РЕОЛОГИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ В ПРИСУТСТВИИ МЕМБРАНЫ НАФИОН Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

2024

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Устный доклад

РЕОЛОГИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ В ПРИСУТСТВИИ

МЕМБРАНЫ НАФИОН

Задорожный E.H.,12 Тимченко С.Л.,1 Новаковская Ю.В.3

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2-я Бауманская, S стр.1, 1QSQS Москва, Россия; 2 Центр Прикладной физики, 2-я Бауманская, S стр.1, 1QSQS Москва, РоссияЗ; 3 МГУ им. М.В. Ломоносова, Ленинские горы, 1/3, Москва, 119991 Россия e-mail: [email protected] (E.N.Z), [email protected] (S.L.T), [email protected] (Yu.V.N.)

Экспериментально исследовано влияние протонообменной полимерной мембраны Нафион на коэффициент поверхностного натяжения (КПН) водных растворов, двух форм метиленового синего (MC) и аскорбиновой кислоты (АСК), приготовленных на деионизованной воде. Свойства мембраны Нафион при ее взаимодействии с водными растворами подробно исследованы в работах [1-3]. Главная перфторуглеродная цепь мембраны является гидрофобной частью полимера. Боковые цепи с сульфогруппами обладают гидрофильными свойствами и способны адсорбировать молекулы воды. Внутри мембраны, при ее вымачивании в воде формируется структура типа цилиндрических мицелл с заполненными водой каналами с размером (2.. .3) нм [1,2]. На поверхности этих каналов происходит диссоциация концевых сульфогрупп полимера по схеме:

R—SOiH + Н20 ** R—SOÎ + НлО+,

и внутренняя поверхность становится отрицательно заряженной. Внутрь каналов эффективно втягиваются катионы [1,2], что используется для пространственного разделения ионов Н+ и ОН- в установках по водородной энергетике. С одной стороны, протонная проводимость полимера зависит от концентрации воды в нем, и проводимость полимера растет с увеличением количества воды внутри мембраны [1]. С другой стороны, морфология и ионообменные свойства мембраны Нафион позволяют использовать ее в качестве матрицы для создания композиционных структур за счет внедрения в нее различных химических элементов [4], для выращивания кристаллов [5].

Экспериментально установлено, что значение КПН деионизованной воды, окисленной (Мс+, раствор голубого цвета) и восстановленной форм МС (МсН0, бесцветный раствор) резко уменьшается на начальном этапе вымачивания мембраны в данных растворах. По сравнению с деионизованной водой, растворы МС, образовавшиеся в процессе диффузии их компонентов в мембрану, имеют меньший КПН: на 20% для Мс+ и на 24% для МсН0. Для раствора АСК (5 г/л) происходит увеличение значения КПН на 15 %.

Наличие узкого временного интервала для процесса существенного изменения значения КПН растворов связано с активными диффузионными переносами ионов в приповерхностной к мембране области и с реорганизацией сетки водородных связей воды. Модельные неэмпирические квантовохимические расчеты подтверждают влияние частичного раскручивания боковых цепей полимера, координирования ими содержащихся в растворе ионов, а также объемного соотношения гидрофильных и гидрофобных фpaгмeнтoв в мoлeкyляpнoй CTpyCType та реологию водных растворов вблизи поверхности мембраны [5]. При контакте мембраны c достаточным количеством молекул воды энергетически выгодным оказывается раскручивание, в пределах 15 Â, боковых цепочек Нафиона, которые заканчиваются сульфогруппами —S03H, а также диссоциации этих групп с формированием ионов гидроксония и структурных анионных остатков —SOj f причем ионные пары SO$ ■ ■ ■ Н$0+ способны координировать как протонодонорные, так и протоноакцепторные частицы.

Литература:

[1] Mauritz, K.A.; Moore, R.B. State of understanding of Nafion. Chem. Rev. 2004, 104, 4535-4585. DOI: 10.1021/cr0207123.

[2] Binghua Chai, Hyok Yoo, and Gerald H. Pollack Effect of Radiant Energy on Near-Surface Water//J. Phys. Chem. B 2009, No. 42, 113, 13953-13958. D0I.org/10.1021/jp908163w.

[3] Ninham, B.W.; Battye, M.J.; Bolotskova, P.N.; Gerasimov, R.Yu.; Kozlov, V.A.; Bunkin, N.F. Nafion: New and Old Insights into Structure and Function. Polymers 2023, 15, 2214. https://doi.org/10.3390/polym15092214

[4] Nikolai F. Bunkin; Polina N. Bolotskova; Yana V. Gladysheva; Valeriy A. Kozlov; Svetlana L. Timchenko. Adsorption of Methylene Blue on the Surface of Polymer Membrane; Dependence on the Isotopic Composition of Liquid Matrix/Polymers 2022, Volume 14, Issue 19, 4007/ https:// doi.org/10.3390/polym14194007

[5] Nikolai F. Bunkin 1, Polina N. Bolotskova, Sergey V. Gudkov, Minh T. Khuong, Valeriy A. Kozlov, Svetlana L. Timchenko, Valeriy V. Voronov and Yulia V. Novakovskaya. Nafion: A Foible Template for Selective Structuring//Polymers 2024, 16, 744. https://doi.org/10.3390/ polym16060744.