Российские нанотехнологии. 2018; 13: 58-64
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОЙ МЕМБРАНЫ МБ-2, ОБЪЕМНО МОДИФИЦИРОВАННОЙ НАНОРАЗМЕРНЫМ ГИДРОКСИДОМ ХРОМА (III)
Аннотация
Проведено наноструктурное модифицирование биполярной мембраны МБ-2 гидроксидом хрома (III). С применением методов сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа, рентгеновской дифрактометрии и импедансной спектроскопии получены данные о морфологии, фазовом и химическом составе, а также электрохимических свойствах модифицированной мембраны. Изучено ее электрохимическое поведение в процессе конверсии нитрата аммония: проведена оценка выхода кислоты и основания, энергопотребления процесса, степени загрязнения целевых продуктов ионами соли. Показано, что объемное модифицирование катионообменного слоя мембраны МБ-2 наноразмерным Cr(OH)3 позволяет получить электрохимические характеристики биполярной мембраны, сопоставимые с аналогичными характеристиками для мембран Fumasep FBM и МБ-3.
Список литературы
1. Tanaka Y. Ion Exchange Membrane: Fundamentals and Applications. V. 12 of Membrane Science and Technology. Amsterdam: Elsevier, 2007. 547 p.
2. Ярославцев А.Б., Никоненко В.В. Ионообменные мембранные материалы: свойства, модификация и практическое применение // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. № 3–4. С. 44–65.
3. Strathmann H. Electrodialysis, a mature technology with a multitude of new applications // Desalination. 2010. V. 264. № 3. P. 268–288.
4. Valero F., Arbós R. Desalination of brackish river water using Electrodialysis Reversal (EDR). Control of the THMs formation in the Barcelona (NE Spain) area // Desalination. 2010. V. 253. P. 170–174.
5. Воротынцев В.М. Глубокая очистка газов методом диффузии через полимерные мембраны // Мембраны и мембранные технологии. 2015. Т. 5. № 1. С. 3–12.
6. Сафронова Е.Ю., Ярославцев А.Б. Перспективы практического использования гибридных мембран // Мембраны и мембранные технологии. 2016. Т. 6. № 1. С. 3–16.
7. Huang M., Shen Y., Cheng W., Shao Y., Sun X., Liu B., Dong S. Nanocomposite flms containing Au nanoparticles formed by electrochemical reduction of metal ions in the multilayer flms as electrocatalyst for dioxygen reduction // Anal Chim Acta. 2005. V. 535. № 1–2. Р. 15–22.
8. Camargo P.H.C., Satyanarayana K.G., Wypych F. Nanocomposites: synthesis, structure, properties and new application opportunities // Mater Res. 2009. V. 12. № 1. Р. 1–39.
9. Ярославцев А.Б., Никоненко В.В., Заболоцкий В.И. Ионный перенос в мембранных и ионообменных материалах // Успехи химии. 2003. Т. 72. № 5. С. 438–470.
10. Domenech B., Bastos-Arrieta J., Alonso A., Macanas J., Munoz M. Muraviev D.N. Bifunctional polymer-metal nanocomposite ion exchange materials. In: Ion exchange technologies. 2012. Р. 35–72
11. Паршина А.В., Денисова Т.С., Сафронова Е.Ю., Караванова Ю.А., Сафронов Д.В., Бобрешова О.В., Ярославцев А.Б. Определение серосодержащих анионов в щелочных растворах с помощью массивов ПД-сенсоров на основе гибридных перфторированных мембран с допантами с протонодонорными свойствами // Журнал аналитической химии. 2017. Т. 72. № 12. С. 1104–1112.
12. Юрова П.А., Караванова Ю.А., Стенина И.А., Ярославцев А.Б. Синтез и исследование диффузионных свойств катионообменных мембран на основе МК-40, модифицированных оксидом церия // Российские нанотехнологии. 2016. Т. 11. № 11–12. С. 75–78.
