Новые ионообменные мембраны для создания электромембранных и бароэлектромембранных процессов с нулевым жидкостным сбросом и возвратом солей, кислот и щелочей в технологический процесс

На втором этапе выполнения проекта основные работы были направлены на решение двух важных задач мембранной электрохимии. Первая задача относится к мембранным материалам и представляет собой создание бислойных мембран с высокой зарядовой селективностью. Вторая задача относится к технике электродиализа и направлена на повышение массообменных характеристик процесса электродиализа с биполярными мембранами. В рамках решения первой задачи разработаны подходы для создания бислойных гетерогенных и гомоген-ных ионообменных мембран с высокой специфической селективностью к однозарядным катионам метал-лов. В качестве анионообменного слоя выбран сополимер N,N-диметил-N,N-диаллиламмонийхлорида и этилметакрилата. Впервые получены гомогенные бислойные мембраны на основе катионообменной мем-браны МФ-4СК и разработанного сополимера. С использованием методов сканирующей электронной мик-роскопии и ИК-спектроскопии доказано наличие модифицирующего анионообменного слоя на гетероген-ных и гомогенных бислойных мембранах. Показано, что специфическая селективная проницаемость бислойных мембран определяется совокупностью равновесными и транспортными характеристиками модифицирующего слоя, для которого разделяемые ионы являются ко-ионами. С использованием экспериментально определенных параметров электро-мембранных систем с разработанными бислойными мембранами, верифицирована ранее разработанная че-тырехслойная модель транспорта ионов в смешанных растворах тернарных электролитов. Установлено влияние природы электролита на процесс концентрирования бинарных и тернарных электро-литов с использованием мембранных пар МФ-4СК/МА-41 и МК-40/МА-41. В рамках модели предельного электродиализного концентрирования определены транспортные коэффициенты мембранных пар, которые определяют эффективность процесса предельного концентрирования. Применение бислойных катионооб-менных мембран, разрабатываемых в рамках данного проекта, позволит значительно увеличить селектив-ность мембран к однозарядным ионам в процессе предельного концентрирования. Выполненные исследования позволяют для конкретных электродиализных процессов концентрирования электролитов проводить выбор мембран и электрических режимов, обеспечивающих максимальную эффек-тивность процесса. Сравнение транспортных коэффициентов промышленных мембран с модифицирован-ными позволит оптимизировать условия получения мембранных материалов с заданным набором свойств. Полученные результаты о влиянии природы электролита и мембран на механизмы переноса могут быть ис-пользованы при проектировании и эксплуатации электродиализаторов-концентраторов. Разработан метод расчёта констант скорости лимитирующих стадий реакции диссоциации воды в гетеро-генных биполярных мембранах (БМ), содержащих каталитическую добавку. Для создания протонблокирующей мембраны на поверхность анионообменной мембраны МА-41 наносилась плёнка того же сополимера. Установлено, что числа переноса ионов водорода через поверхностно-модифицированную анионообменную мембрану и через исходную анионообменную мембрану различаются несущественно. Попытка применить данную мембрану в процессе биполярного электродиализа позволяет незначительно поднять концентрацию получаемой кислоты и выход по току по кислотной камере, однако, энергозатраты на получение одного килограмма вещества остаются высокими. Для проведения дальнейших работ в области биполярного электродиализа разработан метод расчёта эффективных констант лимитирующих стадий реакции диссоциации воды в гетерогенных биполярных мембранах, содержащих каталитическую добавку. Проведены исследования по получению сильной щёлочи (гидроксида натрия) из раствора карбоната натрия с применением биполярных мембран МБ-3. Мембрана МБ-3 обладает двумя качествами, которые делают её наиболее подходящей мембраной для данного исследования. Во-первых, с точки зрения рабочего напряже-ния (и энергозатрат процесса в целом) это лучшая из гетерогенных биполярных мембран, производившихся в промышленных масштабах. Во-вторых, у неё заведомо низкая удерживающая способность по ионам соли. Последнее позволяет утверждать, что если удастся улучшить характеристики процесса с использованием мембраны МБ-3, то в дальнейшем возможно применение более доступных асимметричных биполярных мембран или, что на высокоселективных биполярных мембранах характеристики процесса удастся повы-сить ещё более существенно. Полученные результаты позволяют предположить возможность дальнейшего развития процесса конверсии солей карбонатов щелочных металлов в щёлочи в первую очередь в процес-сах получения гидроксида лития.