Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Полимер Тст,°С
Полидиметилсилоксан -123
Полибутадиен -85
Полиизопрен -73
Натуральный каучук -72
Полиизобутилен -70
Бутилкаучук -65
Полихлоропрен -50
СН3
-pSi-O—Полидиметилсилоксан I (силиконовый каучук)
СН3
сн3
I
-р-С-СН2 -jj- Полиизобутилен
(бутилкаучук)
f-H2C4 н
С=С Полибутадмен
ну чсн2 -j-
Н2С н
Полихлоропрен Cl nch2 -j-
-f-H2C4 н
С=С Полиизопрен
н3су чсн2
Рис. 11-17. Химические структуры некоторых эластомеров.
ния зависит от относительного содержания соответствующего сомо-номера в полимере.
11.11. Полиэлектролиты
До сих пор рассматривались только нейтральные полимеры. Однако известен большой класс полимеров — полиэлектролитов, содержащих ионогенные группы. Благодаря присутствию постоянных зарядов в таких полимерах существуют сильные взаимодействия, и противоионы особенно сильно притягиваются к фиксированным зарядам. В воде или других полярных растворителях полиэлектролиты обычно ионизированы. Такие полимеры используются как мембранные материалы главным образом в процессах, в которых движущей силой является разность электрических потенциалов, например, в электродиализе. Они могут быть также использованы в других мембранных процессах, таких, как микрофильтрация, ультрафильтрация или первапорация.
Катионообменные —СН2 —СН —СН2 —СН----------
Анионообменные —СН2—СН—СН2—СН-----------
R А+
R А*
R+A
R+ А
R = —SO3
—ССХ>
R = — NR3*
Рис. 11-18. Схематическое представление структуры ионообменных мембран.
Мембраны из полиэлектролитов, которые содержат постоянные отрицательно заряженные группы, называются катионообменными мембранами, потому что они способны обменивать положительно заряженные противоионы. Если фиксированные группы заряжены положительно, мембрана (или полимер) может обменивать отрицательно заряженные ионы; такие мембраны называются анионообменными мембранами. Схематическое представление обоих типов мембран дано на рис. И-18.
Если полимерную цепь представить свернутой в виде сферы, то внутри сферы постоянный заряд компенсирован противоионами, однако на поверхности вследствие фиксированных ионных групп возможно накопление заряда. Этот заряд будет скомпенсирован слоем противоионов или электрическим двойным слоем, возникающим в окружающем растворе. Так возникает электрический потенциал, имеющий максимальное значение на границе раздела и снижающийся по мере удаления от нее. На некотором расстоянии от границы раздела фаз потенциал снижается до нуля. И в случае мембран на границе раздела мембрана — раствор возникает электрический потенциал. В катионообменных мембранах фиксированные группы заряжены отрицательно, а катионы притягиваются к поверхности раздела изнутри мембраны и снаружи двойного слоя. Следовательно, концентрация катионов в мембране и двойном слое выше, чем в объеме раствора.
Градиент потенциала, возникающего на границе раздела, называется доннановским потенциалом. Электролиты, несущие тот же заряд, что и фиксированные ионы, отталкиваются от поверхности, причем этот эффект становится сильнее, если возрастает градиент потенциала. Такое исключение электролитов называется доннановским исключением (см. также гл. V). Благодаря наличию ионных групп полимер сильно набухает в воде или даже становится растворимым (полиэлектролиты обычно растворимы в водных растворах).
-?-CF; —CF: ^-CF2 —CF-----
ГО—CF2—CF -3-0—CF2— CF2 —SOfNa*
I
CF3
Нафион ®
-4-С H-CH, —CH—CH,-=h
LI I J
SO^Na* SOj-Na*
Сульфированный полиэтилен
Сульфированным полисульфон
Рис. 11-19. Химические структуры нафиона, сульфированного полиэтилена, сульфированного полисульфона.
Чтобы предотвратить значительное набухание, необходима сшивка полимера. Даже очень гидрофобные полимеры, такие, как полисульфон, можно сделать водорастворимыми, вводя большое количество сульфогрупп. Очень интересным материалом для получения ионных мембран является политетрафторэтилен. Этот полимер очень стабилен химически, в том числе по отношению к кислотам и щелочам, а также термически. В этот полимер можно ввести ионные группы, получал таким образом, полиэлектролит, содержащий тефлоновую основную цепь. Один из полимеров, полученных таким образом, называется нафион, см. рис. II-19. На этом рисунке также показаны и другие материалы ионообменных мембран.
11.12. Смеси полимеров
Гомополимеры состоят только из одного типа повторяющихся единиц, в то время как сополимеры построены из двух (или более) различных сомономеров, которые после полимеризации дают или случайное рас-
Гетерогенная смесь
Гомогенная смесь
dQ
dt
А
В
dQ
dt
А
Т
Т,
Рис. 11-20. Диаграммы ДСК (первая производная) для случая гетерогенной смеси — два значения Тст, а для гомогенной смеси — одно значение
