Study of the Specific Adsorption of Calcium Ions on the Surface of Heterogeneous and Homogeneous Cation-Exchange Membranes to Increase Their Selectivity towards Singly Charged Ions

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Ion-exchange membranes with high specific selectivity towards singly charged ions are in demand in various industries. One of the ways to increase the specific selectivity can be formation of a thin layer on the membrane surface with a charge opposite to the charge of its fixed groups. The possibility of forming such a layer due to the specific interaction of calcium ions with the sulfonate groups of the membrane during treatment with a high-intensity electric current in a CaCl2 solution is studied. The ability of heterogeneous (MK-40, Ralex CMH) and homogeneous (CMX, CJMC-5) sulfocationite membranes for specific adsorption of calcium ions on their surface is investigated. It is shown that the CMX membrane exhibits this ability to the greatest extent, which is due to the higher density of \( - {\text{SO}}_{3}^{ - }\) groups on its surface compared to other studied membranes. It is found that the formation of a thin positively charged layer on the surface of the CMX membrane increases the permselectivity coefficient of the membrane, \({{P}_{{{{{\text{N}}{{{\text{a}}}^{{\text{ + }}}}} \mathord{\left/
{\vphantom {{{\text{N}}{{{\text{a}}}^{{\text{ + }}}}} {{\text{C}}{{{\text{a}}}^{{{\text{2 + }}}}}}}} \right.} {{\text{C}}{{{\text{a}}}^{{{\text{2 + }}}}}}}}}},\)
by 69%. At the same time, the presence of such a layer does not lead to an increase in undesirable water splitting, which occurs when applying widely used as modifiers polyelectrolytes with amino groups.

