Биполярная ионообменная мембрана Советский патент 1990 года по МПК C25B13/04 

Изобретение относится к электрохимическому производству, в частности к биполярным ионообменным мембранам, которые используют в процессах электродиализа при получении кислот и щелочей из растворов солей и проведении химических превращений, протекающих с участием водородных и гидроксильных ионов.

Известна биполярная ионообменная мембрана, состоящая вз чередующихся слоев катионо- и аниогюобменника.

Наиболее близким техническим решением является мембрана, состоящая из слоя катионообменника и слояанионообменника.

В известных биполярных мембранах катионообмённый и аниойообменный

слой представляйте собой однотипную

1 О1 ионообменную мембрану, содержащую п6 всему объему одйи и те же ирноГёйные группы.

Недостатком известных биполярных мембран являются неудовлетвори00тельные электрохимичейкне свойства (высокое электрическое, српрртнвление ила низкий выход по току водородных и гйдррксйльных ирцов). На- пример, падение напряжения на биполярной мембране, изготовленной смещением сульфокатионитового (на основе ионита КУ-2) и выгсокорсноврого анионитового (на основе ионита.АВ-17) слоев при плртности тока 200 А/м составляет от 10 до20 В. Напротив, падение напряжения на биполярной мембране, изготовленной совмещением фосфорнокислотного (на основе ионита КФ-1) и высокоосновногр анионитного (на основ.е ионита АВ-Г7 или АВ-23М) слоев в тех же условиях измерения составляет 0,9-1,9 В, но такая мем-, брана имеет низкую величину выхода по току водородных и гидроксильных ионов (70-80%). .

Целью изобретения является улучшение электрохимических свойств биполярных .мембран - уменьшение их электрического сопротивления и увеличение выхода по току водородньк и гидроксильных .„,,.,

Указанная цель достигается тем, что в биполярной мембране катионооЬменный или анионообменный слой или оба Одновременно вьгаолН1г1ют в виде дву5{ рлоев, различающихся природой функциональных групп, причем внешние катионоо бменный и анионообменный слои в биполярной мембране йзгот.авлйвают на основе сильнодиссоциируюЩИХИОНЙТ1ЭВ, содержащих, в частности, сульфог.руппы k четвертичные аминогруппы, соответственно. Эти слои обладают высокой селектцвдрстью (препятствуют проникновению ионов, внешнего электролита во внутрь мембраны) поэтому мембрана имеет высокий выход ПО водородных и гидроксильных ионов. . . ,

Между внешними слоями располагают .катионообменный и анионообменный сло ускоряющие прЪцёсс диссоциаций воды на водородные и гидроксильные ионы, протекающий при прохождении электрического тока через биполярную мембрану, что приводит к снижению перёнаV :йряжения дйсСоцйа:ции воды и

уменьшению падения напряжения на, би полярной мембране в целом. Анализ энектрохимически х свойств известных биполярных мембран и опытьгпрказали, что наиболее быстро процесс Диссоциации воды протекает если катионообмен. ный и анионообменный слои, образу щие биполярную границу, содержат слабодисГсоциирующие или слабодиссоцййрующие и сийьнбдйСсЬцййр щйё йон генные группы одновременно, в частности, фосфорнокислотные и алкилпй ридиновЬю группы. . - , .

При изготовлении мембран иониты КУ-2 (стир6лдивин1тбенйольный ка-тионит, содержащий йбнЬгёнШе группы - ) , КФ-1 (стйрЬйЙ; ййЙйАбензольный катионит, содержащий ионогенные группы - ), АВ-17 (стиролдивинилбензольный анионит, содержащий ионогенныё группы - N(CH),OH), АВ-23м (винилпиридиндивинилбензольный анионит, содержащий ионогейные группы -С5-Н4(СНз)ОН и -Cg-H N) , переводят/ в соленую форму по сйльнодиссоциирующим группам, высушивают до содержания вла1ги 2-5% и измельчают до размера частиц 5-30 мкм. Смесь измельченного ионита с порошкообразным полиэтиленом в срртнощении от 55:45 до 65:35 вес.частей вальцуют при 135 140 С. Биполярные мембраны получают спрессованием катионообменных и анионообменных вальцованных мембран толщиной 0,25-0,30 мм при 140-145 С и давлении 35-70 кгс/см. Для увеличения прочности мембран на стадии пре.ссоваНия их совмещают с лавсановой тканью.

Пример 1. Ионообменные слои при прессовании мембраны располагают в.следующей последовательности: сульфокислотный слой на основе катионита КУ-2 (фиг.б, слой 1); фосфорнокислотный слой на осйрве катионита КФ-1 . (фиг.б, слой 1 ) i: анионообменньй слой на основу анионита АВ-17 (фиг.б, слой 2). Мембрана имеет следующие лектрохимические свойства: выход по току водородных и гидроксильных иоНРв при крнтакте мембраны с 0,5 н-. растворами соляной кислоты и едкого натра и плотности тока 400 А/м 93%, падение напряжения на мембране при плотности Tojca 200 А/м - 1,3 В.

Пример 2. Ионообме;нйые слой при прессовании мембраны располагают в следующей последовательности: сульфокислртйый слой на основе катионита КУ-2 (фйг.в, слой 1); анирнообме.нньй слой на Рснрве анионита АВ-23м (фиг.в, слой 2 ) , анионробменный слой на основе анионита АВ-17 (фиг.в, слой 2). Мембрана имеет следующие электрохимические характеристики: выход по току водородных и гидроксиль ных ионов при контакте, мембраны с 0,5 н. раствором срляной кислоты и едкого натра и плотности тока 400 А/м 96%, падение Найрйжёйия на мембране при плотности тока 200. А/м -3,6 В.

Пример 3. Ионорбмённые слои при прессовании мембраны расйолагают в следующей последовательнбсти: сульфокислотный слой на основе катионита

КУ-2 (фиг,г, слой 1), фосфорнокис- лотный слой на,основе катионита КФ-1 (фиг.г, слой 1 ); анионообменный слой на основе анионита АВ-23м (фиг.г, слой 2); анионообменный слой на основе анионита АВ-17 (фиг.г, слой 2). Мембрана имеет следующие электрохимические свойства: выход по току водородных и гидроксил ных ионов при контакте мембраны с н. растворами соляной кислоты и едкого натра и плотности тока 400 А/м - 96%, падение напряжения на мембр ане при плотности тока 200 А/м2 г 1,3 В. Биполярные мембраны, изготовленные согласно да-нному изoбpeтeниto, имеет значительно лучшие электрохимические свойства по сравнению с известны ш биполярными мембранами. Так падение напряжения на них в 5 10 раз меньше, чем на мембране МБ-2

и соизмеримо с падением напряжения на мембранах МБ-3, МБ-4, МБ-5.

;,

Вместе с тем, выход по току водородных и гидроксильных ионов из мембран, составляюпшх предмет данного изобретения, на 7-25% выше, чем из известных. Увеличение выхода по току водородных и гидроксильных ионов приводит как к снижению энергетических затрат на процесс электродиализа, так и к одновременному уменьшению загрязнения конечного продукта,-например, загрязнения солью растворов кислоты и щелочи. Существенным является также, что производство биполярных мембран гетерогенного типа по данному изобретению не требует изменения технологии и применения допблнитёлбных устройств по сравнению с производством известных биполярных мембран гетерогенного типа. .

1 . БИПОЛЯ РНАЯ ИОНООБМЕННАЯ МЕМБРАНА, содержащая катионообменный и анионообменньй слои, о т л и чающаяся тем, что, с целью уменьшения ее электрического сопротивления и увеличения вькрда по току водородных и гидроксильных ионов, катионообмённый и/или анирнообменный слои выполнены.двухслойными, причем внешние.слои содержат сильнодиссогЫирующие ионогенные группы, а внутренние - слабодиссоциирующие или одновременно слабодиссоциирующие и силь нддиссоцйирующие ионогенные группы. 2. Мембрана по п.1, о т л и ч а ю щ,а я с я тем, что внешние анионообменные и катионообменные слои содержатсоответственно четвертичные аминог()уппы и сульфокислотные группы, а внутренние - алкйлпиридиновые и фосфорнокислотные группы.