РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Характеристика объектов исследования
Для исследования гидрофильности и состояния воды в полимерных мембранах были
выбраны мембраны, которые используются в электро- и баромембранных установках в
процессах обессоливания и очистки воды.
В электродиализных установках используются полимерные ионообменные мембраны
катионного и анионного типов. Основным компонентом ионообменных мембран
является ионообменник соответственно катионообменный и анионообменный ионит. В
связи с этим исследования гидрофильности и состояния воды проведены как в
полимерных ионообменных мембранах, так и в их составляющих – ионообменных
смолах с привитыми активными группами и их полимерным каркасом (стиролом с
дивинилбензолом).
Подбор мембран, которые используются в баромембранных установках, является
наиболее подходящим для изучения влияния размера пор на свойства поглощенной
воды. Исследования состояния воды в мембранах проводили на обратноосмотических
и ультрафильтрационных мембранах из ацетата целлюлозы, а также их аналогах –
пленках из ацетата целлюлозы, полученных без порообразователя, т.е. имеющих
микроструктуру полимерного каркаса. Таким образом, исследован типоразмерный ряд
пленок и мембран из ацетата целлюлозы с размерами пористого пространства
полимерного каркаса от 1,0-1,5 нм до 50,0 нм.
2.1.1. Х а р а к т е р и с т и к а и о н о о б м е н н ы х с м о л и м е м б -
р а н. Ионообменные смолы. Для работы взяты иониты производства Черкасским
химкомбинатом, Украина [285]. Подготовка ионитов к работе осуществлялась в
соответствии с [286]. Определение обменной емкости проводилась по [287]. Иониты
представляют собой нерастворимые высокомолекулярные соединения с
функциональными ионогенными группами, способными вступать в реакции обмена с
ионами раствора. Были исследованы иониты гелевой (КУ-2) и макропористой (КУ-23)
структуры. Гелевые иониты лишены истинной пористости и способны к ионному
обмену только в набухшем состоянии. Их выпускают с различным количеством
сшивающего агента – дивинилбензола (ДВБ): 4, 8 и 20%. Макропористые обладают
развитой поверхностью из-за наличия пор и поэтому способны к ионному обмену в
набухшем и не набухшем состоянии. Макропористые КУ-23(20/50) и КУ-23(15/100)
содержат соответственно 20 и 15% ДВБ и их синтезируют в присутствии 50 и 100%
н-гептана от веса стирола. Гелевые и макропористые иониты относятся к
сильнокислотным катионитам, для которых характерна способность к обмену ионов в
широком интервале значений рН. Для исследований выбраны также слабокислотный
катионит КБ-4, сильноосновный анионит АВ-17-8 и промежуточный анионит ЭДЭ-10П
со смешанной основностью – с сильно- и слабоосновными группами. Объектом
исследования являлся также комплексообразующий ионит АНКБ-35. Амфолит АНКБ-35,
выпускается черкасским производственным объединением "Азот", Украина.
Ионообменные мембраны. Мембраны, используемые в работе, производятся на
Щекинском химическом комбинате, Россия [288].
В работе в качестве объектов исследования использовали ионообменные мембраны:
гетерогенные – катионитовые МК-40К, МК-40Л, МК-41, и анионитовые МА-40К,
МА-40Л, МА-41, МА-41И, МА-41П, а также гомогенные – катионитовые МК-100, МФ-4СК
и – анионитовая мембрана МА-102.
Гетерогенные мембраны – катионитовая МК-40 ее основу составляет катионит
КУ-2-8, анионитовая МА-40 на основе ЭДЭ-10П, обе с капроновой (К) или
лавсановой (Л) армирующей тканью; фосфорнокислотная мембрана МК-41 на основе
катионита КФ-1 и анионитовая мембрана МА-41 на основе анионита АВ-17, а также
гомогенные мембраны МФ-4СК, МК-100 и МА-102. Основу анионообменной мембраны
М.А-102 составляют метилвинилпиридин и дивинилбензол с ионогенной группой
C5H4N+, а МФ-4СК – перфторированная катионообменная мембрана с сульфогруппами.
Гомогенная катионообменная мембрана МК-100 состоит из сульфостирольной
матрицы.
Образцы мембран готовили cогласно [289]. Подготовленные образцы хранили в
дистиллированной воде в банках с притертыми пробками. Срок хранения не
ограничен, но перед испытаниями образцы вновь промывали дистиллированной водой
до нейтральной реакции.
Полную обменную емкость (ПОЕ) мембран определяли по [290].
Влагосодержание ионообменных мембран определяли согласно [291].
Измерение размеров мембран при набухании проводилось по методике, описанной в
[292].
2.1.2. П о л и м е р н ы е м е м б р а н ы д л я б а р о м е м б р а н н ы х п
р о ц е с с о в. В качестве объектов исследования были взяты выпускаемые
серийно мембраны (НПО “Полимерсинтез”, Россия) – обратноосмотические из ацетата
целлюлозы МГА-70, МГА-80, МГА-90, МГА-95, МГА-100 и ультрафильтрационные из
ацетата целлюлозы УАМ-50, УАМ-100, УАМ-300 и УАМ-500 [293].
Мембраны представляют собой пористый полимерный материал толщиной от 50 до 200
мкм с размером пор от 10-6 до 10-10 м, имеющий общую химическую формулу:
С6Н7О7(ОН)3–n (ОСОСН3)n,
где n-число уксуснокислотных остатков, заместивших гидроксилы в молекулах
целлюлозы.
Мембраны характеризуются очень высокой пористостью (65–85%), что позволяет
работать с ними при больших скоростях потока на единицу поверхности. Химическая
стойкость мембран обусловлена химической стойкостью исходного полимера [293].
По химическому составу эти мембраны практически не отличаются друг от друга:
степень замещения ОН-групп в целлюлозе на ацетатные группы, определенная нами
согласно [294], составляет 2,6 – 2,7.
Исследованы ультрафильтрационные мембраны:
1. УПМ-10, УПМ-20 и УПМ-50, полученные из умеренно гидрофильного полимера –
полисульфонамида. Средний размер их пор находится в пределах 10–50 нм (~ 10–50
кДа).
2. УФМ-30 – полиамидная мембрана Средний разме
- Київ+380960830922