Спектроскопические исследования мембран МА-41П и МК-40 в процессе электромембранной очистки технологических растворов от ионов кобальта, меди и кадмия

Получены ИК-спектры поверхностного слоя гетерогенных мембран: катионообменной МК-40 и анионообменной МА-41П, широко применяемых в электромембранных процессах. Спектры представлены для воздушно-сухого, статически и динамически водонасыщенного образцов мембран. Динамическое водонасыщение проводилось в процессе электродионизационной очистки раствора, содержащего ионы кобальта, меди и кадмия. Выявлено, что изменения в спектрах мембран, происходящие в результате водонасыщения, приводят к увеличению интенсивности и ширины полосы поглощения ν = 3000÷3700 см^–1 в диапазоне валентных колебаний ОH^–-групп. Появление дополнительного максимума при ν ~ 3287 см^–1 обусловлено образованием более прочных водородных связей в поровом пространстве мембран. Отсутствие смещения полос поглощения, определяющих соединения, составляющие матрицу мембран в воздушно-сухом, статически и динамически водонасыщенных состояниях, указывает на их химическую стабильность. Установлены изменения интенсивности и частоты поглощения пиков в диапазоне ν ~1220÷1000 см^–1, отвечающем за идентификацию функциональной группы анионита, для образца МА-41П после его использования в процессе электромембранной очистки. Наблюдаемые изменения в ИК-спектрах мембран оценивались на основании расчета приведенных пиковых интенсивностей полос поглощения. Установлено, что в мембранах МК-40 и МА-41П в динамически водонасыщенном состоянии уменьшается количество слабосвязанной «жидкой воды» и образуются более прочные водородные связи. Представлены результаты расчета оптической плотности характеристических полос поглощения полиэтилена, входящего в состав матрицы мембран. Показано изменение оптической плотности при водонасыщении, указывающее на конформационную перестройку в волокнах полиэтилена. Установлено количество химически не связанных компонентов разделяемого раствора, задерживающихся в объеме мембран и не оказывающих влияние на их эксплуатационные характеристики.

1. Shaoxiang Leeabc, Wenqiao Mengabc, Yupeng Wangd, Dong Wang, Meng Zhang, Guohui Wang, Jiaji Cheng, Yue Zhou, Wenjuan Qu. Comparison of the property of homogeneous and heterogeneous ion exchange membranes during electrodialysis process. Ain Shams Engineering Journal. 2021;12(1):159—166. https://doi.org/10.1016/j.asej.2020.07.018

2. Jaime-Ferrer J.S., Mosqueda-Quintero M., Suárez-Toriello V.A., Anderson S.M., González Vargas O.A., Villafaña-López L. Heterogeneous PVC cation-exchange membrane synthesis by electrospinning for reverse electrodialysis. International Journal of Chemical Reactor Engineering. 2020;18(7):20200020. https://doi.org/10.1515/ijcre-2020-0020

3. Zhao X., Liu L., Zhang X., Cheng X., Sun J., Pan J. Preparation of high-performance semihomogeneous cation exchange membranes for electrodialysis via solvent-free polyethylene particle-confined monomer polymerization. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2023;62(14):5945—5953. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c04475

4. Kikhavani T., Ashrafizadeh S.N., Van der Bruggen B. Identification of optimum synthesis conditions for a novel anion exchange membrane by response surface methodology. Journal Applied Polymer Science. 2014;133(3):39888. https://doi.org/10.1002/app.39888

5. Xu T. Ion exchange membranes: state of their development and perspective Journal of Membrane Science. 2005; 263(1-2):1—29. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2005.05.002

6. Бутыльский Д.Ю., Троицкий В.А., Скударнова А.С., Шарафан М.В. Осадкообразование на поверхности анионообменной мембраны МА-41П в камере концентрирования электродиализатора при переработке разбавленных имитатов пластовых вод. Мембраны и мембранные технологии. 2022;12(5):384—395. https://doi.org/10.31857/S2218117222050030

7. Письменская Н.Д., Мареевa С.А., Похидня Е.В., Ларше К., Даммак Л., Никоненко В.В. Влияние модификации поверхности гетерогенной анионообменной мембраны на интенсивность электроконвекции у ее поверхности. Электрохимия. 2019;55(12):1471—1489. https://doi.org/10.1134/S0424857019120132

8. Нифталиев С.И., Козадерова О.А., Власов Ю.Н., Ким К.Б., Матчина К.С. Структурно-кинетические параметры ионообменных мембран МК-40 и МА-41 в растворах нитрата аммония. Сорбцион

9. Сауд А.М., Васильева В.И., Голева Е.А., Акберова Э.М., Козлов А.Т. Выбор анионообменной мембраны при разделении фенилаланина и хлорида натрия нейтрализационным диализом. Сорбционные и хроматографические процессы. 2020;20(6): 749—759. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2020.20/3143

10. Dammak L., Fouilloux J., Bdiri M., Larchet C., Renard E., Baklouti L., Pismenskaya N. A review on ion-exchange membrane fouling during the electrodialysis process in the food industry. Part 1: Types, effects, characterization methods, fouling mechanisms and interactions. Separation and Purification Technology. 2021;199:114— 123. https://doi.org/10.3390/membranes11100789