13. Сафронова Е.Ю., Паршина А.В., Янкина К.Ю., Рыжкова Е.А., Лысова А.А., Бобрешова О.В., Ярославцев А.Б. Гибридные материалы на основе мембран МФ-4СК и гидратированных оксидов кремния и циркония с функционализированной поверхностью, содержащей сульфогруппы: транспортные свойства и характеристики ПД-сенсоров в растворах аминокислот при различных pН // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. № 2. С. 110–116.
14. Сафронова Е.Ю., Стенина И.А., Ярославцев А.Б. О возможности изменения транспортных свойств ионообменных мембран посредством обработки // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. № 2. С. 77–85.
15. Крысанов В.А., Плотникова Н.В., Кравченко Т.А. Сорбция молекулярного кислорода металл-ионообменными нанокомпозитами // Журнал физической химии. 2018. Т. 92. № 3. С. 434–438.
16. Ярославцев А.Б. Взаимосвязь свойств гибридных ионообменных мембран с размерами и природой частиц допанта // Российские нанотехнологии. 2012. Т. 7. № 9–10. С. 8–18.
17. Кравченко Т.А., Сакардина Е.А., Калиничев А.И., Золотухина Е.В. Стабилизация поверхностнои объемно-распределенных наночастиц меди в ионообменной матрице // Журнал физической химии. 2015. Т. 89. № 9. С. 1436–1442.
18. Kang M.S. Electrochemical characteristics of ion-exchange membranes coated with iron hydroxide/oxide and silica sol // J Col Interface Sci. 2003. V. 273. Р. 523–532.
19. Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И., Ганыч В.В. Влияние нерастворимых гидроксидов металлов на скорость реакции диссоциации воды на катионообменной мембране // Электрохимия. 1994. Т. 30. № 12. С. 1458–1461.
20. Мельников С.С., Шаповалова О.В., Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И. Влияние гидроксидов d-металлов на диссоциацию воды в биполярных мембранах // Мембраны и мембранные технологии. 2011. Т. 1. № 2. С. 149–156.
21. Заболоцкий В.И., Шельдешов Н.В., Гнусин Н.П. Диссоциация молекул воды в системах с ионообменными мембранами // Успехи химии. 1988. Т. 57. № 8. С. 1403–1414.
22. Гребень В.П., Пивоваров Н.Я., Коварский Н.Я., Нефедова Г.З. Влияние природы ионита на физико-химические свойства биполярных ионообменных мембран // Журнал физической химии. 1978. Т. 52. № 10. С. 2641–2645.
23. Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И., Алпатова Н.В. Влияние гидроксидов тяжелых металлов на диссоциацию воды в биполярной мембране // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 114. С. 275–287.
24. Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И. Биполярные ионообменные мембраны. Получение. Свойства. Применение. В кн. Мембраны и мембранные технологии / Коллектив авторов; отв. редактор А.Б. Ярославцев. М.: Научный мир, 2013. 612 с.
25. Козадерова О.А., Нифталиев С.И., Ким К.Б. Перенос ионов при электродиализе нитрата аммония // Электрохимия. 2018. Т. 54. № 4. С. 416–422.
26. Кравченко Т.А., Полянский Л.Н., Калиничев А.И., Конев Д.В. Нанокомпозиты металл-ионообменник. М.: Наука, 2009. 391 с.
27. Шапошник В.А., Емельянов Д.Е., Дробышева И.В. Контактно-разностный метод измерения электропроводности мембран // Коллоидный журнал. 1984. Т. 46. № 4. С. 820–822.
28. Nifaliev S.I., Kozaderova O.A., Kim K.B. Еlectroconductance of heterogeneous ion-exchange membranes in aqueous salt solutions // J Electroanal Chem. 2017. V. 794. P. 58–63.
29. http://www.fumatech.com/EN/Membranes/
30. http://www.azotom.ru/bipolyarnye-membrany/
31. http://www.mpline.ru/oborudovanie/membrany/
32. Graillon S., Persin F., Pourcelly G., Gavach C. Development of electrodialysis with bipolar membrane for the treatment of concentrated nitrate efuents // Desalination. 1996. V. 107. № 2. Р. 159–169.
