенко a, Н. А. Кутенко a

a ФГБОУ ВО “Кубанский государственный университет”
Краснодар, Россия

* E-mail: irina_falina@mail.ru

Поступила в редакцию 24.11.2022
После доработки 13.02.2023
Принята к публикации 20.02.2023

Аннотация

В растворах сульфатов никеля, хрома и серной кислоты исследованы электротранспортные и структурные характеристики сульфокатионитовых мембран МК-40 и МФ-4СК, модифицированных полианилином в электродиализном аппарате. Оценено уменьшение их удельной электропроводности и диффузионной проницаемости в растворах электролитов различной природы после модифицирования полианилином. Подтверждено ключевое влияние на электропроводность исходных и модифицированных мембран заряда противоиона и обнаружен необычный эффект снижения электропроводности мембраны МФ-4СК/ПАНИ с ростом концентрации раствора, содержащего полизарядные катионы. Информация о влиянии полизарядных катионов на структуру гомогенной и гетерогенной мембраны, полученная методом эталонной порометрии, дополнена расчетом транспортно-структурных параметров двухфазной микрогетерогенной модели ионообменной мембраны. На основании анализа параметров вольт-амперных кривых в растворах сульфатов никеля и серной кислоты оценена перспективность применения модифицированных мембран в процессах электродиализной переработки растворов, содержащих кислоту и полизарядные ионы.

Ключевые слова: катионообменная мембрана, полианилин, модифицирование, полизарядные ионы, удельная электропроводность, диффузионная проницаемость, вольт-амперная характеристика, структура

Список литературы

  1. Shaposhnik, V.A. and Kesore, K., An early history of electrodialysis with permselective membranes, J. Membr. Sci., 1997, vol. 136, issue 1–2, p. 35.

  2. Xu, T., Ion exchange membranes: State of their development and perspective, J. Membr. Sci., 2005, vol. 263, p. 1.

  3. Campione, L., Gurreri, M., Ciofalo, G., Micale, A., Tamburini, A., and Cipollina, A., Electrodialysis for water desalination: A critical assessment of recent developments on process fundamentals, models and applications, Desalination, 2018, vol. 434, p. 121.

  4. Ghyselbrecht, K., Silva, A., Van der Bruggen, B., Boussu, K, Meesschaert, B., and Pinoy, L., Desalination feasibility study of an industrial NaCl stream by bipolar membrane electrodialysis, J. Environ. Manage., 2014, vol. 140, p. 69.

  5. Buzzi, D.C., Viegas, L.S., Rodrigues, M.A.S., Bernardes, A.M., and Tenório, J.A.S., Water recovery from acid mine drainage by electrodialysis, Miner. Eng., 2013, vol. 40, p. 82.

  6. Martí-Calatayud, M.C., Buzzi, D.C., García-Gabaldón, M., Ortega, E., Bernardes, A.M., Tenório, J.A.S., and Pérez-Herranz, V., Sulfuric acid recovery from acid mine drainage by means of electrodialysis, Desalination, 2014, vol. 343, p. 120.

  7. Kattan Readi, O.M., Gironès, M., and Nijmeijer, K., Separation of complex mixtures of amino acids for biorefinery applications using electrodialysis, J. Membr. Sci., 2013, vol. 429, p. 338.

  8. Huang, C., Xu, T., Zhang, Y., Xue, Y., and Chen, G., Application of electrodialysis to the production of organic acids: State-of-the-art and recent developments, J. Membr. Sci., 2007, vol. 288, p. 1.

  9. Al-Saydeh, S.A., El-Naas, M.H., and Zaidi, S.J., Copper removal from industrial wastewater: A comprehensive review, J. Industr. Eng. Chem., 2017, vol. 56, p. 35.

  10. Rana, D., Matsuura, T., Kassim, M.A., and Ismail, A.F., Radioactive decontamination of water by membrane processes—A review, Desalination, 2013, vol. 321, p. 77.

  11. Rotta, E.H., Bitencourt, C.S., Marder, L., and Bernardes, A.M., Phosphorus recovery from low phosphate-containing solution by electrodialysis, J. Membr. Sci., 2019, vol. 573, p. 293.

  12. Belkada, F.D., Kitous, O., Drouiche, N., Aoudj, S., Bouchelaghem, O., Abdi, N., Grib, H., and Mameri, N., Electrodialysis for fluoride and nitrate removal from synthesized photovoltaic industry wastewater, Sep. Purif. Technol., 2018, vol. 204, p. 108.

  13. Yaroslavtsev, A.B. and Nikonenko, V.V., Ion-exchange membrane materials: Properties, modification, and practical application, Nanotechnol. Russ., 2009, vol. 4, p. 137. https://doi.org/10.1134/S199507800903001X

  14. Yaroslavtsev, A.B., Perfluorinated ion-exchange membranes, Polymer Science, Ser. A, 2013, vol. 55, p. 674. https://doi.org/10.1134/S0965545X13110060

  15. Nagarale, R.K., Gohil, G.S., and Shahi, V. K., Recent developments on ion-exchange membranes and electro-membrane processes, Adv. Colloid Interface Sci., 2006, vol. 119, p. 97.

  16. Thakur, A.K. and Malmali, M., Advances in polymeric cation exchange membranes for electrodialysis: An overview, J. Environ. Chem. Eng., 2022, vol. 10, issue 5, p. 108295.

  17. Юрова, П.А., Стенина, И.А., Ярославцев, А.Б. Влияние на транспортные свойства катионообменных мембран МК-40 модификации перфторсульфополимером и оксидом церия. Электрохимия. 2020. Т. 56. С. 568. [Yurova, P.A., Stenina, I.A., and Yaroslavtsev, A.B., The effect of the cation-exchange membranes MK-40 modification by perfluorinated sulfopolymer and ceria on their transport properties, Russ. J. Electrochem., 2020, vol. 56, p. 528.]

  18. Шалимов, А.С., Перепелкина, А.И., Стенина, И.А., Ребров, А.И., Ярославцев, А.Б. Транспортные свойства мембран МФ-4СК, модифицированных гидратированным фосфатом циркония. Журн. неорган. химии. 2009. Т. 54. С. 403. [Shalimov, A.S., Perepelkina, A.I., Stenina, I.A., Rebrov, A.I., and Yaroslavtsev, A.B., Ion transport in MF-4SK membranes modified with hydrous zirconium hydrogen phosphate, Russ. J. Inorganic Chem., 2009, vol. 54, p. 356.]

  19. Sata, T., Studies on anion exchange membranes having permselectivity for specific anions in electrodialysis – effect of hydrophilicity of anion exchange membranes on permselectivity of anions, J. Membr. Sci., 2000, vol. 167, p. 1.

  20. Sata, T., Sata, T., and Yang, W., Studies on cation-exchange membranes having permselectivity between cations in electrodialysis, J. Membr. Sci., 2002, vol. 206, p. 31.

  21. Vaselbehagh, M., Karkhanechi, H., Takagi, R., and Matsuyama, H., Surface modification of an anion exchange membrane to improve the selectivity for monovalent anions in electrodialysis—experimental verification of theoretical predictions, J. Membr. Sci., 2015, vol. 490, p. 301.

  22. Blythe, T. and Bloor, D., Electrical properties of polymers. Second Edition, Cambridge University Press, 2005, 480 p.

  23. Berezina, N.P., Kononenko, N.A., Sytcheva, A.A.-R., Loza, N.V., Shkirskaya, S.A., Hegman, N., and Pungor, A., Perfluorinated nanocomposite membranes modified by polyaniline: electrotransport phenomena and morphology, Electrochim. Acta, 2009, vol. 54, p. 2342.

  24. Tan, S. and Belanger, D., Characterization and transport properties of Nafion/Polyaniline composite membranes, J. Phys. Chem., B, 2005, vol. 109, p. 23480.

  25. Березина, Н.П., Кононенко, Н.А., Филиппов, А.Н., Шкирская, С.А., Фалина, И.В., Сычева, А.А.-Р. Электротранспортные свойства, морфология и модельное описание мембран МФ-4СК, поверхностно-модифицированных полианилином. Электрохимия. 2010. Т.46. С. 515. [Berezina, N.P., Kononenko, N.A., Shkirskaya, S.A., Falina, I.V., Filippov, A.N., and Sycheva, A.A.-R., Electrotransport properties and morphology of MF-4SK membranes after surface modification with polyaniline, Russ. J. Electrochem., 2010, vol. 46, p. 485.]

  26. Sata, T., Ishii, Y., Kawamura, K., and Matsusaki, K., Composite membranes prepared from cation exchange membranes and polyaniline and their transport properties in electrodialysis, J. Electrochem. Soc., 1999, vol. 146, p. 585.

  27. Farrokhzad, H., Darvishmanesh, S., Genduso, G., Van Gerven, T., and Van der Bruggen, B., Development of bivalent cation selective ion exchange membranes by varying molecular weight of polyaniline, Electrochim. Acta, 2015, vol. 158, p. 64.

  28. Kumar, M., Khan, M.A., Alothman, Z.A., and Siddiqui, M.R., Polyaniline modified organic–inorganic hybrid cation-exchange membranes for the separation of monovalent and multivalent ions, Desalination, 2013, vol. 325, p. 95.

