XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ионообменные мембраны. Синтез. Проблемы синтеза. Решение проблем.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Ионообменные мембраны используются повсеместно, в промышленности, в медицине, в очистке воды,в электролизе, и много других сфер где широко используются мембраны, ярким примером использования мембран является кстракорпоральная мембранная оксигенация. Забегая вперед, хочется сказать что мы получили либо новый материал, либо новый метод синтеза уже известного материала.
В общем мембраны имеют большой спектр применения и очень важны.
Цель работы: Синтезировать абсолютно новую мембрану, либо найти более легкий способ синтеза мембраны, подходящий для промышленных масштабов.
Задачи:
- изучить литературу об мембранах
- выяснить принцип работы ионообменных мембран, изучить полимерный синтез
- рассмотреть эффективность полученной мембраны.
Предмет исследования: синтез новой ионообменной мембраны.
Объект исследования: ионообменная мембрана
Методы исследования: изучение научной литературы по проблеме, анализ, практический синтез.
Актуальность работы: Актуальность обусловлена ростом промышленности и надобность ионообменных мембран в промышленности, медицине а так же при очистке воды.
ГЛАВА 1
1. Теоретическое обоснование
1. 1. Полимеры.Полимеризация
Полимер - вещество состоящее из мономерных цепей. Процесс образования полимера называют полимеризацией, так же разделяют два вида полимеризации, но отличаются они принципиально, полимеризация и поликонденсация, в полимеризации к активному центру присоединяются мономеры, по цепному механизму, в поликонденсации соединяется множество функциональных групп, по ступенчатому механизму. Не будем сильно углубляться в тему, но в нашем случае происходила химическая модификация полимера путем присоединения функциональных групп, то есть полимераналогичное превращение.
Для наших реакций мы взяли полиэтилен(-C2H4-), а как донор функциональной группы мы взяли аминосульфоновую кислоту(NH2SO3H). По нашей первоначальной идеи, у нас сульфон радикал должен прицепится к этилену и полимеризоваться, но здесь возможно две реакции, то есть и присоединение аммониевого радикала или присоединение сульфон радикала, в дальнейшем это стало сильной проблемой ведь мы до конца не понимаем какая формула у нашей мембраны, согласно одному предположению у нас новый материал, согласно другому у нас очень легкий синтез второго,уже известного вещества. Новое вещество это полиэтиленсульфон, уже известное полиэтиленамин. Данный вопрос рассмотрим в одной из следующих глав.
1.2. Проблема Фаулинга.
Фаулинг-(от анг: fouling– загрязнение) само слово загрязнение старо как мир, однако в мембраной технологии очень «молодая» проблема, согласно ИЮПАК(международный союз теоретической и прикладной химии) фалинг – это процесс вследствие которого падает производительность мембраны,это возникает из-за осаждения на поверхности и отверстиях мембраны мелких взвешанных или растворенных частиц. Хотя проблема банальная, но крайне трудно решаемая т.к от мелкодисперсных веществ нам никак не скрыться, в мембрану заложить «антифаулинговые» свойства мы никак не можем, но можем использовать фаулинговый ингибитор, вот только проблема в том, что о таких ингибиторах ничего не известно и какие вещества ими являются непонятно, поэтому с фаулингом бороться к сожалению пока никак не возможно
Фаулинг
1. 3. Переработка
В современном мире, мы все чаще и чаще говорим о экологии, это крайне важная тема и если наша мембрана будет использоваться повсеместно в промышленности, медицине или электролизе, то сразу встает вопрос с переработкой уже отработанных мембран, как было выше сказано, падение работоспособности и эффективности неизбежно из-за фаулингового процесса, по-этому в конченом итоге мембрана потеряет свою работоспособность и будет нуждаться в переработке. Мы предлагаем два основных решения проблемы: пиролиз и вторичная переработка, оба способа мы подрнобно разберем ниже.
Пиролиз
Пиролиз представляет из себя термическое разложение соединений, конечной целью которого является получение базовых веществ, то либо мономеров, либо метал и кислотный остаток, в солях, в общем суть в высокотемпературном разложении соединения. По нашей идее в ходе пиролиза должно выделятся два вещества: этилен(-C2H4-) и либо сульфон радикал как газ, либо катион аммония, так же газ. Но для однозначного результата требуется более глубокий прикладной анализ.
Вот что получалось при гидролизе другого полимера, далеко не лучший выход из-за обильного количества копоти.