33. Zabolotskii V., Sheldeshov N., Melnikov S. Heterogeneous bipolar membranes and their application in electrodialysis // Desalination. 2014. V. 342. Р. 183–203.
34. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Часть I. Гравиметрический и титриметрический методы анализа. М.: Высшая школа, 1989. 320 с.
35. NH 4 + — селективный электрод серии «Вольта». Паспорт и руководство по эксплуатации. Санкт-Петербург, 2011. 6 с.
36. Na+ — селективный электрод серии «Вольта». Паспорт и руководство по эксплуатации. Санкт-Петербург, 2011. 6 с.
37. NО 3 – — селективный электрод серии «Вольта». Паспорт и руководство по эксплуатации. Санкт-Петербург, 2011. 6 с.
38. Novikova S.A., Yaroslavtsev A.B., Yurkov G.Yu. Synthesis and transport properties of membrane materials with incorporated metal nanoparticles // Mend Commun. 2010. V. 20. P. 89–91.
39. Шельдешов Н.В. Процессы с участием ионов водорода и гидроксила в системах с ионообменными мембранами: Дис. … д-ра хим. наук. Краснодар, 2002. 404 с.
Title in english. 2018; 13: 58-64
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОЙ МЕМБРАНЫ МБ-2, ОБЪЕМНО МОДИФИЦИРОВАННОЙ НАНОРАЗМЕРНЫМ ГИДРОКСИДОМ ХРОМА (III)
Abstract
Проведено наноструктурное модифицирование биполярной мембраны МБ-2 гидроксидом хрома (III). С применением методов сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа, рентгеновской дифрактометрии и импедансной спектроскопии получены данные о морфологии, фазовом и химическом составе, а также электрохимических свойствах модифицированной мембраны. Изучено ее электрохимическое поведение в процессе конверсии нитрата аммония: проведена оценка выхода кислоты и основания, энергопотребления процесса, степени загрязнения целевых продуктов ионами соли. Показано, что объемное модифицирование катионообменного слоя мембраны МБ-2 наноразмерным Cr(OH)3 позволяет получить электрохимические характеристики биполярной мембраны, сопоставимые с аналогичными характеристиками для мембран Fumasep FBM и МБ-3.
References
1. Tanaka Y. Ion Exchange Membrane: Fundamentals and Applications. V. 12 of Membrane Science and Technology. Amsterdam: Elsevier, 2007. 547 p.
2. Yaroslavtsev A.B., Nikonenko V.V. Ionoobmennye membrannye materialy: svoistva, modifikatsiya i prakticheskoe primenenie // Rossiiskie nanotekhnologii. 2009. T. 4. № 3–4. S. 44–65.
3. Strathmann H. Electrodialysis, a mature technology with a multitude of new applications // Desalination. 2010. V. 264. № 3. P. 268–288.
4. Valero F., Arbós R. Desalination of brackish river water using Electrodialysis Reversal (EDR). Control of the THMs formation in the Barcelona (NE Spain) area // Desalination. 2010. V. 253. P. 170–174.
5. Vorotyntsev V.M. Glubokaya ochistka gazov metodom diffuzii cherez polimernye membrany // Membrany i membrannye tekhnologii. 2015. T. 5. № 1. S. 3–12.
6. Safronova E.Yu., Yaroslavtsev A.B. Perspektivy prakticheskogo ispol'zovaniya gibridnykh membran // Membrany i membrannye tekhnologii. 2016. T. 6. № 1. S. 3–16.
7. Huang M., Shen Y., Cheng W., Shao Y., Sun X., Liu B., Dong S. Nanocomposite flms containing Au nanoparticles formed by electrochemical reduction of metal ions in the multilayer flms as electrocatalyst for dioxygen reduction // Anal Chim Acta. 2005. V. 535. № 1–2. R. 15–22.
