Способ получения биполярной мембраны
Владельцы патента RU 2763133:
Общество с ограниченной ответственностью "НПП Мембрана" (RU)
Изобретение относится к способу получения биполярных гетерогенных ионообменных мембран, которые могут быть использованы для конверсии солей в кислоты и щелочи, при получении высокочистой воды, подготовки воды для теплоэнергетики, переработки сточных вод с выделением ценных элементов. Способ получения биполярных мембран включает сборку сэндвич-пакета, состоящего из двух полированных листов из нержавеющей стали и гетерогенных катионо- и анионообменных мембран, отделенных от стальных листов термобумагой, помещение сэндвич-пакета в гермо-термомешок из силиконовой резины, вакуумирования гермо-термомешка с одновременным конвекционным нагреванием до температуры 130-145°С в течение 0,5-1 часа и остыванием под вакуумом. Технический результат - улучшение электромеханических свойств мембран. 3 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 табл.
Изобретение относится к технологии изготовления мембран и может быть использовано в производстве биполярных гетерогенных ионообменных мембран, которые могут применяться для конверсии солей в кислоты и щелочи, при получении высокочистой воды, подготовки воды для теплоэнергетики, переработки сточных вод с выделением ценных элементов и т.п.
Известны способы получения гетерогенных ионообменных мембран вальцеванием на горячих вальцах с их последующим армированием на гидравлическом прессе [А.с. №№148906 (1962), 191783 (1967), МПК C08J 5/22], на барабанном вулканизационном прессе [А.с. №462848 (1974), МПК C08J 1/34], на каландре [Патент RU 2314322 (2008), C1, МПК C08J 5/22, C08J 5/20, B01D 67/00, B01D 71/26, B32B 27/32,]. Недостатком такого способа получения мембран является их однополярность, т.е. мембраны либо катионообменные, либо анионообменные.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ горячего прессования и одновременного армирования гетерогенных катионо- и анионообменных мембран [Ионитовые мембраны. Грануляты. Порошки: каталог НИИТЭХИМ. - М.: 1977, 15 с]. По данному способу на ООО «Инновационное Предприятие «Щекиноазот» производят коммерчески доступные биполярные мембраны МБ-2. Недостатком данного способа является высокая себестоимость мембран и высокий расход электроэнергии, а также сложность обеспечить равномерность давления при получении мембран большой площади.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение электрохимических свойств мембран, что приводит к снижению энергозатрат и повышению рентабельности процесса получения кислот и щелочей из солей, а также расширение ассортимента биполярных мембран. По предлагаемому способу можно получать биполярные мембраны любого размера из разнообразных гетерогенных катионо- и анионообменных мембран, имеющих термопластичные полимеры в качестве инертного связующего – полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид.
Технический результат достигается за счет применения вакуумирования с одновременным нагреванием при получении биполярных мембран. При нагревании гетерогенных катионо- и анионообменных мембран происходит переход инертного связующего (полиэтилена) в вязко-текучее состояние. Вакуумирование обеспечивает необходимое давление на мембраны и исключает негативное влияние внешних факторов (пыль и инородные частицы). Таким образом листы гетерогенных катионо- и анионообменной мембран совмещаются в один лист биполярной мембраны с хорошей адгезией слоев. Применение вакуумирования при производстве мембран позволяет обеспечить равномерность свойств мембраны по всей площади даже для мембран большого размера. В отличие от методов горячего прессования и вальцевания, в предлагаемом способе предусмотрен конвекционный нагрев, который обеспечит равномерное и быстрое достижение заданной температуры, а также высокую точность её поддержания с одновременным снижением энергозатрат. Для получения мембран по данному способу необходимо произвести сборку сэндвич-пакета, состоящего из двух полированных листов из нержавеющей стали и гетерогенных катионо- и анионообменных мембран, отделенных от стальных листов термобумагой. Затем сэндвич-пакет помещается в гермо-термомешок из силиконовой резины и происходит его вакуумирование. Режимы прессования – температура и время прогрева сэндвич-пакета, время прессования и охлаждения были подобраны таким образом, чтобы достичь заданной температуры между слоями биполярной мембраны. Оптимальные параметры прессования составляют - температура 130-145°С, выдержка в течение 0,5-1 часа и остыванием под вакуумом.
Для получения биполярных мембран по предлагаемому способу можно использовать относительно недорогие гетерогенные катионо- и анионообменные мембраны отечественного производства (ООО «Инновационное Предприятие «Щекиноазот»), а также гетерогенные катионо- и анионообменные мембраны зарубежного производства (например: ионообменные мембраны RALEX производства a.s. Mega, Чешская Республика).
Пример выполнения 1. Для получения биполярной мембраны были использованы ионообменные мембраны Ralex CМH и АМH, производства Чехия. Листы мембран марок Ralex CМH и АМH размером 10х40 см2 собираются в сэндвич-пакет следующим образом: на полированный лист из нержавеющей стали укладываются последовательно термобумага, две заготовки мембран мембраны марок Ralex АМH и CМH снова термобумага, сверху кладется стальной лист. Собранный таким образом сэндвич-пакет загружается в гермо-термомешок с одновременным прокладыванием защитной тефлоновой сетки между внутренними поверхностями мешка и сэндвич-пакета сверху и снизу. С помощью вакуумного блока создается давление в термо-гермомешке в диапазоне не менее минус 0.9 кг/см2 с одновременным нагревом до достижения температуры 140°С с экспозицией 70 минут. При этом вакуум в термо-гермомешке поддерживается постоянно. По окончании выдержки нагревательный блок отключается, давление поддерживается до достижения температуры менее 40°С. Далее сэндвич-пакет разбирается и БПМ извлекается.
Пример выполнения 2. При изготовлении БПМ использовали те же приемы, что и в примере 1. Отличие заключалось в том, что в качестве исходных материалов были использованы мембраны российского производства МК-40 и МА-41 ООО «Инновационное Предприятие «Щекиноазот». При этом температура вакуумного прессования составляла 135°С с экспозицией 60 минут.
Пример выполнения 3. При изготовлении БПМ использовали те же приемы, что и в примере 1. Отличие заключалось в том, что перед сборкой сэндвич-пакета между листами мембран Ralex АМH и CМH помещали порошкообразный катализатор реакции диссоциации воды. В качестве катализатора диссоциации воды использовали размолотый фосфорнокислотный катионит КФ-1.
Пример выполнения 4. При изготовлении БПМ использовали те же приемы, что и в примере 3. Отличие заключалось в том, что в качестве исходных мембран использовали МК-40 и МА-41.
Изготовленные биполярные мембраны использовали для конверсии сульфата натрия в серную кислоту и натриевую щелочь. Электродиализ осуществляли на трехкамерной элементарной ячейке при плотности тока 1 А/дм2. Для сравнения в этих же условиях испытывали мембрану МБ-2.
Таблица. Физико-химические и электрохимические свойства БПМ.
Пример | Матрица (наименование базового материала) | Толщина, мм | Прочность на разрыв, МПа | поверхностное электрическое сопротивление, Ом·см2 | Выход по току, % | Падение напряжения на трехкамерной элементарной ячейке, В | |
кислоты | щелочи | ||||||
прототип | МБ-2 | 0,9 (не более) |
5,5 (не менее) |
18 (не более) |
55 | 65 | 16,8 |
1 | Ralex CMH/ AMH |
1,05 | 15,0 | 12 | 62 | 73 | 14,9 |
2 | МК-40/МА-41 | 0,83 | 13,1 | 13 | 57 | 68 | 16,3 |
3 | Ralex CMH/ КФ-1/AMH |
1,10 | 14,2 | 12 | 65 | 75 | 2,9 |
4 | МК-40/ КФ-1/МА-41 |
0,87 | 12,5 | 13 | 59 | 69 | 3,2 |
Из приведенной таблицы следует, что заявленный способ получения биполярных мембран на основе гетерогенных катионо- и анионообменных мембран позволяет получить мембраны с разнообразными эксплуатационными свойствами, различной номенклатурной принадлежности, в том числе с прочностными характеристиками, требуемыми в применяемых в различных областях техники. Проведенные испытания показали промышленную применимость полученных биполярных мембран для применения в процессе конверсии солей в кислоты и щелочи. Полученные по предлагаемому способу мембраны обеспечивают более высокие выходы по току и низкое падение напряжение, по сравнению с прототипом. Введение катализатора реакции диссоциации воды позволяет дополнительно снизить падение напряжения на ячейке в 5 раз, что пропорционально уменьшает энергозатраты.
Таким образом, предлагаемый способ получения биполярных мембран новый, позволяет получать промышленно применимые в электродиализе мембраны, обладающие улучшенными характеристиками, такими как меньшее сопротивление и падение напряжения, а также высокие выходы по току, следовательно, соответствует критериям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.
1. Способ получения биполярных мембран, включающий сборку сэндвич-пакета, состоящего из двух полированных листов из нержавеющей стали и гетерогенных катионо- и анионообменных мембран, отделенных от стальных листов термобумагой, помещение сэндвич-пакета в гермо-термомешок из силиконовой резины, вакуумирование гермо-термомешка с одновременным конвекционным нагреванием до температуры 130-145°С в течение 0,5-1 часа и остыванием под вакуумом.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используемые гетерогенные катионо- и анионообменные мембраны имеют в своем составе термопластичный полимер - полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид - в качестве инертного связующего.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сборке сэндвич-пакета между листами катионо- и анионообменной мембран помещается катализатор для ускорения реакции диссоциации воды.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве катализатора диссоциации воды используется фосфорнокислотный катионит.