КОМПОЗИЦИОННЫЕ МЕМБРАНЫ С МОДИФИЦИРОВАННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ

Научная статья
Выпуск: № 9 (16), 2013
Опубликована:
08.10.2013
PDF

Фазуллин Д.Д. 1, Маврин Г.В. 2, Мелконян Р. Г. 3

1Младший научный сотрудник, 2Кандидат химических наук, доцент, Набережночелнинский институт Казанского федерального университета;  3Доктор технических наук, профессор, Международный независимый эколого-политологический университет.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МЕМБРАНЫ С МОДИФИЦИРОВАННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ

Аннотация

Общей проблемой современных технологий машиностроения является разработка экологически безопасных систем с максимально замкнутым технологическим циклом и минимальным количеством отходов. Ионообменные мембраны, позволяют значительно снизить затраты на обработку сточных вод и обеспечивают их высокую степень очистки. Получены ионообменные мембраны и определена их селективная проницаемость.

Ключевые слова: производительность, селективность, мембраны, ионы тяжелых металлов, полианилин, сточные воды.

1Fazullin DD, 2Mavrin GV, 3Melkonian RG

1Junior Research Fellow, 2Kandidat Chemistry, Associate Professor, Naberezhnochelninsky Institute of the Kazan Federal University; 3Doctor of Technical Sciences, Professor, International Independent University of Environmental and Political.

THE COMPOSITE MEMBRANES WITH A MODIFIED SURFACE LAYER

Abstract

The common problem of modern engineering technology is the development of environmentally friendly systems with as closed-circuit and a minimum of waste. The ion exchange membrane can significantly reduce the cost of wastewater treatment and provide a high degree of purification. Obtained by ion-exchange membrane and determined their selective permeability.

Keywords: productivity, selectivity, membranes, metal ions polyaniline, wastewater.

На предприятиях машиностроительной промышленности одной из основных категорий сточных вод, являются сточные воды, образующиеся в результате холодной обработки металла, с высоким содержанием ионов металлов.

Мембранные методы разделения, в частности ионообменные мембраны, является одними из самых перспективных, позволяющих значительно снизить затраты на обработку сточных вод и получать воду любого требуемого качества [1].

Известны перфорированные сульфокатионитовые ионообменные мембраны «Nafion», производимые компанией Dupont (США), и их отечественный аналог мембрана «МФ-4СК», обладающие высокой протонной проводимостью. Недостатками таких мембран являются недостаточно высокая проводимость, что не позволяет использовать их для интенсификации процессов очистки, разделения различного рода растворов и самопроизвольного концентрирования растворов без наложения электрического потенциала, а также понижает эффективность их использования в очистке воды.

В связи с этим перспективным является создание композиционных мембран, обладающих высокой проводимостью катионов. Изменение транспортных свойств в таких системах наблюдается преимущественно за счет протекания сорбционных явлений в катионообменной группе. В связи с этим предлагается рассматривать в качестве допантов гидратированные оксиды циркония [2], а также полианилин, имеющий в своем составе атом азота, способный сорбировать протоны [3].

Полианилин (ПАНИ) привлекает внимание исследователей благодаря своим оптическим и электрохимическим свойствам, а также высокой химической стабильности. Некоторые катионообменные материалы с поверхностным слоем  ПАНИ характеризуются повышенной селективностью переноса [4]. Для получения проводящей формы ПАНИ его допируют различными кислотами.

Ионоселективные мембраны обладают высокой степенью разделения растворов, как с низкой, так и с высокой концентрацией растворенных солей, так же разделение растворов с применением ионоселективных мембран происходит в области низких рабочих давлений 0,1-2 бар, в зависимости от подложки, в которую наносится рабочий слой.

В данной работе получены ионоселективные мембраны, рабочим слоем в которых является полианилин (ПАНИ). Исследования проводились на лабораторной установке мембранного разделения [5]. ПАНИ (рис. 2) привлекает внимание исследователей благодаря своим оптическим и электрохимическим свойствам, а также высокой химической стабильности и повышенной селективностью переноса [4].

Рис. 2 Структура полианилина

В настоящей работе в качестве матрицы для полимеризации анилина была использованы мембраны из ПТФЭ и нейлона с размерами пор 0,45 мкм. Модифицирование мембран с образованием на поверхности и в порах слоя ПАНИ, который является катионоактивным, позволяет получить ионообменные мембраны, не уступающие по селективности обратноосмотическим по ряду катионов.

Синтез мембран с поверхностным распределением ПАНИ осуществляли полимеризацией анилина непосредственно в матрице мембран. Частицы ПАНИ образовывались непосредственно в матрице мембраны, о чем свидетельствовало изменение цвета полимера на темно зеленый. Изменение в структуре мембран фиксировали с помощью микроскопа, изображение структуры исходной и модифицированных мембран представлены в рисунке 3.

Рис. 3 Структура ПТФЭ мембраны: а) исходная мембрана ПТФЭ, б) мембрана ПТФЭ модифицированная слоем ПАНИ по методу 2 (увелич. 200 раз).

По рисункам видно, что введение персульфата аммония в мембрану, насыщенную анилином (2 метод), сразу приводит к протеканию окисления и полимеризации, поскольку концентрация анилина в ней достаточно высока. Производительность мембран определялось пропусканием через мембраны определенного объема дистиллированной воды. Результаты в таблице 1.

Таблица - 1 Средняя проницаемость мембран по дистиллированной воде

Мембрана

Проницаемость, л/час

ПТФЭ*

2,29

ПТФЭ+ПАНИ (1 метод)*

2,21

ПТФЭ+ПАНИ (2 метод)*

1,93

Нейлон

5,04

Нейлон + ПАНИ (1 метод)

4,93

Нейлон + ПАНИ (2 метод)

4,76

* перед фильтрацией мембрана смачивалось ацетоном

Известно, что катионообменная мембрана способна в большей степени сорбировать катионы, чем анионы[6]. Для изучения селективности исходных и модифицированных мембран, через мембраны пропускали растворы хлорида железа(III), ионы хрома (ГСО), сульфата меди, ионы никеля (ГСО), ионы марганца (ГСО). Результаты представлены в таблице 2.

Селективность мембран рассчитывалось по формуле:

φ = (Cf – Cp) / Cf , (1)

где Cf – концентрация растворенного вещества в исходном растворе и Cp концентрация растворенного вещества в фильтрате[7].

Таблица – 2. Селективность нейлоновой мембраны с рабочим слоем ПАНИ

 

№ п/п

 

Показатель

Концентрация ионов, мг/л

 

Селективность, %

исходная

после очистки мембраной*

1

Fe

5,57

0,015

99,3

Fe*

0,040

99,7

2

Cu

10,3

0,092

99,1

3

Mn

16,5

5,11

69,0

4

Cr

1,19

0,54

48,9

Cr*

0,62

55,0

5

Ni

316

30,3

90,4

*нейлоновая мембрана с рабочим слоем ПАНИ полученная по 1 методу

По результатам можно сделать вывод о том, что исходные микрофильтрационные мембраны размером пор 0,47 мкм не обладают селективностью по ионам металлов. Модифицированные полианилином мембраны обладают высокой селективностью и проницаемостью по отношению к ионам металлов.  Использование модифицированных мембран в этапе доочистки гальванических стоков, СОЖ содержащих стоков позволит достичь норм сброса в водоемы.

Список литературы

  • Судиловский, П.С. Разработка совмещенного флотационно-мембранного процесса очистки сточных вод от тяжелых металлов: автореферат диссертации канд. техн. наук. Москва, 2007.

  • Ярославцев А.Б. // Успехи химии 1997. T.66. 7. С.641-660.

  • Gosh М., Barman А., Meikap А.K. et. Al. // Phys. Lett. A. 199. V.260. P. 138.

  • Иванов В.Ф., Грибкова О.Л., Чеберяко К.В.,Некрасов А.А., Тверской В.А., Ванников А.В. // Электрохимия. 2004. Т. 40. № 3. С. 339.

  • Фазуллин Д.Д., Маврин Г.В., Мелконян Р.Г. «Факторы, влияющие на баромембранные процессы разделения водных растворов», Экология промышленного производства: Межотр. науч.-практ. журнал/ФГУП «ВИМИ», 2012. Вып.4.С. 65 – 70.

  • Лысова А.А., Стенина И.А., Долгополов С.В., ГорбуноваЮ.Г., Кононенко Н.А., Ярославцев А.Б.// ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2011, том 53, № 1, с. 130–136.

  • Мулдер М. Введение в мембранную технологию: Пер. с англ. – М.: Мир, 1999. – 513 с.