8. Camargo P.H.C., Satyanarayana K.G., Wypych F. Nanocomposites: synthesis, structure, properties and new application opportunities // Mater Res. 2009. V. 12. № 1. R. 1–39.
9. Yaroslavtsev A.B., Nikonenko V.V., Zabolotskii V.I. Ionnyi perenos v membrannykh i ionoobmennykh materialakh // Uspekhi khimii. 2003. T. 72. № 5. S. 438–470.
10. Domenech B., Bastos-Arrieta J., Alonso A., Macanas J., Munoz M. Muraviev D.N. Bifunctional polymer-metal nanocomposite ion exchange materials. In: Ion exchange technologies. 2012. R. 35–72
11. Parshina A.V., Denisova T.S., Safronova E.Yu., Karavanova Yu.A., Safronov D.V., Bobreshova O.V., Yaroslavtsev A.B. Opredelenie serosoderzhashchikh anionov v shchelochnykh rastvorakh s pomoshch'yu massivov PD-sensorov na osnove gibridnykh perftorirovannykh membran s dopantami s protonodonornymi svoistvami // Zhurnal analiticheskoi khimii. 2017. T. 72. № 12. S. 1104–1112.
12. Yurova P.A., Karavanova Yu.A., Stenina I.A., Yaroslavtsev A.B. Sintez i issledovanie diffuzionnykh svoistv kationoobmennykh membran na osnove MK-40, modifitsirovannykh oksidom tseriya // Rossiiskie nanotekhnologii. 2016. T. 11. № 11–12. S. 75–78.
13. Safronova E.Yu., Parshina A.V., Yankina K.Yu., Ryzhkova E.A., Lysova A.A., Bobreshova O.V., Yaroslavtsev A.B. Gibridnye materialy na osnove membran MF-4SK i gidratirovannykh oksidov kremniya i tsirkoniya s funktsionalizirovannoi poverkhnost'yu, soderzhashchei sul'fogruppy: transportnye svoistva i kharakteristiki PD-sensorov v rastvorakh aminokislot pri razlichnykh pN // Membrany i membrannye tekhnologii. 2017. T. 7. № 2. S. 110–116.
14. Safronova E.Yu., Stenina I.A., Yaroslavtsev A.B. O vozmozhnosti izmeneniya transportnykh svoistv ionoobmennykh membran posredstvom obrabotki // Membrany i membrannye tekhnologii. 2017. T. 7. № 2. S. 77–85.
15. Krysanov V.A., Plotnikova N.V., Kravchenko T.A. Sorbtsiya molekulyarnogo kisloroda metall-ionoobmennymi nanokompozitami // Zhurnal fizicheskoi khimii. 2018. T. 92. № 3. S. 434–438.
16. Yaroslavtsev A.B. Vzaimosvyaz' svoistv gibridnykh ionoobmennykh membran s razmerami i prirodoi chastits dopanta // Rossiiskie nanotekhnologii. 2012. T. 7. № 9–10. S. 8–18.
17. Kravchenko T.A., Sakardina E.A., Kalinichev A.I., Zolotukhina E.V. Stabilizatsiya poverkhnostnoi ob\"emno-raspredelennykh nanochastits medi v ionoobmennoi matritse // Zhurnal fizicheskoi khimii. 2015. T. 89. № 9. S. 1436–1442.
18. Kang M.S. Electrochemical characteristics of ion-exchange membranes coated with iron hydroxide/oxide and silica sol // J Col Interface Sci. 2003. V. 273. R. 523–532.
19. Shel'deshov N.V., Zabolotskii V.I., Ganych V.V. Vliyanie nerastvorimykh gidroksidov metallov na skorost' reaktsii dissotsiatsii vody na kationoobmennoi membrane // Elektrokhimiya. 1994. T. 30. № 12. S. 1458–1461.
20. Mel'nikov S.S., Shapovalova O.V., Shel'deshov N.V., Zabolotskii V.I. Vliyanie gidroksidov d-metallov na dissotsiatsiyu vody v bipolyarnykh membranakh // Membrany i membrannye tekhnologii. 2011. T. 1. № 2. S. 149–156.
21. Zabolotskii V.I., Shel'deshov N.V., Gnusin N.P. Dissotsiatsiya molekul vody v sistemakh s ionoobmennymi membranami // Uspekhi khimii. 1988. T. 57. № 8. S. 1403–1414.
22. Greben' V.P., Pivovarov N.Ya., Kovarskii N.Ya., Nefedova G.Z. Vliyanie prirody ionita na fiziko-khimicheskie svoistva bipolyarnykh ionoobmennykh membran // Zhurnal fizicheskoi khimii. 1978. T. 52. № 10. S. 2641–2645.
23. Shel'deshov N.V., Zabolotskii V.I., Alpatova N.V. Vliyanie gidroksidov tyazhelykh metallov na dissotsiatsiyu vody v bipolyarnoi membrane // Politematicheskii setevoi elektronnyi nauchnyi zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015. № 114. S. 275–287.
24. Shel'deshov N.V., Zabolotskii V.I. Bipolyarnye ionoobmennye membrany. Poluchenie. Svoistva. Primenenie. V kn. Membrany i membrannye tekhnologii / Kollektiv avtorov; otv. redaktor A.B. Yaroslavtsev. M.: Nauchnyi mir, 2013. 612 s.
25. Kozaderova O.A., Niftaliev S.I., Kim K.B. Perenos ionov pri elektrodialize nitrata ammoniya // Elektrokhimiya. 2018. T. 54. № 4. S. 416–422.
26. Kravchenko T.A., Polyanskii L.N., Kalinichev A.I., Konev D.V. Nanokompozity metall-ionoobmennik. M.: Nauka, 2009. 391 s.
27. Shaposhnik V.A., Emel'yanov D.E., Drobysheva I.V. Kontaktno-raznostnyi metod izmereniya elektroprovodnosti membran // Kolloidnyi zhurnal. 1984. T. 46. № 4. S. 820–822.
28. Nifaliev S.I., Kozaderova O.A., Kim K.B. Electroconductance of heterogeneous ion-exchange membranes in aqueous salt solutions // J Electroanal Chem. 2017. V. 794. P. 58–63.
29. http://www.fumatech.com/EN/Membranes/
30. http://www.azotom.ru/bipolyarnye-membrany/
31. http://www.mpline.ru/oborudovanie/membrany/
32. Graillon S., Persin F., Pourcelly G., Gavach C. Development of electrodialysis with bipolar membrane for the treatment of concentrated nitrate efuents // Desalination. 1996. V. 107. № 2. R. 159–169.
33. Zabolotskii V., Sheldeshov N., Melnikov S. Heterogeneous bipolar membranes and their application in electrodialysis // Desalination. 2014. V. 342. R. 183–203.
34. Vasil'ev V.P. Analiticheskaya khimiya. V 2 ch. Chast' I. Gravimetricheskii i titrimetricheskii metody analiza. M.: Vysshaya shkola, 1989. 320 s.
35. NH 4 + — selektivnyi elektrod serii «Vol'ta». Pasport i rukovodstvo po ekspluatatsii. Sankt-Peterburg, 2011. 6 s.
36. Na+ — selektivnyi elektrod serii «Vol'ta». Pasport i rukovodstvo po ekspluatatsii. Sankt-Peterburg, 2011. 6 s.
37. NO 3 – — selektivnyi elektrod serii «Vol'ta». Pasport i rukovodstvo po ekspluatatsii. Sankt-Peterburg, 2011. 6 s.
38. Novikova S.A., Yaroslavtsev A.B., Yurkov G.Yu. Synthesis and transport properties of membrane materials with incorporated metal nanoparticles // Mend Commun. 2010. V. 20. P. 89–91.
39. Shel'deshov N.V. Protsessy s uchastiem ionov vodoroda i gidroksila v sistemakh s ionoobmennymi membranami: Dis. … d-ra khim. nauk. Krasnodar, 2002. 404 s.
