Разработка методов получения асимметричных трековых мембран для проведение исследований селективного разделения солей металлов в растворах под действием электрических полей
|
РЕФЕРАТ 1
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1 Трековые полимерные мембраны 8
1.2 Потери энергии и пробег ускоренных ионов в полимерной плёнке 9
1.3 Формирование латентных треков в полимерах при облучении заряженных
частиц и методы их исследования 10
1.3.1 Ассиметричные трековые мембраны 12
1.3.2 Одностороннее травление облученной пленки 12
1.3.3 Ассиметричные трековые мембраны, получаемые методом двустороннего
травления 13
1.4 Методы модификации поверхности полимерных мембран 13
1.5 Механизм электромембранного разделения неорганических растворов при
действии внешних электрических полей 15
1.5.1 Массоперенос через мембраны 16
1.5.2 Погрешности при измерении электрической проводимости 17
2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 19
2.1 Исходный полимерный материал 19
2.2 Выбор метода реактивного магнетронного распыления 19
2.3 Выбор материала катода для магнетронного распыления на поверхность
ПЭТФ ТМ 21
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 22
3.1 Вычисление потерь энергий и пробегов ионов 40Дг8+ в полимере ПЭТФ 22
3.2 Получение латентных треков в ПЭТФ пленке с помощью циклотрона типа
Р-7М 24
3.3 Формирование сквозных пор в облученной пленке 25
3.4 Методика магнетронного нанесения диоксидов на поверхность ТМ
матрицы 27
3.5 Разработка лабораторной установки для получения ассиметричных
трековых мембран 28
3.6 Определение характеристик мембран и растворов 30
3.6.1 Определение количества полимера, осажденного на мембране 30
3.6.2 Определение плотности пор 30
3.6.3 Измерение толщины и силы трения мембран 31
3.6.4 Измерение краевого угла смачивания водой 31
3.6.5 Титриметрический метод 32
3.7 Исследование морфологии поверхности ТМ и фазового состава нанесенных
пленок до фильтрации и после растворов 33
3.8 Исследования оптических и электрофизических свойств растворов солей
металлов после разделения 34
3.9 Исследование процесса электромембранного разделения ионов CaCl2 и
MgCl2 в растворе с помощью асимметричной трековой мембраны 35
4 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ 36
4.1 Исследование процесса осаждения слоя полимера, образованного при
магнетронном распылении на поверхности мембран 36
4.2 Исследование гидрофильности поверхности модифицированных мембран и
структуры оксидов, синтезированных при магнетронном распылении 39
4.3 Оптические и электрофизические свойства растворов солей металлов после
разделения 41
4.4 Измерение вольт-амперных характеристик мембран 42
6 Социальная ответственность 45
6.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 45
6.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней опасного и
вредного воздействия и устранению их влияния при работе на электроустановке и ПЭВМ 47
6.2.1 Организационные мероприятия 47
6.2.2 Технические мероприятия 48
6.2.3 Условия безопасной работы 50
6.3 Химическая безопасность
6.4 Электробезопасность 54
6.5 Пожарная и взрывная безопасность 57
ВЫВОДЫ 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63
ПРИЛОЖЕНИЕ А_ STUDY OF SEMICONDUCTING PROPERTIES OF ASYMMETRIC TRACK MEMBRANES FOR SELECTIVE SEPARATION OF METAL SALTS IN SOLUTION UNDER THE INFLUENCE OF
ELECTRIC FIELDS 67
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 81
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1 Трековые полимерные мембраны 8
1.2 Потери энергии и пробег ускоренных ионов в полимерной плёнке 9
1.3 Формирование латентных треков в полимерах при облучении заряженных
частиц и методы их исследования 10
1.3.1 Ассиметричные трековые мембраны 12
1.3.2 Одностороннее травление облученной пленки 12
1.3.3 Ассиметричные трековые мембраны, получаемые методом двустороннего
травления 13
1.4 Методы модификации поверхности полимерных мембран 13
1.5 Механизм электромембранного разделения неорганических растворов при
действии внешних электрических полей 15
1.5.1 Массоперенос через мембраны 16
1.5.2 Погрешности при измерении электрической проводимости 17
2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 19
2.1 Исходный полимерный материал 19
2.2 Выбор метода реактивного магнетронного распыления 19
2.3 Выбор материала катода для магнетронного распыления на поверхность
ПЭТФ ТМ 21
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 22
3.1 Вычисление потерь энергий и пробегов ионов 40Дг8+ в полимере ПЭТФ 22
3.2 Получение латентных треков в ПЭТФ пленке с помощью циклотрона типа
Р-7М 24
3.3 Формирование сквозных пор в облученной пленке 25
3.4 Методика магнетронного нанесения диоксидов на поверхность ТМ
матрицы 27