11. Bdiri M., Perreault V., Mikhaylin S., Larchet C., Hellal F., Bazinet L., Dammak L. Identification of phenolic compounds and their fouling mechanisms in ionexchange membranes used at an industrial scale for wine tartaric stabilization by electrodialysis. Separation and Purification Technology. 2020;233:115995. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.115995

12. Bdiri M., Dammak L., Larchet C., Hellal F., Porozhnyy M., Nevakshenova E., Nikonenko V. Characterization and cleaning of anion-exchange membranes used in electrodialysis of polyphenol-containing food industry solutions; comparison with cation-exchange membranes. Separation and Purification Technology. 2019;210:636—650. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.08.044

13. Barros K.S., Martí-Calatayud M.C., Pérez-Herranz V., Espinosa D.C.R. A three-stage chemical cleaning of ion-exchange membranes used in the treatment by electrodialysis of wastewaters generated in brass electroplating industries. Desalination. 2020;492:114628. https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114628

14. Villafaña-López L., Reyes-Valadez D.M., González-Vargas O.A., Suárez-Toriello V.A., Jaime-Ferrer J.S. Custom-made ion exchange membranes at laboratory scale for reverse electrodialysis. Membranes. 2019;9(11):145. https://doi.org/10.3390/membranes9110145

15. Cseri L., Baugh J., Alabi A., AlHajaj A., Zou L., Dryfe R.A., Szekely G. Graphene oxide-polybenzimidazolium nanocomposite anion exchange membranes for electrodialysis. Journal of Materials Chemistry A. 2018;6(48):24728—24739. https://doi.org/10.1039/C8TA09160A

16. Hosseini S.M., Sohrabnejad S., Nabiyouni G., Jashni E., Van der Bruggen B., Ahmadi A. Magnetic cation exchange membrane incorporated with cobalt ferrite nanoparticles for chromium ions removal via electrodialysis. Journal of Membrane Science. 2019;583:292—300. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.04.069

17. Bonizzoni S., Stucchi D., Caielli T., Sediva E., Mauri M., Mustarelli P. Morpholinium-modified, polyketone-based anion exchange membranes for water electrolysis. ChemElectroChem. 2023;10(6):202201077. https://doi.org/10.1002/celc.202201077

18. Xu X., Lin L., Ma G., Wang H., Jiang W., He Q., Xu P. Study of polyethyleneimine coating on membrane permselectivity and desalination performance during pilot-scale electrodialysis of reverse osmosis concentrate. Separation and Purification Technology. 2018;207:396—405. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.06.070

19. Коновалов Д.Н., Хорохорина И.В., Лазарев С.И., Нагорнов С.А., Корнев А.Ю., Котенев С.И. Спектроскопические и кинетические исследования проницаемости поверхностных слоев мембран в процессе микрофильтрационного разделения водно-органических растворов. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2023;3:98—104. https://doi.org/10.31857/S1028096023030056

20. Лазарев С.И., Головин Ю.М., Коновалов Д.Н., Яновская Э.Ю., Родионов Д.А. ИК-спектроскопические исследования адсорбированной воды и изменения структуры в гидрофобных и гидрофильных микрофильтрационных мембранах. Физикохимия поверхности и защита материалов. 2023;59(2):155—160. https://doi.org/10.31857/S0044185623700183

21. Smith B. The infrared spectra of polymers II: Polyethylene. Spectroscopy. 2021;36(9):24—29. https://doi.org/10.56530/spectroscopy.xp7081p7

22. Wen Y., Liang M., Wang Y., Ren W., Lü X. Perfectly green organocatalysis: quaternary ammonium base triggered cyanosilylation of aldehydes. Chinese Journal of Chemistry. 2012;30(9):2109—2114. https://doi.org/10.1002/cjoc.201200598

23. Tubergen M.J., Kuczkowski R.L. Microwave spectroscopic characterization of a strong hydrogen bond: trimethylamine-water. Journal of the American Chemical Society. 1993;115(20):9263—9266. https://doi.org/10.1021/ja00073a048

24. Лазарев С.И., Головин Ю.М., Хорохорина И.В., Хохлов П.А. Исследование структурной организации поверхностного слоя и состояния воды в ультрафильтрационных композиционных мембранах. Физикохимия поверхности и защита материалов. 2020;56(2):132—137. https://doi.org/10.31857/S0044185620020151

25. Синица Л.Н., Емельянов Н.М., Луговской А.А., Щербаков А.П., Анненков В.В. Определение размера пор кремниевых материалов по ИК-спектрам адсорбированной воды. Оптика атмосферы и океана. 2021;34(07):483—487. https://doi.org/10.15372/AOO20210701

26. Дехант И., Данц Р., Киммер В. Инфракрасная спектроскопия полимеров. М.: Химия, 1976. 473с.

27. Коновалов Д.Н., Лазарев С.И., Луа П., Полянский К.К. Исследования кинетических и сорбционных характеристик мембран ОФАМ-К и ОПМН-П в процессе электронанофильтрационного разделения водного раствора сульфата калия. Вестник ВГУИТ. 2023;1(85):24—32. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2023-1-24-32

28. Сарапулова В.В., Клевцова А.В., Письменская Н.Д. Электростатические взаимодействия ионообменных материалов с антоцианами в процессах их сорбционного и электродиализного извлечения из жидких сред. Мембраны и мембранные технологии. 2020;4(10):281—292. https://doi.org/10.1134/S2218117220040100