Effect of Nature and Charge of Counterions and Co-Ions on Electrotransport Properties of Heterogeneous Anion Exchange Membranes

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

A comprehensive characterization of heterogeneous anion exchange MA-40 and MA-41 membranes, differing in the nature of functional groups and the exchange capacity (3.32 and 1.41 mmol/gdry, respectively), was carried out. The MA-40 membrane contains low basic secondary and tertiary amino groups, while the MA-41 membrane contains predominantly quaternary ammonium bases. Concentration dependences of conductivity and diffusion permeability, current-voltage curves were obtained, and the transport and structural parameters of a microheterogeneous model of membrane in solutions of different natures (salts and acids) containing singly and doubly charged cations and anions (sodium and calcium chlorides, sodium sulfate and sulfuric acid). The influence of counter- and co-ions on the electrical transport properties of the studied membranes was revealed and it was shown that changes in their properties are determined not only by the nature of the electrolyte, but also by the value of the exchange capacity of the samples, as well as the nature of their functional groups.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. V. Loza

Kuban State University

Author for correspondence.
Email: Nata_Loza@mail.ru
Russian Federation, Krasnodar

N. A. Kutenko

Kuban State University

Email: Nata_Loza@mail.ru
Russian Federation, Krasnodar

References

  1. Campione A., Gurreri L., Ciofalo M., Micale G., Tamburini A., Cipollina A. // Desalination. 2018. V. 434. P. 121.
  2. Martí-Calatayud M.C., Buzzi D.C., García-Gabaldón M., Ortega E., Bernardes A.M., Tenório J.A.S., Pérez-Herranz V. // Desalination. 2014. V. 343. P. 120.
  3. Rotta E.H., Bitencourt C.S., Marder L., Bernardes A.M. // J. Membrane Science. 2019. V. 573. P. 293.
  4. Belkada F.D., Kitous O., Drouiche N., Aoudj S., Bouchelaghem O., Abdi N., Grib H., Mameri N. // Separation and Purification Technology. 2018. V. 204. P. 108.
  5. Mohammadi R., Tang W., Sillanpää M. // Desalination. 2021. V. 498. №. 114626.
  6. Juve J.M.A., Christensen F.M.S., Wang Y., Wei Z. // Chem. Eng. J. 2022. V. 435. №. 134857.
  7. Sedighi M., Usefi M.M.B., Ismail A.F., Ghasemi M. // Desalination. 2023. V. 549. №. 116319.
  8. Wang Y., Jiang C., Bazinet L., Xu T. // Elsevier Inc. 2018. ISBN 9780128150566.
  9. Mei Y., Tang C.Y // Desalination. 2018. V. 425. P. 156.
  10. Официальный сайт компании MEGA as: https://www.mega.cz
  11. Официальный сайт компании Astom: http://www.astom-corp.jp/en/index.html
  12. Mizutani Y., Yamane R., Ihara H., Motomura H. // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1963. V. 36. P. 361.
  13. Официальный сайт компании FUMATECH: https://www.fumatech.com/en/fumatech/
  14. Котов В.В., Ненахов Д.В., Стекольников К.Е. // Электрохимия. 2010. Т. 46. С. 112. (английская версия: Kotov V.V., Nenakhov D.V., Stekol’nikov K.E. // Rus. J. Electrochem. 2010. V. 46. № 1. P. 107).
  15. Luo J., Wu C., Xu T., Wu Y. // J. Membrane Science. 2011. V. 366. P. 1–16.
  16. Демина О.А., Березина Н.П., Сата Т., Демин А.В. // Электрохимия. 2002. Т. 38. № 8. С. 1002. (англоязычная версия: Demina O.A., Berezina N.P., Demin A.V., Sata T. // Rus. J. Electrochem. 2002. V. 38. № 8. P. 896).
  17. Карпенко Л.В., Демина О.А., Дворкина Г.А., Паршиков С.Б., Ларше К., Оклер Б., Березина Н.П. // Электрохимия. 2001. Т. 37. № 3. С. 328. (англоязычная версия: Karpenko L.V., Demina O.A., Dvorkina G.A., Parshikov S.B., Berezina N.P., Larchet C., Auclair B. // Rus. J. Electrochem. 2001. V. 37. № 3. P. 287).
  18. Березина Н.П., Кубайси А.А.Р. // Электрохимия. 2006. Т. 42. С. 91. (англоязычная версия: Berezina N.P., Kubaisi A.A.R. // Rus. J. Electrochem. 2006. V. 42. P. 81).
  19. Andreeva M.A., Loza N.V., Pis’menskaya N.D., Dammak L., Larchet C. // Membranes. 2020. V. 10. № 7. P. 145.
  20. Sarapulova V.V., Titorova V.D., Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D. // Membranes and Membrane Technologies. 2019. V. 1. № 3. P. 168.
  21. Фалина И.В., Лоза Н.В., Кононенко Н.А., Кутенко Н.А. // Электрохимия. 2023. Т. 59. № 10. С. 593. (англоязычная версия: Falina I.V., Loza N.V., Kononenko N.A., Kutenko N.A. // Rus. J. Electrochem. 2023. V. 59. № 10. P. 752).