Вторичная переработка
Самое популярное в нынешнее время решение для пластиков, мы так же предлагаем вторично использовать мембрану как упаковочную пленку, предварительно очистив ее, и использовать ее для упаковки продукции, просто как пакет, или же как обертка для хозтоваров,т.к пленка обладает высокой химической стойкостью и хорошей плотностью.
Так же можно попробовать вернуть мембране прежние качества, то есть проделать ту же реакцию, что и использовалась для синтеза, тем самым вернуть ее первоначальные качества.
Таким образом можно найти много примеров применения и мембрана может в дальнейшем служить почти чем угодно.
1. 4. Как проверить результат.
После синтеза, возникает главная проблема – получили ли мы то, что нам нужно, и что мы вообще получили. Сначала мы проверяли мембрану на химическую стойкость, она выдерживает и кислоты и основания, а что самое главное воздействие солей, т.к мембрана должна будет использоваться в том числе в очистке воды. Мембрана химически стойка. Так же встал вопрос - получили ли мы именно ионообменную мембрану, мы долго думали как это проверить и решили проверить электролизом.
Но вслед за положительным результатом на проверку ионообменности, встал вопрос о том какая это мембрана, катионообменная или анионообменная, к большому сожалению, мы не придумали как это сделать, для этого требуется более тонкий лабораторный анализ, но это является лишь временной проблемой, и является наоборот перспективой на развитие проекта. Так же мы решили сравнить обычный полиэтилен и нашу мембрану под микроскопом.
Глава 2
2.1. Синтез.Выяснение катализаторов
В практической части мы рассмотрим реакцию, её условия, катализаторы и результаты.
И так, сначала мы провели реакцию, смешали аминосульфоновую кислоту и полиэтилен, реакция проводилась на протяжении 30 минут при 120 градусах и нормальном атмосферном давлении. в итоге получили помутневший полиэтилен.
- процесс синтеза
Таким образом мы поняли, что для синтеза мембраны нужны: 120 градусов для аминосульфоновой кислоты и полиэтилен. Так же мы выяснили что такой способ синтеза является инновационным ибо нет ни патентов, ни одной научной работы с похожим процессом синтеза. Осталось выяснить катализаторы. Вот наш конечный результат
Как выяснить катализатор?
Это является одним из основных вопросов. Выяснили катализаторы мы в лоб, перебирая их, понятное дело что всех не переберешь но были сделаны первичные выводы. В исследовании участвовали несколько катализаторов это : железо(Fe),медь(Cu), оксид меди(CuO), большее количество рассмотреть мы не смогли, но хотели бы провести более глубокую работу.
- процесс выяснения катализатора
В ходе исслеодования катализаторов было выяснено что лучший катализатор – оксид меди(CuO).
2.2. Проверка результата
Как было описано в главе 1.4 проверяться результат будет двумя способами: один это проверка при электролизе, то есть напрямую, работает или нет мембрана. И анализ под микроскопом. Так же был сделан ряд небольших исследований на проверку химической стойкости и ее свойств.
Начнем с электролиза мембрана должна пропускать ионы, по сути ток, сначала мы проверили обычный полиэтилен, с ним, как с мембраной.
При использовании полиэтилена как мембраны, электролиз не шел
- то как работает мембрана в данном случае протонообменная.
Проверив нашу мембрану, электролиз шел, что являеться крайне положительным результатом.
- процесс электролиза с мембраной
Проверка под микроскопом
Тут все было очень просто, мы просто положили сначала полиэтилен, а потом нашу мембрану под микроскоп и получили положительный результат. Изменение структуры на лицо.
Обычный полиэтилен
Наша мембрана
3. Заключение.
В итоге мы получили ионообменную мембрану крайне простым способом синтеза, который подойдет под промышленный синтез.Но с другой стороны появилось много других вопросов, требующих более глубокого анализа, недоступного нам, какая формула у полученного вещества? Новое ли это вещество или просто крайне простой синтез уже известного вида мембран. Но это является лишь перспективой развития проекта.
Выводы:
В ходе проекта мы получили то что хотели и сделали все что хотели но появилось много вопросов требующих глубокого анализа. Проект имеет большой потенциал развития ведь это очень дешевый способ производства ионообменных мембран.
Список литературы
-
Мембраны и мембранные технологии,2022,Т.12 /П. Ю. Апель , С. Велизаров , А. В. Волков, Т. В. Елисеева, В. В. Никоненко, А. В. Паршина , Н. Д. Письменская , К. И. Попов , А. Б. Ярославцев – 81-106стр
-
Полимеризация презентация// авторство не указано
-
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН С ОРГАНИЧЕСКИМИ И НЕОРГАНИЧЕСКИМИ ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ / Порожный Михаил Владиславович