Effect of feed solution pH on the electrodialysis performance in tartrates recovery

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Resource-saving and environmentally friendly electrodialysis (ED) is finding an increasing number of applications involving the separation and purification of organic acids and the extraction of their anions from wines, juices and biochemical waste products. Gaining information about the transport of these anions, particularly tartaric acid (H2T) anions, is key to improving ED efficiency. In this study, the transport of tartrates across the CJMA-3 anion exchange membrane was investigated using voltammetry, chronopotentiometry and ED experiments. It was shown that when using a NaxH(2–x)T solution with pH 9.0, which contains only doubly charged tartrate anions T2–, the transfer patterns do not differ from those well known for strong electrolytes. If a solution has a pH of 2.5 or 3.0, it contains a mixture of H2T acid molecules and singly charged HT– anions. Upon entering the membrane, HT– anions dissociate. Protons are excluded from the depleted solution by the Donnan effect, and the resulting doubly charged T2– anions are transported through CJMA-3. A decrease in the concentration of HT– in the near-membrane depleted solution stimulates the irreversible dissociation of H2T. Under the influence of an electric field, protons are removed from the reaction zone and move into the solution, and anions into the membrane. Therefore, the transfer of tartrates through the anion exchange membrane occurs even if the feed solution mainly contains acid molecules. The implementation of these mechanisms causes empirical limiting currents to exceed theoretical limiting currents many times over. The energy consumption for the extraction of 20% tartrates from a 0.022M solution is NaxH(2–x)T 0.22 (pH 9.0), 0.32 (pH 3.0) and 0.57(pH 2.5) kW h/kg. The duration of ED in this case increases in the series: pH 3.0 << pH 9.0 < pH 2.5.

About the authors

О. А. Yurchenko

Kuban State University

Author for correspondence.
Email: olesia93rus@mail.ru
Russian Federation, 350040, Krasnodar