  22. Демина О.А., Кононенко Н.А., Фалина И.В., Демин А.В. // Коллоидный журнал. 2017. Т. 79. № 3. С. 259. (англоязычная версия: Demina O.A., Kononenko N.A., Falina I.V., Demin A.V. // Colloid Journal. 2017. V. 79. № 3. P. 317).
  23. Фалина И.В., Кононенко Н.А., Демина О.А., Тицкая Е.В., Лоза С.А. // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83. № 3. С. 352. (англоязычная версия: Falina I.V., Kononenko N.A., Demina O.A., Titskaya E.V., Loza S.A. // Colloid J. 2021. V. 83. № 3. P. 379.).
  24. Справочник по электрохимии, под ред. Сухотина А.М. Л.: Химия, 1981. 488 с.
  25. Gnusin N.P., Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A. // J. Membrane Science. 2004. V. 243. P. 301.
  26. Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A., Gnusin N.P. // Adv. Colloid Interface Sci. 2008. V. 139. P. 3.
  27. Zabolotsky V.I., Nikonenko V.V. // J. Membrane Science. 1993. V. 79. P. 181.
  28. Заболоцкий В.И., Никоненко В.В. Перенос ионов в мембранах, М.: Наука, 1996. 392 с. (Zabolotskii V.I., Nikonenko V.V. Ion transport in membranes (in Russian), Moscow: Nauka, 1996. 392 p.).
  29. Davydov D., Nosova E., Loza S., Achoh A., Korzhov A., Sharafan M., Melnikov S. // Membranes. 2021. V. 11. 406.
  30. Zhang C., Zhang W., Wang Y. // Membranes. 2020. V. 10. P. 169.
  31. Ng P.K., Snyder D.D. // J. Electrochem. Soc. 1981. V. 128. №. 8. P. 1714.
  32. Yan J., Wang H., Fu R., Fu R., Li R., Chen B., Jiang C., Ge L., Liu Z., Wang Y., et al. // Desalination. 2022. V. 531. №. 115690.
  33. Merkel A., Čopák L., Dvořák L., Golubenko D., Šeda L. // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. №. 11819.
  34. Демина О.А., Фалина И.В., Кононенко Н.А., Демин А.В. // Журнал физической химии. 2016. Т. 90. № 8. С. 1234. (англоязычная версия: Demina O.A., Falina I.V., Kononenko N.A., Demin A.V. // Russ. J. Phys. Chem. 2016. V. 90. № 8. P. 1633).
  35. Гнусин Н.П., Кононенко Н.А., Паршиков С.Б. // Электрохимия. 1994. Т. 30. № 1. С. 35. (англоязычная версия: Gnusin N.P., Kononenko N.A., Parshikov S.B. // Rus. J. Electrochem. 1994. V. 30. P. 28).
  36. Кононенко Н.А., Демина О.А., Лоза Н.В., Долгополов С.В., Тимофеев С.В. // Электрохимия. 2021. Т.57. № 5. С. 283. (англоязычная версия: Kononenko N.A., Demina O.A., Loza N.V., Dolgopolov S.V., Timofeev S.V. // Rus. J. Electrochem. 2021. Vol. 57. № 5. P. 505).
  37. Pan J., Liu M., Wei B., Liao S., Li X. // Eur. Polym. J. 2023. V. 199. №. 112467.
  38. Cong M. y., Jia Y. x., Wang H., Wang M. // Sep. Purif. Technol. 2020. V. 238. №. 116396.
  39. Stockmeier F., Schatz M., Habermann M., Linkhorst J., Mani A., Wessling M. // J. Membrane Science. 2021. V. 640. №. 119846.
  40. Никоненко В.В., Мареев С.А., Письменская Н.Д., Узденова А.М., Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Пурсели Ж. // Электрохимия. 2017. Т. 53. С. 1266. (англоязычная версия: Nikonenko V.V., Mareev S.A., Pis’menskaya N.D., Kovalenko A.V., Urtenov M.K., Uzdenova A.M., Pourcelly G. // Russ. J. Electrochem. 2017. V. 53. P. 1122).
  41. Заболоцкий В.И., Шельдешов Н.В., Гнусин Н.П. // Успехи химии. 1988. Т. LVII. С. 1403. (англоязычная версия: Zabolotskii V.I., Shel’deshov N.V., Gnusin N.P. // Russ. Chem. Rev. 1988. V. 57. P. 801).
  42. Zyryanova S., Mareev S., Gil V., Pismenskaya N., Sarapulova V., Rybalkina O., Boyko E., Nikonenko V., Korzhova E., Larchet C., Dammak L. // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. P. 973.
  43. Rubinstein I., Staude E., Kedem O. // Desalination. 1988. V. 69. Issue 2. P. 101.
  44. Akberova E.M., Vasil’eva V.I. // Electrochem. Commun. 2020. V. 111. №. 106659.
  45. Gorobchenko A.D., Mareev S.A., Rybalkina O.A., Tsygurina K.A., Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D. // J. Membrane Science. 2023. V. 683. №. 121786.
  46. Pismenskaya N., Rybalkina O., Solonchenko K., Pasechnaya E., Sarapulova V., Wang Y., Jiang C., Xu T., Nikonenko V. // Polymers. 2023. V. 15. №. 10. P. 2288.
  47. Биполярные ионообменные мембраны. Получение. Свойства. Применение. / в кн. Мембраны и мембранные технологии / Коллектив авторов. Отв. редактор А.Б. Ярославцев. М. : Научный мир, 2013. 612 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Structural formulas of monomer units of anion exchange resins EDE-10P (a) and AV-17 (b) [16].