3.5 Разработка лабораторной установки для получения ассиметричных
трековых мембран 28
3.6 Определение характеристик мембран и растворов 30
3.6.1 Определение количества полимера, осажденного на мембране 30
3.6.2 Определение плотности пор 30
3.6.3 Измерение толщины и силы трения мембран 31
3.6.4 Измерение краевого угла смачивания водой 31
3.6.5 Титриметрический метод 32
3.7 Исследование морфологии поверхности ТМ и фазового состава нанесенных
пленок до фильтрации и после растворов 33
3.8 Исследования оптических и электрофизических свойств растворов солей
металлов после разделения 34
3.9 Исследование процесса электромембранного разделения ионов CaCl2 и
MgCl2 в растворе с помощью асимметричной трековой мембраны 35
4 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ 36
4.1 Исследование процесса осаждения слоя полимера, образованного при
магнетронном распылении на поверхности мембран 36
4.2 Исследование гидрофильности поверхности модифицированных мембран и
структуры оксидов, синтезированных при магнетронном распылении 39
4.3 Оптические и электрофизические свойства растворов солей металлов после
разделения 41
4.4 Измерение вольт-амперных характеристик мембран 42
6 Социальная ответственность 45
6.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 45
6.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней опасного и
вредного воздействия и устранению их влияния при работе на электроустановке и ПЭВМ 47
6.2.1 Организационные мероприятия 47
6.2.2 Технические мероприятия 48
6.2.3 Условия безопасной работы 50
6.3 Химическая безопасность
6.4 Электробезопасность 54
6.5 Пожарная и взрывная безопасность 57
ВЫВОДЫ 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63
ПРИЛОЖЕНИЕ А_ STUDY OF SEMICONDUCTING PROPERTIES OF ASYMMETRIC TRACK MEMBRANES FOR SELECTIVE SEPARATION OF METAL SALTS IN SOLUTION UNDER THE INFLUENCE OF
ELECTRIC FIELDS 67
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 81
Изучению свойств композитных мембран, в частности, бислойных мембран, особенностью строения которых является наличие двух слоев с различными по химической структуре и свойствам функциональными группами, в последнее время уделяется значительное внимание. Так, к бислойным мембранам относятся биологические мембраны, мембраны с модифицированной поверхностью, ионитовые мембраны, состоящие из двух катионитовых или двух анионитовых слоев различной природы, а также биполярные мембраны, состоящие из двух слоев с антиполярной проводимостью. Главной отличительной особенностью таких мембран является анизотропия их структуры и физико-химических свойств, что приводит к эффектам асимметрии транспортных свойств. Наибольший интерес вызывает изучение свойств биполярных мембран (БМ). Это связано с рядом их уникальных свойств. Так, при определенной ориентации в электрическом поле БМ генерируют ионы H+ и OH”, что позволяет использовать их для получения кислот и щелочей, а также для осуществления других химических превращений с участием ионов водорода и гидроксила [1].
Для БМ [2], характерно присутствие катионов в катионообменных и анионообменных слоях, что приводит впоследствии к загрязнению получаемых продуктов ионами соли [4]. Изменяя толщины монополярных слоев БМ, возможно управлять данным процессом [2]. Мембраны, с различными катиона- и анионообменными слоями будет называть асимметричными биполярными мембранами (АСБМ). При нанесении на поверхность полимерной мембраны слой антиполярного ионполимера позволяет сохранить проницаемость и способность разлагать воду [1, 2]. Достоинством АСБМ является вероятность регулирования функциями транспорта ионов солей и образование продуктов при диссоциации воды при этом подбирая толщины одного из слоёв, составляющих АСБМ.
Наличие у АСБМ [4] выпрямляющих свойств приводит к созданию на их основе полупроводниковых устройств. Способность [3] селективно пропускать ионы в зависимости от знака и величины заряда делает возможным их использование при создании различного рода химических сенсоров[5, 6]. Поэтому несомненный интерес представляет разработка новых методов [7] получения АСБМ и усовершенствования уже известных [8-10].
Цель работы: разработка методов получения асимметричных трековых мембран для проведение исследований селективного разделения солей металлов в растворах под действием электрических полей..
В соответствии с поставленной целью было необходимо провести следующие исследования:
1. Изучить основные закономерности процессов химического травления пленок полиэтилентерефталата облученного ускоренными тяжелыми ионами аргона
2. Исследовать режимы травления треков и определить оптимальные условия для избирательного травления сквозных треков в пленках полиэтилентерефтиалата.
3. Получить экспериментальные образцы полиэтиленфталатных трековых мембран с цилиндрическими и асимметрическими порами, и изучить их селективные свойства
4. Изучить влияние оксидных слоев на селективные свойства трековых мембран при разделении растворов солей
Для БМ [2], характерно присутствие катионов в катионообменных и анионообменных слоях, что приводит впоследствии к загрязнению получаемых продуктов ионами соли [4]. Изменяя толщины монополярных слоев БМ, возможно управлять данным процессом [2]. Мембраны, с различными катиона- и анионообменными слоями будет называть асимметричными биполярными мембранами (АСБМ). При нанесении на поверхность полимерной мембраны слой антиполярного ионполимера позволяет сохранить проницаемость и способность разлагать воду [1, 2]. Достоинством АСБМ является вероятность регулирования функциями транспорта ионов солей и образование продуктов при диссоциации воды при этом подбирая толщины одного из слоёв, составляющих АСБМ.
Наличие у АСБМ [4] выпрямляющих свойств приводит к созданию на их основе полупроводниковых устройств. Способность [3] селективно пропускать ионы в зависимости от знака и величины заряда делает возможным их использование при создании различного рода химических сенсоров[5, 6]. Поэтому несомненный интерес представляет разработка новых методов [7] получения АСБМ и усовершенствования уже известных [8-10].
Цель работы: разработка методов получения асимметричных трековых мембран для проведение исследований селективного разделения солей металлов в растворах под действием электрических полей..
В соответствии с поставленной целью было необходимо провести следующие исследования:
1. Изучить основные закономерности процессов химического травления пленок полиэтилентерефталата облученного ускоренными тяжелыми ионами аргона
2. Исследовать режимы травления треков и определить оптимальные условия для избирательного травления сквозных треков в пленках полиэтилентерефтиалата.
3. Получить экспериментальные образцы полиэтиленфталатных трековых мембран с цилиндрическими и асимметрическими порами, и изучить их селективные свойства
4. Изучить влияние оксидных слоев на селективные свойства трековых мембран при разделении растворов солей
Получены результаты экспериментальных исследований режимов травления на форму и размеры пор полимерных пленок ПЭТФ, облученных на циклотроне ФТИ ТПУ ионами 40Дг8+ с энергией 41 МэВ.
Показано, что проводимость исходной ПЭТФ ТМ в растворах не зависит от направления тока источника.
Созданы экспериментальные образцы композитной трековой мембраны из ПЭТФ пленки с тонкими полупрозрачными слоями оксидов титана и кремния на её поверхности.
Установлено, что нанесение диоксидов на поверхность ТМ приводит к созданию композитной мембраны с асимметрией проводимости. Это связанно, во-первых, с уменьшением диаметра пор, за счет напыления, и во-вторых, возникновением межфазной границы раздела между поверхностью ТМ и слоем оксида.
Проведены исследования разделения растворов СаС12 и MgC12 через композитную ТМ при приложении электрического поля.
Установлено, что скорость ионов магния зависит от полярности электролита. Из экспериментальных результатов определен коэффициент разделения равный 1,0.
По результатам исследований при выполнении магистерской диссертации опубликовано 7 статей в отечественных журналах реферируемых в РИНЦ, сделано 6 докладов на научно - практических и международных конференциях, отмеченных дипломами 1 и 3 степени.
Показано, что проводимость исходной ПЭТФ ТМ в растворах не зависит от направления тока источника.
Созданы экспериментальные образцы композитной трековой мембраны из ПЭТФ пленки с тонкими полупрозрачными слоями оксидов титана и кремния на её поверхности.
Установлено, что нанесение диоксидов на поверхность ТМ приводит к созданию композитной мембраны с асимметрией проводимости. Это связанно, во-первых, с уменьшением диаметра пор, за счет напыления, и во-вторых, возникновением межфазной границы раздела между поверхностью ТМ и слоем оксида.
Проведены исследования разделения растворов СаС12 и MgC12 через композитную ТМ при приложении электрического поля.
Установлено, что скорость ионов магния зависит от полярности электролита. Из экспериментальных результатов определен коэффициент разделения равный 1,0.
По результатам исследований при выполнении магистерской диссертации опубликовано 7 статей в отечественных журналах реферируемых в РИНЦ, сделано 6 докладов на научно - практических и международных конференциях, отмеченных дипломами 1 и 3 степени.