1.2. Определение динамической обменной емкости

ионообменных мембран

Паспортные характеристики ионообменных мембран непременно содержат данные о равновесной обменной емкости [7]. Академик АН СССР Б.Н. Ласкорин и Н.М. Смирнова обратили внимание на то, что статические методы определения обменной способности мембран требуют длительного времени [24]. Они обратили внимание на то, что ионообменники в форме гранул характеризуются двумя видами емкости: статической и динамической. В работе [24] была предложена методика определения динамической обменной емкости мембран в процессе электродиализа. Авторы работы исходили из того, что скорость ионного обмена значительно уступает скорости электромиграции в связи с тем, что скорость электромиграции может быть увеличена ростом напряженного электрического поля. Ими для определения динамической емкости был применен трехсекционный электродиализатор, схема которого представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема электродиализатора для определения динамической обменной емкости ионообменных мембран [24]. к – катионообменная мембрана, а – анионообменная мембрана.

В течение 15 мин пропускали постоянный электрический ток 0.6 А при напряжении 7 В. Как показали предварительные испытания, проведенные в данной работе, 15 мин достаточно для перевода мембраны в водородную или хлоридную форму. Затем растворы из всех секций сливали, секции промывали дистиллированной водой и аппарат заполняли раствором 0.5 моль/л нитрата аммония. К электродиализатору вновь подключали ток на 15 мин, ионы нитрата вытесняли хлоридные ионы из анионообменной мембраны в среднюю секцию, а ионы аммония десорбировали водородные ионы из катионообменной мембраны. Количество водородных ионов и хлор- ионов, слитых из средней секции определи аналитически и пересчитывали на единицу массы мембраны. Величины обменных емкостей анионообменных мембран были ниже статических обменных емкостей, а емкость катионообменных мембран измерить не удалось.

Рассмотрим процессы, протекающие при электродиализе в работе [24]. В катодной секции протекает реакция

, (1.9)

в которой продуктами являлись молекулярный водород, выделяющийся затем из раствора, и гидроксильные ионы, мигрировавшие через анионообменную мембрану, разделяющую катодную и среднюю секции. Электродиализ раствора соляной кислоты и нитрата аммония проводился при высоких плотностях тока, превышающих предельные диффузионные плотности тока. Вследствие этого, на межфазной границе раствора и анионообменной мембраны интенсивно генерировались гидроксильные ионы. На второй стадии при электродиализе 0.5 моль/л раствора нитрата аммония суммарный поток гидроксильных ионов через анионообменную мембрану в среднюю секцию, был столь велик, что нейтрализовал полностью водородные ионы, десорбированные при протекании постоянного электрического тока из катионообменной мембраны в среднюю секцию. В связи с этим определить динамическую обменную емкость катионообменных мембран таким методом было невозможно. Кроме того, гидроксильные Меньшее влияние оказывал конкурирующий поток гидроксильных ионов на потоки хлор - ионов при электрохимической десорбции их из анионообменной мембраны, однако принципиально равновесные и динамические условия различаются, что приводило в работе [24] к более низким величинам динамической обменной емкости в сравнении с величинами статической равновесной обменной емкости. Из анализа работы [24] следуют цели и задачи настоящей работы. Первая состоит в том, чтобы использовать электродиализатор, в котором продукты электродных реакций не мешали определению десорбированных ионов. Вторая состоит в том, что используемые при электродиализе плотности тока не должны превышать предельные. В связи с этим конструкция электродиализатора в нашей работе принципиально изменена.