  29. Nagarale, R.K., Gohil, G.S., Shahi, Vinod, K., Trivedi, G.S., and Rangarajan, R., Preparation and electrochemical characterization of cation- and anion-exchange/polyaniline composite membranes, J. Colloid Interface Sci., 2004, vol. 277, p. 162.

  30. Chamoulaud, G. and Belanger, D., Modification of ion-exchange membrane used for separation of protons and metallic cations and characterization of the membrane by current–voltage curves, J. Colloid Interface Sci., 2005, vol. 281, p. 179.

  31. Amado, F.D.R., Rodrigues, M.A.S., Morisso, F.D.P., Bernardes, A.M., Ferreira, J.Z., and Ferreira, C.A., High-impact polystyrene/polyaniline membranes for acid solution treatment by electrodialysis: Preparation, evaluation, and chemical calculation, J. Colloid Interface Sci., 2008, vol. 320, issue 1, p. 52.

  32. Farrokhzad, H., Moghbeli, M.R., Van Gerven, T., and Van der Bruggen, B., Surface modification of composite ion exchange membranes by polyaniline, React. Funct. Polym., 2015, vol. 86, p. 161.

  33. Berezina, N.P., Kononenko, N.A., Dyomina, O.A., and Gnusin, N.P., Characterization of ion-exchange membrane materials: Properties vs structure, Adv. Colloid Interface Sci., 2008, vol. 139, p. 3.

  34. Andreeva, M., Loza, N., Kutenko, N., and Kononenko, N., Polymerization of aniline in perfluorinated membranes under conditions of electrodiffusion of monomer and oxidizer, J. Solid State Electrochem., 2020, vol. 24, № 1, p. 101. https://doi.org/10.1007/s10008-019-04463-7

  35. Volfkovich, Yu.M., Bagotzky, V.S., Sosenkin, V.E., and Blinov, I.A., The standard contact porosimetry, Colloids. Surf., 2001, vol. 187 188, p. 349.

  36. Справочник по электрохимии, под ред. Сухотина, А.М. Л.: Химия, 1981, 488 с. [Electrochemistry Handbook (in Russian), Ed. Suhotin, A.M., Leningrad: Kchimiya, 1981, 488 p.]

  37. Кононенко, Н.А., Лоза, Н.В., Андреева, М.А., Шкирская, С.А., Даммак, Л. Влияние электрического поля при химическом синтезе полианилина на поверхности сульфокатионитовых мембран на их структуру и свойства. Мембраны и мембр. технологии. 2019. Т. 9. С. 266. [Kononenko, N.A., Loza, N.V., Andreeva, M.A., Shkirskaya, S.A., and Dammak, L., Influence of electric field during the chemical synthesis of polyaniline on the surface of heterogeneous sulfonated cation-exchange membranes on the their structure and properties, Membr. and Membr. Technol., 2019, vol. 1, №. 4, p. 229.] https://doi.org/10.1134/S2517751619040036

  38. Филиппов, А.Н., Кононенко, Н.А., Демина, О.А. Исследование диффузии электролитов различной природы через катионообменную мембрану. Коллоид. журн., 2017. Т. 79. С. 509. [Filippov, A.N., Kononenko, N.A., and Demina, O.A., Diffusion of electrolytes of different natures through the cation-exchange membrane, Colloid J., 2017, vol. 79, № 4, p. 556.] https://doi.org/10.1134/S1061933X17040044

  39. Zabolotsky, V.I. and Nikonenko, V.V., Effect of structural membrane inhomogeneity on transport properties, J. Membr. Sci., 1993, vol. 79, p. 181.

  40. Falina, I., Loza, N., Loza, S., Titskaya, E., and Romanyuk, N., Permselectivity of cation exchange membranes modified by polyaniline, Membranes, 2021, vol. 11, p. 227. https://doi.org/10.3390/membranes11030227

  41. Kononenko, N.A., Fomenko, M.A., and Volfko-vich, Yu.M., Structure of perfluorinated membranes investigated by method of standard contact porosimetry, Adv. Colloid Interface Sci., 2015, vol. 222, p. 425.

  42. Nikonenko, V.V., Mareev, S.A., Pis’menskaya, N.D., Uzdenova, A.M., Kovalenko, A.V., Urtenov, M.K., and Pourcelly, G., Effect of electroconvection and its use in intensifying the mass transfer in electrodialysis (Review), Russ. J. Electrochem., 2017, vol. 53, p. 1122. https://doi.org/10.1134/S1023193517090099

  43. Ibanez, R., Stamatialis, D.F., and Wessling, M., Role of membrane surface in concentration polarization at cation exchange membranes, J. Membr. Sci., 2004, vol. 239, p. 119.