About the authors

V. V. Gil

Kuban State University

Author for correspondence.
Email: violetta_gil@mail.ru
Russia, 350040, Krasnodar

V. D. Ruleva

Kuban State University

Email: violetta_gil@mail.ru
Russia, 350040, Krasnodar

M. V. Porozhnyy

Kuban State University

Email: violetta_gil@mail.ru
Russia, 350040, Krasnodar

M. V. Sharafan

Kuban State University

Email: violetta_gil@mail.ru
Russia, 350040, Krasnodar

References

  1. Luo T., Abdu S., Wessling M. // J. Membr. Sci. 2018. V. 555. P. 429–454.
  2. Pang X., Tao Y., Xu Y., Pan J., Shen J., Gao C. // J. Membr. Sci. 2020. V. 595. P. 117544.
  3. Ge L., Wu B., Yu D., Mondal A.N., Hou L., Afsar N.U., Li Q., Xu T., Miao J., Xu T. // Chin. J. Chem. Eng. 2017. V. 25. № 11. P. 1606–1615.
  4. Besha A.T., Tsehaye M.T., Aili D., Zhang W., Tufa R.A. // Membranes. 2019. V. 10. № 1. P. 7.
  5. Zhang Y., Paepen S., Pinoy L., Meesschaert B., Van der Bruggen B. // Sep. Purif. Technol. 2012. V. 88. P. 191–201.
  6. Tran A.T.K., Zhang Y., Lin J., Mondal P., Ye W., Meesschaert B., Pinoy L., Van der Bruggen B. // Sep. Purif. Technol. 2015. V. 141. P. 38–47.
  7. Liu R., Wang Y., Wu G., Luo J., Wang S. // Chem. Eng. J. 2017. V. 322. P. 224–233.
  8. Guo Z.-Y., Ji Z.-Y., Chen Q.-B., Liu J., Zhao Y.-Y., Li F., Liu Z.-Y., Yuan J.-S. // J. Clean. Prod. 2018. V. 193. P. 338–350.
  9. Sata T., Izuo R. // J. Membr. Sci. 1989. V. 45. № 3. P. 209–224.
  10. Kotoka F., Merino-Garcia I., Velizarov S. // Membranes. 2020. V. 10. № 8. P. 160.
  11. Femmer R., Mani A., Wessling M. // Sci. Rep. 2015. V. 5. № 1. P. 11583.
  12. Abdu S., Martí-Calatayud M.-C., Wong, J.E., García-Gabaldón M., Wessling M. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6. № 3. P. 1843–1854.
  13. Цыгурина К.А., Кириченко Е.В., Кириченко К.А. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 1. С. 15–28. [Tsygurina K.A., Kirichenko E.V., Kirichenko K.A. // Membranes and Membrane Technologies. 2022. V. 4. № 1. P. 11–22.]
  14. Mulyati S., Takagi R., Fujii A., Ohmukai Y., Matsuyama H. // J. Membr. Sci. 2013. V. 431. P. 113–120.
  15. Stenina I., Golubenko D., Nikonenko V., Yaroslavtsev A. // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 15. P. 5517.
  16. Vaselbehagh M., Karkhanechi H., Takagi R., Matsuyama H. // J. Membr. Sci. 2015. V. 490. P. 301–310.
  17. White N., Misovich M., Yaroshchuk A., Bruening M.L. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015. V. 7. № 12. P. 6620–6628.
  18. Merino-Garcia I., Kotoka F., Portugal C.A.M., Crespo J.G., Velizarov S. // Membranes. 2020. V. 10. № 6. P. 134.
  19. Zhao Y., Li Y., Yuan S., Zhu J., Houtmeyers S., Li J., Dewil R., Gao C., Van der Bruggen B. J. Mater. Chem. A. 2019. V. 7. P. 6348–6356.
  20. Falina I., Loza N., Loza S., Titskaya E., Romanyuk N. // Membranes. 2021. V. 11. № 3. P. 227.
  21. Güler E., van Baak W., Saakes M., Nijmeijer K. // J. Memb. Sci. 2014. V. 455. P. 254–270.
  22. Lambert J., Avila-Rodriguez M., Durand G., Rakib M. // J. Memb. Sci. 2006. V. 280. № 1–2. P. 219–225.
  23. Pan J., Ding J., Tan R., Chen G., Zhao Y., Gao C., Van der Bruggen B., Shen J. // J. Memb. Sci. 2017. V. 539. P. 263–272.
  24. Zhao Y., Tang K., Liu H., Van der Bruggen B., Sotto Díaz A., Shen J., Gao C. // J. Memb. Sci. 2016. V. 520. P. 262–271.
  25. Khoiruddin Ariono D., Subagjo Wenten I.G. // J. Appl. Polym. Sci. 2017. V. 134. № 48. P. 45540.
  26. Zhao Y., Tang K., Ruan H., Xue L., Van der Bruggen B., Gao C., Shen J. // J. Memb. Sci. 2017. V. 536. P. 167–175.
  27. Zhao Y., Zhu J., Ding J., Van der Bruggen B., Shen J., Gao C. // J. Memb. Sci. 2018. V. 548. P. 81–90.
  28. Zhao Y., Gao C., Van der Bruggen B. // Nanoscale. 2019. V. 11. P. 2264–2274.
  29. Golubenko D.V., Yaroslavtsev A.B. // J. Membr. Sci. 2021. V. 635. P. 119466.
  30. Golubenko D., Yaroslavtsev A. // J. Membr. Sci. 2020. V. 612. P. 118408.
  31. Titorova V.D., Moroz I.A., Mareev S.A., Pismenskaya N.D., Sabbatovskii K.G., Wang Y., Xu T., Nikonenko V.V. // J. Membr. Sci. 2022. V. 644. P. 120149.
  32. Nie X.-Y., Sun S.-Y., Sun Z., Song X., Yu J.-G. // Desalination. 2017. V. 403. P. 128–135.
  33. Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A., Gnusin N.P. // Adv. Colloid Interface Sci. 2008. V. 139. P. 3–28.
  34. Newman J.S. Electrochemical systems. N.J.: Prentice Hall, 1973. 432 p.
  35. Nikonenko V., Nebavsky A., Mareev S., Kovalenko A., Urtenov M., Pourcelly G. // Appl. Sci. 2018. V. 9. № 1. P. 25.
  36. Sata T., Sata T., Yang W. // J. Membr. Sci. 2002. V. 206. № 1–2. P. 31–60.
  37. Pismenskaya N.D., Pokhidnia E.V., Pourcelly G., Nikonenko V.V. // J. Membr. Sci. 2018. V. 566. P. 54–68.
  38. Nebavskaya K.A., Sarapulova V.V., Sabbatovskiy K.G., Sobolev V.D., Pismenskaya N.D., Sistat P., Cretin M., Nikonenko V.V. // J. Membr. Sci. 2017. V. 523. P. 36–44.
  39. Гиль В.В., Порожный М.В., Рыбалкина О.А., Саббатовский К.Г., Письменская Н.Д. // Мембраны и мембранные технологии. 2021. Т. 11. № 5. С. 371–381. [Gil V.V., Porozhnyy M.V., Rybalkina O.A., Sabbatovskiy K.G., Pismenskaya N.D. // Membranes and Membrane Technologies. 2021.V. 3. № 5. P. 334–343.]
  40. Rubinstein I., Zaltzman B. // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. P. 114502.
  41. Mishchuk N.A. // Adv. Colloid Interface Sci. 2010. V. 160. № 1–2. P. 16–39.
  42. Левич В.Г. // Докл. АН СССР. 1959. Т. 124. С. 869–872.
  43. Dukhin S.S. // Adv. Colloid Interface Sci. 1991. V. 35. P. 173–196.
  44. Mishchuk N.A. // Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 1998. V. 140. № 1–3.P. 75–89.
  45. Roghmans F., Evdochenko E., Stockmeier F., Schneider S., Smailji A., Tiwari R., Mikosch A., Karatay E., Kühne A., Walther A., Mani A., Wessling M. // Adv. Mater. Interfaces. 2018. V. 6. P. 1801309.
  46. Никоненко В.В., Мареев С.А., Письменская Н.Д., Узденова А.М., Коваленко А.В., Уртенов М.Х., Пурсели Ж. // Электрохимия. 2017. Т. 53. № 10. С. 1266–1289. [Nikonenko V.V., Mareev S.A., Pis’menskaya N.D., Uzdenova A.M., Kovalenko A.V., Urtenov M.Kh., Pourcelly G. // Russ. J. Electrochem. 2017. 53, 1122–1144.]
  47. Rubinstein I., Zaltzman B. // Phys. Rev. E. 2000. V. 62. P. 2238–2251.
  48. Rubinstein I., Zaltzman B. // Math. Models Methods Appl. Sci. 2001. V. 11. № 2. P. 263–300.
  49. Васильева В.И., Жильцова А.В., Акберова Э.М., Фатаева А.И. // Конденсированные среды и межфазные границы. 2014. Том 16. № 3. С. 257–261.
  50. Ponomar M., Krasnyuk E., Butylskii D., Nikonenko V., Wang Y., Jiang C., Xu T., Pismenskaya N. // Membranes. 2022. V. 12. № 8. P. 765.
  51. Sarapulova V., Shkorkina I., Mareev S., Pismenskaya N., Kononenko N., Larchet C., Dammak L., Nikonenko V. // Membranes. 2019. V. 9. № 7. P. 84.
  52. Güler E., Elizen R., Vermaas D.A., Saakes M., Nijmeijer K. // J. Memb. Sci. 2013. V. 446. P. 266–276.
  53. Simons R. // Nature. 1979. V. 280. P. 824–826.
  54. Заболоцкий В.И., Шельдешов Н.В., Гнусин Н.П. // Успехи химии. 1988. Т. 57. № 6. С. 1403–1414. [Zabolotskii V.I., Shel’deshov N.V., Gnusin N.P. // Russian Chemical Reviews. 1988. V. 57. № 8. P. 801–808.]
  55. Belloň T., Polezhaev P., Vobecká L., Svoboda M., Slouka Z. // J. Membr. Sci. 2019. V. 572. P. 607–618.
  56. Kang M.-S., Choi Y.-J., Moon S.-H. // Korean J. Chem. Eng. 2004. V. 21. P. 221–229.
  57. Zabolotskiy V.I., But A.Y., Vasil’eva V.I., Akberova E.M., Melnikov S.S. // J. Membr. Sci. 2017. V. 526. P. 60–72.
  58. Belloň T., Slouka Z. // J. Membr. Sci. 2020. V. 610. P. 118 291.
  59. Porozhnyy M.V., Shkirskaya S.A., Butylskii D.Y., Dotsenko V.V., Safronova E.Y., Yaroslavtsev A.B., Deabate S., Huguet P., Nikonenko V.V. // Electrochim. Acta. 2021. V. 370. P. 137689.
  60. Gil V., Porozhnyy M., Rybalkina O., Butylskii D., Pismenskaya N. // Membranes. 2020. V. 10. № 6. P. 125.
  61. Belashova E.D., Melnik N.A., Pismenskaya N.D., Shevtsova K.A., Nebavsky A.V., Lebedev K.A., Nikonenko V.V. // Electrochim. Acta. 2012. V. 59. P. 412–423.
  62. Sarapulova V., Pismenskaya N., Butylskii D., Titorova V., Wang Y., Xu T., Zhang Y., Nikonenko V., // Membranes. 2020. V. 10. № 8. P. 165.
  63. Chapotot A., Pourcelly G., Gavach C. // J. Membr. Sci. 1994. V. 96. P. 167–181.
  64. Abdu S., Martí-Calatayud M.-C., Wong J.E., García-Gabaldón M., Wessling M. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6. № 3. P. 1843–1854.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (119KB)
3.

Download (121KB)
4.

Download (117KB)
5.

Download (92KB)
6.

Download (114KB)
7.

Download (70KB)

Copyright (c) 2023 В.В. Гиль, В.Д. Рулева, М.В. Порожный, М.В. Шарафан

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».