К. V. Solonchenko

Kuban State University

Email: olesia93rus@mail.ru
Russian Federation, 350040, Krasnodar

N. D. Pismenskaya

Kuban State University

Email: olesia93rus@mail.ru
Russian Federation, 350040, Krasnodar

References

  1. Kim N., Jeon J., Chen R., Su X. Chem. Eng. Res. Des., 178, 267–288 (2022). https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.12.009
  2. Igliński B., Kiełkowska U., Piechota G. Clean. Technol. Environ. Policy, 24 (7), 2061–2079 (2022). https://doi.org/10.1007/s10098-022-02316-y
  3. Zhang Y., Pinoy L., Meesschaert B., Van der Bruggen B., AIChE J. 57 (8), 2070 – 2078 (2011). https://doi.org/10.1002/aic.12433
  4. He J.-C., Jia Y.-X., Yan R., Wang M. J. Membr. Sci., 638, 119683 (2021). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119683
  5. Wang Q., Chen G.Q., Lin L., Li X., Kentish S.E. Sep. Purif. Technol., 279, 119739 (2021). https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119739
  6. RózsenberszkiT. , Komáromy P., Hülber-Beyer É., Pesti A., Koók L., Bakonyi P., Bélafi-Bakó K., Nemestóthy N. Chem. Eng. Res. Des., 190, 187–197 (2023). https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.12.023
  7. Liu Y., Sun Y., Peng Z. Desalination, 537, 115866 (2022). https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.115866
  8. Luo Y., Liu Y., Shen J., Van der Bruggen B. Membranes, 12 (9), (2022). https://doi.org/10.3390/membranes12090829
  9. Jeremias J.S.D., Lin J.-Y., Dalida M.L.P., LuM.-C. J. Environ. Chem. Eng., 11 (2), 109336 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.109336
  10. Silva A.F.R., Ribeiro L.A. M.C.S Amaral, Sep. Purif. Technol., 311, 123295 (2023). https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123295
  11. Vecino X., Reig M., Gibert O., Valderrama C., Cortina J.L. ACS Sustain. Chem. Eng., 8 (35), 13387 – 13399 (2020). https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c04166
  12. Andrés L.J., Riera F.A., Alvarez R. J. Chem. Technol. Biotechnol., 70 (3), 247 – 252 (1997). https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4660(199711)70:3<247::AID-JCTB763>3.0.CO;2-8
  13. Renaud V., Houde V.P., Pilon G., Varin T.V., Roblet C., Marette A., Boutin Y., Bazinet L. Int. J. Mol. Sci., 22 (21), 11537 (2021). https://doi.org/10.3390/ijms222111537
  14. Fidaleo M., Ventriglia G. Foods, 11 (12), 1770 (2022). https://doi.org/10.3390/foods11121770
  15. Wang Y., Jiang C., Bazinet L., Xu T. Galanakis, C.M., Ed.; Academic Press: Cambridge, MA, USA, 349–381(2019). https://doi.org/10.1016/b978-0-12-815056-6.00010-3
  16. Liu G., Wu D., Chen G., Halim R., Liu J., Deng H. Sep. Purif. Technol., 263, 118403 (2021). https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118403
  17. Chandra A., Bhuvanesh E.B., Chattopadhyay S. Chem. Eng. Res. Des., 178, 13–24 (2022). https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.11.035
  18. Chandra A., Tadimeti J.G.D., Chattopadhyay S. Chin. J. Chem. Eng., 26 (2), 278–292 (2018). https://doi.org/10.1016/j.cjche.2017.05.010
  19. Chandra A., Chattopadhyay S. Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp., 589, 124395 (2020). https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.124395
  20. Laucirica G., Pérez-Mitta G., Toimil-Molares M.E., Trautmann C., Marmisollé W.A., Azzaroni O. J. Phys. Chem. C, 123, 28997–29007 (2019). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b07977
  21. Liu J., Liang J., Feng X., Cui W., Deng H., Ji Z., Zhao Y. , Guo X., Yuan J. J. Membr. Sci., 624, 119109 (2021). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119109
  22. Vásquez-Garzón M.L., Bonotto G., Marder L., Ferreira J.Z., Bernardes A.M. Desalination, 263 (1–3), 118 – 121(2010). https://doi.org/10.1016/j.desal.2010.06.047
  23. Martí-Calatayud M.C., Ruiz-García M., Pérez-Herranz V. Sep. Purif. Technol., 354, 128951 (2025). https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128951
  24. Lide R. CRC Handbook of Chemistry and Physics 86TH Edition 2005–2006, 2005.
  25. Kozaderova O.A., Kim K.B., Gadzhiyevа Ch.S., Niftaliev S.I. J. Memb. Sci., 604, 118081 (2020). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118081.
  26. Vasilieva V.I., Meshcheryakova E.E., Falina I.V., Kononenko N.A., Brovkina M.A., Akberova E.M. Membr. Membr. Technol., 5, 139–147 (2023). https://doi.org/10.1134/S2517751623030083
  27. Wang Y., Zhang Z., Jiang C., Xu T. Sep. Purif. Technol., 170, 353–359 (2016). https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.07.002
  28. Yan H., Wang Y., Xu T. K6-5: Developing Ion Exchange Membrane for Treating High Salinity Water Using Electrodialysis. In Proceedings of the 5th International Conference on Sustainable Chemical Production Process Engineering (SCPPE), Tianjin, China, 30 July 2019; p. 65.
  29. Sarapulova V., Pismenskaya N., Titorova V., Sharafan M., Wang Y., Xu T., Zhang Y., Nikonenko V. Int. J. Mol. Sci. 22, № 3, 415 (2021). https://doi.org/10.3390/ijms22031415
  30. Ponomar M., Krasnyuk E., Butylskii D., Nikonenko V., Wang Y., Jiang C., Xu T., Pismenskaya N. Membranes, 12, 765 (2022). https://doi.org/10.3390/membranes12080765
  31. Pismenskaya N., Rybalkina O., Solonchenko K., Pasechnaya E., Sarapulova V., Wang Y., Jiang C., Xu T., Nikonenko V. Polymers, 15, 2288 (2023). https://doi.org/10.3390/polym15102288
  32. Pismenskaya N.D., Rybalkina O.A., Kozmai A.E., Tsygurina K.A., Melnikova E.D., Nikonenko V.V. J. Membr. Sci., 601, 117920 (2020). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.117920
  33. Titorova V.D., Mareev S.A., Gorobchenko A.D., Gil V.V., Nikonenko V.V., Sabbatovskii K.G., Pismenskaya N.D. J. Membr. Sci., 624, 119036 (2021). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.119036
  34. Sarapulova V., Nevakshenova E., Pismenskaya N., Dammak L., Nikonenko V. J. Membr. Sci., 479, 28–38 (2015). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.01.015
  35. Maletzki F., Rosler H.-W., Staude E. J. Membr. Sci., 71, 105 (1992). https://doi.org/10.1016/0376-7388(92)85010-G
  36. Dukhin S.S. Adv. Colloid Interface Sci., 35, 173–196 (1991). https://doi.org/10.1016/0001-8686(91)80022-C
  37. Mishchuk N.A. Adv. Colloid Interface Sci., 160, 16–39 (2010), https://doi.org/10.1016/j.cis.2010.07.001
  38. Rubinstein I., Zaltzman B. Phys. Rev. Lett. 114, 114502 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.114502
  39. Rubinstein I., Zaltzman B. Phys. Rev. E., 62, 2238–2251 (2000). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.62.2238
  40. Zaltzman B., Rubinstein I. J. Fluid Mech., 579, 173–226 (2007). https://doi.org/10.1017/S0022112007004880
  41. Simons R. Electrochim. Acta., 29, 151–158 (1984). https://doi.org/10.1016/0013-4686(84)87040-1
  42. Tanaka Y. Prog. Filtr. Sep., 207–284 (2015). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-384746-1.00006-9
  43. Zabolotsky V.I., Shel’deshov N.V., Gnusin N.P. Russ. Chem. Rev., 57, 801–808 (1988). https://doi.org/10.1070/RC1988v057n08ABEH003389
  44. Rybalkina O.A., Moroz I.A., Gorobchenko A.D., Pismenskaya N.D., Nikonenko V.V. Membr. Membr. Technol., 4, 31–38 (2022). https://doi.org/10.1134/S2517751622010061
  45. Helfferich F. Ion Exchange, McGraw-Hil, New York, 1962.
  46. Rybalkina O.A., Sharafan M.V., Nikonenko V.V., Pismenskaya N.D. J. Membr. Sci., 651, 120449 (2022). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2022.120449
  47. Zabolotskii V.I., Lebedev K.A., Shel’deshov N.V. Russ. J. Electrochem., 53 (9), 966–979 (2017). https://doi.org/10.1134/S102319351709018X
  48. Sharafan M.V., Gorobchenko A.D., Nikonenko V.V. Membr. Membr. Technol. (In press)
  49. Strnad J., Kincl M., Beneš J., Svoboda M., Vobecká L., Slouka Z. Desalination, 571, 117093 (2024). https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.117093

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

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».