  44. Pismenskaya, N.D., Nikonenko, V.V., Melnik, N.A., Shevtsova, K.A., Belova, E.I., Pourcelly, G., Cot, D., Dammak, L., and Larchet, C., Evolution with time of hydrophobicity and microrelief of a cation-exchange membrane surface and its impact on overlimiting mass transfer, J. Phys. Chem. B., 2012, vol. 116, issue 7, p. 2145.

  45. Письменская, Н.Д., Никоненко, В.В., Мельник, Н.А., Пурселли, Ж., Ларше, К. Влияние характеристик границы ионообменная мембрана/раствор на массоперенос при интенсивных токовых режимах. Электрохимия. 2012. Т. 48. С. 677. [Pis’menskaya, N.D., Nikonenko, V.V., Mel’nik, N.A., Pourcelli, G., and Larchet, C., Effect of the ion-exchange-membrane/solution interfacial characteristics on the mass transfer at severe current regimes, Russ. J. Electrochem., 2012, vol. 48, p. 610.]

  46. Titorova, V.D., Moroz, I.A., Mareev, S.A., Pismenskaya, N.D., Sabbatovskii, K.G., Wang,Y., Xu, T., and Nikonenko, V.V., How bulk and surface properties of sulfonated cation-exchange membranes response to their exposure to electric current during electrodialysis of a Ca2+ containing solution, J. Membr. Sci., 2022, vol. 644, p. 120149.

  47. Лоза, С.А., Заболоцкий, В.И., Лоза, Н.В., Фоменко, М.А. Структура, морфология и транспортные характеристики бислойных профилированных мембран. Мембраны и мембр. технологии. 2016. Т. 6. С. 374. [Loza, S.A., Zabolotsky, V.I., Loza, N.V., and Fomenko, M.A., Structure, morphology, and transport characteristics of profiled bilayer membranes, Petroleum Chem., 2016, vol. 56, issue 11, p. 1027.]

  48. Письменская, Н.Д., Мареев, С.А., Похидня, Е.В., Ларше, К., Даммак, Л., Никоненко, В.В. Влияние модификации поверхности гетерогенной анионообменной мембраны на интенсивность электроконвекции у ее поверхности. Электрохимия. 2019. Т. 55. С. 1471. [Pismenskaya, N.D., Mareev, S.A., Pokhidnya, E.V., Larchet, C., Dammak, L., and Nikonenko, V.V., Effect of surface modification of heterogeneous anion-exchange membranes on the intensity of electroconvection at their surfaces, Russ. J. Electrochem., 2019, vol. 55, no. 12, p. 1203.]

  49. Rubinstein, I., Zaltzman, B., and Pundik, T., Ion-exchange funneling in thin-film coating modification of heterogeneous electrodialysis membranes, Phys. Rev. E., 2002, vol. 65, p. 1.

  50. Фалина, И.В., Кононенко, Н.А., Демина, О.А., Тицкая, Е.В., Лоза, С.А. Оценка константы ионообменного равновесия по данным мембранной кондуктометрии. Коллоид. журн., 2021. Т. 83. С. 352. [Falina, I.V., Kononenko, N.A., Demina, O.A., Titskaya, E.V., and Loza, S.A., Estimation of ion-exchange equilibrium constant using membrane conductivity data, Colloid J., 2021, vol. 83, no. 3, p. 379.]https://doi.org/10.31857/S0023291221030058

  51. Ponomar, M., Krasnyuk, E., Butylskii, D., Nikonenko, V., Wang, Y., Jiang, C., Xu, T., and Pismenskaya, N., Sessile drop method: critical analysis and optimization for measuring the contact angle of an ion-exchange membrane surface, Membranes, 2022, vol. 12, № 8, p. 765.

  52. Jamadade, V.S., Dhawale, D.S., and Lokhande, C.D., Studies on electrosynthesized leucoemeraldine, emeraldine and pernigraniline forms of polyaniline films and their supercapacitive behavior, Synth. Metals, 2010, vol. 160, № 9–10, p. 955.

  53. Кононенко, Н.А., Долгополов, С.В., Березина, Н.П., Лоза, Н.В., Лакеев, С.Г. Асимметрия вольтамперной характеристики перфторированных мембран МФ-4СК, поверхностно модифицированных полианилином. Электрохимия. 2012. Т. 48. С. 940. [Kononenko, N.A., Dolgopolov, S.V., Berezina, N.P., Loza, N.V., and Lakeev, S.G., Asymmetry of voltammetric characteristics of perfluorinated MF-4SK membranes with polyaniline-modified surface, Russ. J. Electrochem., 2012, vol. 48, p. 857.]

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал