Rate Constants of Limiting Stages of Water Molecules Dissociation Reaction in Heterogeneous Bipolar Membranes Containing Catalyst Particles

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

A method for calculating the rate constants of the limiting stages of the water molecules dissociation reaction in generating contacts of heterogeneous bipolar membranes (BPM) containing catalytic additive particles is developed. The method is based on using the equation of the current-voltage characteristic of the bipolar region of a heterogeneous BPM containing generating contacts of two types. For the case when the catalytic additive is a cation exchanger (CE), one of the contacts is formed by CE particles and anion exchanger (AE) particles contained in the BPM layers, and the other by catalytic additive particles and AE particles contained in the BPM layers. The series of the rate constants of the limiting stages of the water molecule dissociation reactions in the studied membranes is consistent with the catalytic activity series, the constants of which are calculated based on the proton transfer reactions between water molecules and ionogenic groups contained in the BPM layers.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. V. Kovalev

Transneft-Terminal JSC

Email: sheld_nv@mail.ru
Russian Federation, Novorossiysk, 37, Lenin Ave., 353913

I. P. Averyanov

Kuban State University

Email: sheld_nv@mail.ru
Russian Federation, Krasnodar, 149, Stavropolskaya St., 350040

T. V. Karpenko

Kuban State University

Email: sheld_nv@mail.ru
Russian Federation, Krasnodar, 149, Stavropolskaya St., 350040

N. V. Sheldeshov

Kuban State University

Author for correspondence.
Email: sheld_nv@mail.ru
Russian Federation, Krasnodar, 149, Stavropolskaya St., 350040

V. I. Zabolotsky

Kuban State University

Email: sheld_nv@mail.ru
Russian Federation, Krasnodar, 149, Stavropolskaya St., 350040

