Техника - молодёжи 1986-08, страница 10
Технологическая схема одного из способов получения пленки для ионообменной мембраны. Буквами обозначены: А — синтез исходных полимеров, Б — получение полимерной пленки методом экструзии, В — дублирование пленок с разными ионообменными группами, Г — армирование сеткой, сплетенной из фторопластовых волокон, Д — химическая модификация — добавление определенных веществ для придания мембране необходимых свойств. через нее — мембрана «настроена» лишь на ионы. И стоит только пропустить через электролит постоянный ток, создать вокруг мембраны электрическое поле, как она тут же начинает работать — открывает проход катионам натрия, а анионы хлора задерживает Хлор выделяется на аноде, его высушивают, а затем сжижают. Образовавшийся на катоде водород по отводным трубам поступает на установки синтеза соляной кислоты. В растворе остается едкий натр, который концентрируют и направляют потребителю. Какими же свойствами они должны обладать? ЕСЛИ ВКЛЮЧИТЬ АКТИВНЫЕ ГРУППЫ Прежде всего, как я уже говорил, мембраны не должны позволять газам и растворам смешиваться Кроме того, поскольку перегородкам приходится работать в жестких условиях воздействия концентрированных щелочей и кислот, нагретых до 100°С, они должны быть химически и термически стойкими. Для того чтобы получить концентрированные растворы щелочи с большим, как говорят электрохимики, выходом по току (отношением готового каустика к теоретически возможному), нужны высокоселективные мембраны, не пропускающие к катоду анионы. А высокая механическая прочность и ионная проводимость? Без них мембрану нельзя использовать в электрохимических процессах. Ясно, что получить пленку с такими необычными свойствами из обычных углеводородных полимеров — полиэтилена, полистирола и других — невозможно, ибо они в жестких условиях эксплуатации тут же разрушатся. А между тем есть высокомолекулярные соединения, фторопласты, которые выдерживают воздействие очень агрессивных сред и высокой температуры. Что, если ввести в структуру фторопластов ионообменные группы и попытаться изготовить из такого материала мембраны для электролиза? В этом направлении и стали работать исследователи. В середине 60-х годов им удалось синтезировать фторированные полимеры с ионообменными группами двух типов: сульфокислотными и карбоксильными. Начали проводить с ними эксперименты. И что же обнаружилось? Мембраны, содержащие группы первого типа, имели низкое электросопротивление и селективность. У полимеров с группами второго типа, напротив, сопротивление току было высоким, но зато селективность превосходная — с их помощью можно получать щелочь, концентрация которой составляет 30—35%; а выход по току — 92— 95%. Обратив внимание на то, что свойства одного материала прекрасно дополняют свойства другого, специалисты стали совмещать их в одной мембране. Сейчас за рубежом выпускают так называемые дублированные мембраны, состоящие из поддерживающего слоя сульфополимера толщиной 100—150 мкм и из барьерного, карбоксильного толщиной 20— 40 мкм. Первый обеспечивает прочность мембранного материала, второй — селективность Мы также ведем работы в этом направлении. Получение фторированных мембран — сложный многостадийный процесс, включающий стадию сопо-лимеризации целого ряда мономеров, среди которых по крайней мере один содержит ионообменные группы, этап переработки полимеров в пленке нужной толщины, а также дублирование и армирование. О последней операции поговорим подробнее. ПЛЕНКА ПЛЮС ТКАНЬ Фторированные полимерные мембраны — это листы толщиной 100—200 мкм, и площадью в несколько квадратных метров. Прочность их, составляющая 2— 5 кг/мм2, не обеспечивает их надежной работы в промышленных электролизерах. Необходимо упрочнить пленочную систему — армировать ее. Причем армирующий материал должен быть не только механически прочным, но и химически стойким к агрессивным средам. Кроме того, он не должен «перекрывать» рабочую поверхность мембраны, чтобы не мешать проходу катионов. Поэтому арми-ровку изготавливают в виде редкой сетки, сплетенной из волокон толщиной 100—130 мкм. Над ее созданием работает коллектив Всесоюзного научно-исследовательского института искусственного волокна в Ленинграде — наш давний партнер. Здесь разработаны волокна из фторопласта и политетрафторэтилена, которые в 6—10 раз прочнее мембранной пленки. Так что сетка, сплетенная из них особым образом, для мембраны — надежная опора. Ионообменные мембраны можно использовать не только для электролиза поваренной соли, но и соляной и серной кислот, а также сульфата натрия. Чрезвычайно перспективен, на мой взгляд, процесс получения водорода мембранным электролизом воды. Эти мембраны — прекрасные сепараторы в топливных элементах, химических источниках тока, аккумуляторах. Обладая сильнокислотными свойствами, они являются превосходными катализаторами многих химических реакций. Уверен, что это далеко не полный перечень возможных сфер применения ионообменных мембран. У них, безусловно, большое будущее 8 |
