ИОНООБМЕННАЯ МЕМБРАНА Советский патент 1994 года по МПК C25B13/00 B01D69/00 

Изобретение относится к электрохимическим производствам, в частности к ионообменным мембранам, используемым в процессах электродиализа при выделении кислот из их растворов, содержащих соли поливалентных металлов, например для выделения кислот из раствора травления металлов, кислых сточных вод и отработанных электролитов гальванических производств.

Цель изобретения - повышение чистоты выделяемой кислоты за счет уменьшения переноса ионов поливалентного металла через ионообменную мембрану.

Ионообменная мембрана содержит сульфокатионообменную мембрану, на которой выполнены перфорации, и анионообменную мембрану, размещенную на расстоянии от нее. Обе мембраны соединены между собой по периметру. Способ соединения мембран и расстояние между ними не имеют существенного значения, например анионообменная и сульфокатионообменная мембраны по периметру могут быть склеены, сварены, сжаты между рамками устройства, в котором используется предлагаемая мембрана, или заключены в отдельную рамку.

Ионообменная мембрана, состоящая из перфорированной сульфокатионообменной мембраны и анионообменной мембраны, установленной на расстоянии от нее, при извлечении кислоты из электролита функционирует как единая ионообменная мембрана, пропускающая преимущественно ионы водорода.

Предлагаемую мембрану размещают в электрохимической ячейке так, что ее анионообменная сторона обращена к катоду, катодное отделение заполняют раствором кислоты (Н_nА), а анодное - раствором кислоты и соли поливалентного металла (K_nA_m).

При пропускании постоянного электрического тока в результате осмоса и электроосмоса воды и миграции анионов (A^n-. . . , где n^- - заряд аниона) через анионообменную мембрану, катионов водорода (Н⁺) и поливалентного металла (K^m+, где m⁺ - заряд катиона), через катионообменную мембрану зазор между мембранами заполняется высококонцентрированным электролитом (воздух удаляется через перфорацию в катионообменной мембране). В таких условиях анионообменная мембрана теряет селективность по анионам, но проявляет высокий коэффициент разделения ионов водорода и поливалентного металла. Непрошедшие через анионообменную мембрану ионы поливалентного металла в виде раствора соли возвращаются через перфорации, выполненные на сульфокатионообменной мембране, в перерабатываемый электролит. Таким образом, через предлагаемую мембрану преимущественно переносятся ионы водорода с числом переноса, близким к числу переноса ионов водорода через простую сульфокатионообменную, взятую при изготовлении предлагаемой мембраны.

При отсутствии отвода электролита из межмембранного зазора (если в предлагаемой мембране сульфокатионообменную мембрану выполнить без перфораций) в нем возникает гидравлическое давление. В результате вода пьезодиализом через мембраны удаляется из межмембранного зазора, а концентрация соли поливалентного металла нарастает с увеличением времени пропускания электрического тока. При некотором пределе концентрации соли поливалентного металла, накопившейся в межмембранном зазоре, анионообменная мембрана становится проницаемой к ионам поливалентного металла и их число переноса через анионообменную мембрану становится близким к числу переноса ионов поливалентного металла, характерному для сульфокатионообменной мембраны.

При отсутствии расстояния между сульфокатионообменной и анионообменной мембранами, например при их сварке между собой по всей поверхности (как это осуществляют при изготовлении биполярных ионитовых мембран), вследствие невозможности отвода электролита из межмембранного зазора возникает ситуация, полностью аналогичная описанной выше при отсутствии перфораций на сульфокатионообменной мембране.

Таким образом, при отсутствии перфораций на сульфокатионообменной мембране или расстояний между ней и анионообменной мембраной положительный эффект не достигается, так как числа переноса ионов поливалентного металла и коэффициент разделения ионов водорода и поливалентного металла для таких мембран и сульфокатионитовой мембраны близки между собой.

Оптимальная площадь, количество и распределение перфораций по поверхности сульфокатионообменной мембраны зависят от ее свойств и свойств анионообменной мембраны, составляющих предлагаемую мембрану, ее геометрических размеров, плотности тока, перерабатываемого электролита. В каждом конкретном случае количество, площадь и распределение перфораций устанавливаются экспериментально из условия минимизации количества и площади перфораций, необходимых для отвода электролита из межмембранного зазора предлагаемой мембраны.

Верхняя граница степени перфорации определяется тем, что при избыточной перфорации уменьшается число переноса ионов водорода через предлагаемую мембрану и соответственно уменьшается выход по току кислоты.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. Гетерогенную сульфокатионообменную мембрану марки МК-40 размером 125 х 250 мм в воздушно-сухом состоянии перфорируют нанесением на ее поверхность четырех сквозных отверстий ⊘ 2 мм. Отверстия размещают по углам на расстоянии 10 мм от кромок. Перфорированную сульфокатионообменную мембрану сваривают по периметру с гетерогенной анионообменной мембраной марки МА-41 такого же размера при 145^оС и давлении 40 мкг/см². Ширина полосы сваривания 5 мм (предлагаемая мембрана).

П р и м е р 2. Гетерогенную сульфокатионообменную мембрану марки МК-40 и гетерогенную анионообменную мембрану марки МА-41 размерами 125 х 250 мм сваривают вместе по периметру при 145^оС и давлении 40 кгс/см². Ширина полосы сваривания 5 мм (перфорации на сульфокатионообменной мембране отсутствуют).

П р и м е р 3. Гетерогенную сульфокатионообменную мембрану марки МК-40 и гетерогенную анионообменную мембрану марки МА-41 сваривают вместе по всей поверхности при 145^оС и давлении 40 кгс/см²(межмембранный зазор отсутствует). Такая мембрана является полным аналогом биполярной мембраны марки МБ-2.

Числа переноса ионов водорода (+), алюминия (+3 ) , коэффициенты разделения ионов водорода и алюминия (K_Al+3 H⁺ ), загрязнения серной кислоты сульфатом алюминия (C) при ее выделении из электролита анодирования алюминия, содержащего 130 г/л серной кислоты и 95 г/л сульфата алюминия, для мембран, изготовленных по примерам 1-3, и для известных мембран, приведены в таблице. При определении указанных в таблице характеристик мембраны располагают в электродиализаторе катионообменной стороной к аноду, со стороны катода мембраны находятся в контакте с раствором серной кислоты концентрации 30 г/л, а со стороны анода - с раствором следующего состава, г/л: серная кислота 130, сульфат алюминия 95. Концентрация выделяемой серной кислоты составляла 130 г/л, плотность тока 3 А/дм².

Как видно из данных таблицы, при отсутствии в предлагаемой мембране перфорации на сульфокатионообменной мембране (пример 2) и при отсутствии расстояния между сульфокатионообменной и анионообменной мембранами (обе мембраны сварены между собой по всей поверхности, пример 3) цель изобретения не достигается, и показатели разделения ионов водорода и поливалентного металла, в частности алюминия, для таких мембран такие же, как и у сульфокатионообменной мембраны в известном решении.

Технико-экономическая эффективность предлагаемой ионообменной мембраны в сравнении с прототипом заключается в существенно лучшем разделении ионов водорода и поливалентного металла, что при выделении методом электролиза кислот из растворов, содержащих соль поливалентного металла, позволяет значительно повысить чистоту выделяемой кислоты. Так, при выделении серной кислоты из раствора, содержащего одновременно сульфат алюминия, предлагаемая мембрана по сравнению с прототипом характеризуется приблизительно в 40 раз меньшими числами переноса ионов алюминия и во столько же раз большим коэффициентом разделения ионов водорода и алюминия. По этим причинам при использовании предлагаемой мембраны серная кислота, выделенная из раствора, содержащего одновременно сульфат алюминия, содержит в 40 раз меньше сульфата алюминия. (56) Электрохимия ионитов. Сб. - Краснодар, 1979, с. 101.

Лурье А. А. Сорбенты и хроматографические носители. М. : Химия, 1972, с. 103-106.

Изобретение относится к электрохимическим производствам. С целью повышения частоты выделяемой кислоты сульфокатионообменная мембрана выполнена перфорированной и дополнительно снабжена анионообменной мембраной, установленной на расстоянии от сульфакатионообменной, обе мембраны установлены в рамке и соединены между собой по периметру. 1 табл.

ИОНООБМЕННАЯ МЕМБРАНА для выделения кислоты из раствора, содержащего соль поливалентного металла, включающая сульфокатионообменную мембрану, отличающаяся тем, что, с целью повышения чистоты выделяемой кислоты, сульфокатионообменная мембрана выполнена перфорированной и дополнительно снабжена анионообменной мембраной, установленной на расстоянии от сульфокатионообменной, обе мембраны соединены между собой по периметру.