References

  1. Wu Sh., Fu R., Yan J., Wang H., Wang B., Wang Y., Tongwen Xu. // Chem. Eng. J. 2024. Vol. 490. Article 151610.
  2. Fu R., Wang H., Yan J., Li R., Wang B., Jiang Ch., Wang Y., Xu T. // Chem. Eng. J. Sci. 2023. Article 118523.
  3. Chen T., Bi J., Ji Zh., Yuan J., Zhao Y. // Water Res. 2022. Vol. 226. Article 119274.
  4. Herrero-Gonzalez M., Diaz-Guridi P., Dominguez-Ramos A., Irabien A., & Ibañez R. // Sep. Purif. Technol. 2020. Vol. 242. Article 116785.
  5. Tanaka Y. Ed., Ion exchange membranes, Fundamentals and Applications, second Ed., Elsevier Science, 2015. 531 p.
  6. Huang C., Xu T., Zhang Y., Xue Y., Chen G. // J. Membr. Sci. 2007. Vol. 288. P. 1–12.
  7. Пурселли Ж. // Электрохимия. 2002. Т. 38. С. 1026–1033. (англоязычная версия: Pourcelly G. // Russ. J. Electrochem. 2002. Vol. 38. P. 919–926.)
  8. Kemperman A.J.B. Ed., Handbook on Bipolar Membrane Technology, Twente University Press, Enschede. 2000.
  9. Grabowski A., Zhang G., Strathmann H., Eigenberger G. // Sep. Purif. Techn. 2008. Vol. 60. P. 86–95.
  10. Заболоцкий В.И., Утин С.В., Лебедев К.А., Василенко П.А., Шельдешов Н.В. // Электрохимия. 2012. Т. 48. №. 7. С. 842. (англоязычная версия: Zabolotskii V.I., Utin S.V., Lebedev K.A., Vasilenko P.A., Shel’deshov N.V. // Russ. J. Electrochem. 2012. Vol. 48. P. 767–772.)
  11. Егоров Е.Н., Свитцов А.А., Дудник С.Н., Демкин В.И. // Мембраны и мембранные технологии. 2012. Т. 2. С. 198–208. (англоязычная версия: Egorov E.N., Svittsov A.A., Dudnik S.N., Demkin V.I. // Membranes and membrane technologies. 1988. Vol. 57. P. 198–208. (in Russian))
  12. Свитцов А.А., Салтыков Б.В. // Тез. док. Международной конференции, посвященной 90-летию со дня рождения академика Б.А. Пурина, Москва: РХТУ им. Д. И. Менделеева. 2018. С. 111. (англоязычная версия: Svittsov A.A., Saltykov B.V. // In: Conference Proceedings of International conference dedicated to the 90th anniversary of the birth of academician B.A. Purina, Moscow: RKhTU im. D. I. Mendeleev. 2018. P. 111. (in Russian))
  13. Limited Liability Company United Chemical Company “SHCHEKINOAZOT”; http://n-azot.ru/product/heterogeneous-ion-exchange-membranes? lang=EN.
  14. Гребень В.П., Пивоваров Н.Я., Коварский Н.Я., Косякова И.Г., Гнусин Н.П., Заболоцкий В.И., Шельдешов Н.В., Нефедова Г.З. и Фрейдлин Ю.Г. Пат. СССР № 745193 // Бюл. изобр. 1980. № 14. (Greben V.P., Pivovarov N.Ya., Kovarsky N.Ya., Kosyakova I.G., Gnusin N.P., Zabolotsky V.I., Sheldeshov N.V., Nefedova G.Z. and Freidlin Yu.G. Pat. SU № 745193 // Byull. Izobret. 1980. № 14. (in Russian))
  15. Simons R.A. // J. Membr. Sci. 1993. Vol. 82. P. 65.
  16. Kang M.S. // Korean J. Chem. Eng. 2002. Vol. 19. P. 99.
  17. Мельников С.С., Шаповалова О.В., Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И. // Мембраны и мембранные технологии. 2011. Т. 1. № 2. С. 149. (англоязычная версия: Melnikov S.S., Shapovalova O.V., Sheldeshov N.V., Zabolotskii V.I. // Petr. Chem. 2011. Vol. 51. P. 577.)
  18. Wang Q., Wu B., Jiang C., Wang Y., Xu T. // J. Membr. Sci. 2017. Vol. 524. P. 370.
  19. Sheldeshov N.V., Zabolotsky V.I., Kovalev N.V., Karpenko T.V. // Sep. Purif. Technol. 2020. Vol. 241. article 116648.
  20. Гребень В.П., Пивоваров Н.Я., Коварский Н.Я., Нефедова Г.З. // Журн. физич. химии. 1978. Т. 52. № 10. С. 2641–2645. (англоязычная версия: Greben’ V.P., Pivovarov N.Ya., Kovarsky N.Ya., Nefedova G.Z. // Zh. Fiz. Khim. 1978. Vol. 52. P. 2641–2645. (in Russian))
  21. Simons R. // Nature. 1979. Vol. 280. P. 824–826.
  22. Simons R. // Electrochim. Acta. 1984. Vol. 29. P. 151–158.
  23. Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И., Письменская Н.Д., Гнусин Н.П. // Электрохимия. 1986. Т. 22. № 6. С.791–795. (англоязычная версия: Sheldeshov N.V.; Zabolotskii V.I.; Pismenskaya N.D.; Gnusin N.P. // Sov. Electrochem. 1986. Vol. 22. P. 742–746.)
  24. Тимашев С.Ф., Кирганова Е.В. // Электрохимия. 1981. Т. 17. № 3. С. 440. (англоязычная версия: Timashev S.F., Kirganova E.V. // Sov. Electrochem. 1981. Vol. 17. P. 366.)
  25. Кирганова Е.В. Тимашев С.Ф., Попков Ю.М. // Электрохимия. 1983. Т. 19. № 7. С. 978. (англоязычная версия: Kirganova E.V., Timashev S.F., Popkov Y.M. // Sov. Electrochem. 1983. Vol. 19. № 7. P. 876.)
  26. Тимашев С.Ф. // Докл. АН СССР. 1985. Т. 285. С. 1419–1423. (англоязычная версия: Timashev S.F. // Dokl. Academy of Sciences of the USSR. 1985. Vol. 285. P. 1419–1423. (in Russian))
  27. Умнов В.В., Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И. Вольтамперная характеристика области пространственного заряда биполярной мембраны // Электрохимия. 1999. Т. 35. № 8. С. 982–990. (англоязычная версия: Umnov V.V., Shel’deshov N.V., Zabolotskii V.I. Current–voltage curve for the space charge region of a bipolar membrane // Russ. J. Electrochem. 1999. Vol. 35. P. 871–878.)
  28. Faqeeh A.H, Symes M.D. // Electrochim. Acta. 2024. Vol. 493. Article 144345.
  29. Oener S. Z., Foster M. J., & Boettcher S. W. // Science. 2020. Vol. 369(6507). P. 1099–1103.
  30. Liu X., Liang J., Song X., Yang H., Li X., Dai H., Song Y., Liu Y., Hu J., Pan X., OuYang X., Liang Z. // Chem. Eng. J. 2018. Vol. 337. P. 560–566.
  31. Пивоваров Н.Я., Голиков А.П., Гребень В.П. // Электрохимия. 1997. Т. 33 № 5. С. 582–589. (англоязычная версия: Pivovarov N.Ya., Golikov A.P., Greben’ V.P. // Russ. J. Electrochem. 2001. Vol. 37. P. 808–818.)
  32. Ковалев Н.В., Карпенко Т.В., Шельдешов Н.В., Заболоцкий В.И. // Мембраны и мембранные технологии. 2021. Т. 11. С. 263–278. (англоязычная версия: Kovalev N.V., Karpenko T.V., Sheldeshov N.V. and Zabolotsky V.I. Membranes and Membrane Technologies. 2021. Vol. 3. P. 231–244.)
  33. Нефедова Г.З., Климова З.Г., Сапожникова Г.С. Ионитовые мембраны. Грануляты. Порошки: каталог. М.: НИИТЭХИМ, 1977. (англоязычная версия: Nefedova G.Z., Klimova Z.G., Sapozhnikova G.S. Ionite membranes. Granulates. Powders: catalogue. M.: NIITEKHIM, 1977. (in Russian)).
  34. ООО Объединенная химическая компания “Щекиноазот”; http://n-azot.ru/product/geterogennye-ionoobmennye-membrany?lang=RU
  35. MEGA Group; RALEX® electro separation membranes. Bipolar membranes RALEX® BM: roll/sheet/EDBM; https://www.mega.cz/membranes/
  36. ГОСТ 20298-74 Ионообменные смолы. Катиониты. М.: Издательство стандартов. 1991. С. 8. (англоязычная версия: GOST 20298-74 Ion-exchange resins. Cationites. Technical conditions (with Changes N 1-5). 1976. P. 8.)
  37. ГОСТ 20301-74 Ионообменные смолы. Аниониты. М.: Издательство стандартов. 1991. С. 9, 13. (англоязычная версия: GOST 20301-74 Ion-exchange resins. Anionites. Technical conditions (with Changes N 1-5). 1976. Pp. 9, 13.
  38. Семушин A.M., Яковлев В.A., Иванова Е.В. Инфракрасные спектры поглощения ионообменных материалов: справочное пособие. Л.: Химия, 1980. 96 с. (англоязычная версия: Semushin A.M., Yakovlev V.A., Ivanova E.V. Infrared absorption spectra of ion-exchange materials: a reference guide. L.: Khimia, 1980. 96 p.)
  39. Васильева В.И., Письменская Н.Д., Акберова Э.М., Небавская К.А. / Журнал физической химии. 2014. Т. 88. № 7–8. С. 1114–1120. (англоязычная версия: Vasil’Eva V.I., Akberova E.M., Pismenskaya N.D., Nebavskaya K.A. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2014. Vol. 88. P. 1293-1299.)
  40. Заболоцкий В.И., Шельдешов Н.В., Гнусин Н.П. // Успехи химии. 1988. Т. 57. № 8. С. 801. (англоязычная версия: Zabolockij V.I., Shel’deshov N.V., Gnusin N.P. // Uspekhi Himii. 1988. Vol. 57. P. 801. (in Russian)).
  41. Гребень В. П., Коварский Н.Я. // Журнал физической химии. 1978. Т. 52. № 9. С. 2304–2307. (англоязычная версия: Greben V.P., Kovarsky N.Ya. // Russ. J. Phys. Chem. 1978. Vol. 52. P. 2304–2307. (in Russian))

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Structural model of the bipolar region (a) of heterogeneous BPM containing a catalytic additive (is a cation exchanger) and types of contacts (b) formed in the bipolar region. 1 - contact of particles of cation exchanger and anion exchanger (generating contact of the first type); 2 - contact of particles of catalytic additive and anion exchanger (generating contact of the second type); 3 - contact of particles of catalytic additive and cation exchanger; 4 - contact of particles of catalytic additive.

Download (279KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Frequency spectra of electrochemical impedance of bipolar membranes MB-1, aMB-2 and MBm at a DC density of 0.88 A/dm2 and a temperature of 25°C in the system 0.1 M HNO3 | 0.1 M NaOH; membrane MB-3 at a DC density of 0. 88 A/dm2 and temperature 4°C in a 0.01 mol-eq/L H2SO4 | 0.01 mol-eq/L NaOH system; MB-2 membranes at a DC density of 0.66 A/dm2 and temperature 25°C in a 0.01 mol-eq/L H2SO4 | | 0.01 mol-eq/L NaOH system.

Download (111KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Bipolar resistance dependence of the studied heterogeneous bipolar membranes MB-1, aMB-2 and MBm at 25°C in the system 0.1 M HNO3 | 0.1 M NaOH; membrane MB-3 at 4°C in the system 0.01 mol-eq/l H2SO4 | 0. 01 mol-eq/l NaOH; MB-2 membranes at 25°C in the system 0.01 mol-eq/l H2SO4 | 0.01 mol-eq/l NaOH from current density (a) and partial overvoltage voltammetric characteristics of the bipolar region of bipolar membranes (b).

Download (151KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of κhet of the bipolar region of BPM on the mass of the catalytic additive introduced into the membrane and overvoltage of the bipolar region. Dots - experimental values; line - calculation by equation (12), at m* = 0.12.

Download (81KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».