Download (75KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of the solution conductivity during the diffusion transfer of NaCl solutions through the MA-40 membrane (a) and H2SO4 through MA-41 (b). The concentrations of electrolyte solutions in mol-eq/l are indicated on the graphs.

Download (239KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Concentration dependence of the specific EP of membranes MA-40 (a) and MA-41 (b) in solutions of NaCl (1), CaCl2 (2), Na2SO4 (3) and H2SO4 (4).

Download (150KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. P – C dependences for membranes MA-40 (a) and MA-41 (b) in electrolyte solutions of different nature and the ratio of diffusion permeability coefficients in solutions of sodium chloride and sodium sulfate to the diffusion permeability coefficient in calcium chloride solutions for both membranes (c).

Download (211KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. P – C dependences for membranes MA-40 and MA-41 in H2SO4 solution (a) and the ratio of diffusion permeability coefficients in sulfuric acid solutions to the diffusion permeability coefficient in calcium chloride solutions for both membranes (b).

Download (118KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Volt-ampere curves of membranes MA-40 (a) and MA-41 (b) in solutions of electrolytes of different nature with a concentration of 0.05 mol-eq/l.

Download (165KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the value of ilim on the diffusion coefficient of the electrolyte in the solution of membranes MA-40 (1) and MA-41 (2).

Download (71KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences