Membrany jonowymienne

i prądowe techniki membranowe (część 1)

Wykład 9

Opracowała dr Elżbieta Megiel

Membrany jonowymienne

Membrany jonowymienne heterogeniczne i homogeniczne.

S. Koter, Zastosowanie membran jonowymiennych w układach elektrochemicznych, XII Ogólnopolska Szkoła Membranowa "Podstawy - Aplikacje - Przyszłosc„, 15-18.04.2012, Jadówki k/Iławy

Zastosowanie membran jonowymiennych w technikach prądowych

Procesy separacji: • Elektrodializa • Elektrodializa z membraną

bipolarną • Elektroliza

Źródła prądu: • Membranowe ogniwa paliwowe • Akumulatory membranowe

Metody wytwarzania membran jonowymiennych Membrany heterogeniczne

• Wprasowywanie cząstek jonitu w folię obojętnego polimeru

• Dyspergowanie cząstek w roztworze zawierającym spoiwo błonotwórcze, a następnie odparowywanie rozpuszczalnika

• Dyspergowanie cząstek w częściowo spolimeryzowanym polimerze i dalsza polimeryzacja spoiwa w zawiesinie

Metody wytwarzania membran jonowymiennych Membrany homogeniczne

• Polikondensacja monomerów z grupami jonowymi, następnie sieciowanie

• Kopolimeryzacja styrenu i diwinylobenzenu, po której wprowadza się grupy jonowe

OH

SO3H

CH2

OH

SO3H

Wytwarzanie membran z kopolimerów perfluorowych

• Stabilne w środowisku agresywnym, kosztowne. Otrzymywane w wyniku kopolimeryzacji tetrafluoroetylenu TFE i eteru perflurowinylowego PVEX, zawierającego prekursor grupy jonowej (SO2F, SR, SO2R, COOR, COF, CN)

CF2

CF2

( )x CF

2( CF)

y

O

CF2

CF CF3

O

CF2

( )m

( )n

X

m=0 lub 1, n=1 –12

Membrany interpolimerowe

• Otrzymywane w wyniku odparowywania rozpuszczalnika z roztworu zawierającego

liniowy polielektrolit i liniowy obojętny polimer, następuje wzajemne przenikanie

łańcuchów, nie jest konieczne sieciowanie.

• Polimer obojętny kopolimer chlorku winylu i akrylonitrylu, polielektrolit kwas

polistyrenosulfonowy.

Charakterystyczne właściwości membran jonowymiennych

Pęcznienie wynikające z:

• Solwatacji grup jonowych i ruchliwych jonów

• Ciśnienia osmotycznego

• Odpychania się elektrostatycznego grup jonowych

• Oddziaływania rozpuszczalnika z siecią polimerową

Parametry charakteryzujące membrany jonowymienne

• IEC – pojemność jonowa (mmol grup jonowych na 1g suchej membrany)

• Nw – zawartość H2O w membranie (g H2O/ 1g suchej membrany)

• rm – opór powierzchniowy membrany mierzony w 0.5M NaCl w 250C

• lm – grubość membrany [mm] 0.1-0.2

Elektrodializa ED

• Stos membran kationowymiennych i anionowymiennych (100 lub więcej par) ułożone naprzemiennie, odległości między nimi < 1mm, między nimi przekładki z polimeru obojętnego, reakcje elektrodowe są nieistotne.

• Wydajność prądowa elektrodializy (ang. Current Efficiency) stosunek liczby moli elektrolitu usuniętego z roztworu odsalanego do liczby moli teoretycznie obliczonej z praw Faradaya :

teoretpr nnCE /

iiteoret

zF

LtIn

Praca zbiorowa pod redakcją A. Narębskiej, „Membrany i membranowe techniki rodziału”Tempus Projekt Toruń 1997

Zastosowanie ED

Zwiększanie/zmniejszanie stężenia elektrolitu w roztworze

(produkcja wody pitnej w wyniku odsalania wody morskiej,

produkcja soli kuchennej z wody morskiej)

Oddzielenie elektrolitu od nieelektrolitu

Oddzielenie jonów jednowartościowych od

wielowartościowych

Rozdzielanie jonów tego samego znaku, ale o różnych

liczbach przenoszenia w membranie

Synteza związków chemicznych w wyniku podwójnej

wymiany jonów w komorach (nawet takich które

„normalnie” nie zachodzą!)

Elekrodializa odwracalna EDR

Słabe punkty ED

Nieidealna selektywność membrany

Konieczność wstępnego oczyszczania roztworów w celu zapobiegania blokowania membran

Elektrodializa odwracalna EDR zmiana kierunku prądu 3-4 razy na godzinę

W porównaniu do odwróconej osmozy ED jest mniej kosztochłonna.

F. Valero, A.Barceló, R. Arbós, „Electrodialysis Technology. Theory and Applications” www.intechopen.com

Instalacja do EDR w stacji uzdatniania wody Abrera Drinking Water Treatment Plant, Hiszpania, uruchomiona w 2009 r.

F. Valero, A.Barceló, R. Arbós, „Electrodialysis Technology. Theory and Applications” www.intechopen.com