Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
s°3' tOJ lOJ
Na+
—сн—сн2—СН—сн2 -*сн —сн2 —сн—сн2 —
Рис. VI-46. Анион- и катионселективные мембраны на основе сополимеров стирола и дивинилбензола.
- высокая селективность;
- высокая элетропроводность;
- умеренная степень набухания;
- высокая механическая прочность.
Электрическое сопротивление на единицу поверхности ионообменных мембран обычно составляет 2-10 Ом см2, а плотность заряда — примерно 1-2 мэкв. на грамм сухого полимера.
VI. 6.2.3. Применения
Основываясь на данных работы [52], ниже мы рассмотрим некоторые применения, исходя из механизма действия ионообменных мембран при разности электрических потенциалов.
VI.6.2.3.1. Разделение аминокислот. Аминокислоты содержат как основные, так и кислотные группы, и вследствие амфотерного характера этих соединений молекулы в зависимости от pH раствора
могут быть заряжены положительно или отрицательно.
H2NCHRCOCr «-» +H3NCHRCOO- ~ +H3NCRCOOH (а) (б) (в)
При высоких значениях pH аминокислоты заряжены отрицательно (структура а) и при наложении электрического поля мигрируют к аноду. При низких pH аминокислоты заряжены положительно (структура в) и мигрируют к катоду. Если структуры (а) и (в) точно сбалансированы, молекулы аминокислот электронейтральны (структура б) и не реагируют на электрическое поле. Значение pH, при котором это наблюдается, называют изоэлектрической точкой аминокислот.
Изоэлектрическая точка является очень важным параметром белков, и каждый белок можно характеризовать собственной изоэлектрической точкой. Рис. VI-47 иллюстрирует разделение аминокислот, достигаемое регулированием pH. Используемый аппарат разделен на три камеры, причем значение pH центральной камеры подобрано, исходя из значения изоэлектрической точки (pi) определенного вещества, скажем белка А, который должен быть отделен от компонентов раствора. Боковые камеры имеют рН<р1 и рН>р1. При заполнении центральной камеры раствором белка, изоэлектрическая точка которого совпадает с pi белка А, все остальные белки, имеющиеся в системе приобретут в зависимости от их изоэлектрических точек положительный или отрицательный заряд и будут диффундировать соответственно к катоду или аноду. Данная методика при регулировании значений pH позволяет достичь полного разделения различных белков.
VI.6.2.3.2. Производство хлора и каустической соды. В отличие от некоторых процессов, требующих применения ионообменных мембран обоих типов, катионообменных и анионообменных, при производстве хлора и каустической соды (едкого натра) используется ионообменная мембрана одного типа (рис. VI-48). В этом процессе электродиализный аппарат состоит из двух камер, разделенных отрицательно заряженной, т. е. катионообменной, мембраной.
Раствор хлорида натрия прокачивается через левую камеру и на аноде происходит электролиз хлорид-иона с образованием газообразного хлора. Одновременно ионы натрия мигрируют к катоду. В правой камере на катоде происходит электролиз с образованием газообразного водорода (Н2) и гидроксид-ионов (ОН”). Отрицательно заряженные гидроксид-ионы мигрируют к аноду, однако они не могут проходить через отрицательно заряженную катионообменную мембрану. Таким образом, газообразный хлор выделяется в левой части аппарата, а гидроксид натрия и газообразный водород — в правой.
Катод
©
рн <р1
pH = pi
Катионообменная
мембрана
Анионообменная мембрана
н Ш н
I Ш I
R.C-C00H Ж- R-C-COO
1 Ш 1 +
ыня ми
Щ
Щ;
Ш
н
% ш Ш5
R.c-coo" ;Щ:
МН0
pH у р I
Анод
©
р!-изоэлектрическая точка
Рис. VI-47. Разделение аминокислот.
Рис. VI-48. Схема электродиализного совместного производства хлора и щелочи.
VI.6.2.3.3. Производство каустической соды и серной кислоты. Последний пример, рассматриваемый в этом разделе, — получение каустической соды и серной кислоты с помощью биполярных мембран. Биполярная мембрана состоит из двух мембран — катионообменной и анионообменной и промежуточного слоя между ними, которые вместе образуют рабочую систему (рис. VI-49). При наложении электрического потенциала будет осуществляться перенос электрического заряда ионами. В отсутствие обычных ионов электрический ток осуществляется образующимися в результате диссоциации воды гидроксид-ионами и протонами.
Рис. VI-49. Схема биполярной мембраны.
Хорошим примером использования биполярной мембраны является производство каустической соды и серной кислоты (рис. VI-50). Биполярную мембрану помещают между катионообменной и анионообменной мембранами. Раствор сульфата натрия закачивается в камеры между катионообменной и анионообменной мембранами. Сульфат-ионы проходят через анионообменную мембрану и, двигаясь к аноду, образуют серную кислоту при ассоциации с протонами, производимыми биполярной мембраной. Одновременно ионы натрия проходят через катионообменную мембрану и, двигаясь к катоду, образуют гидроксид натрия с гидроксид-ионами, которые получаются на биполярной мембране. Рассмотренные процессы составляют основу получения каустической соды (гидроксида натрия) и серной кислоты из сульфата натрия*.
