-Siliciu mixt membrane funcionalizat-tiol matrice de captare de argint din soluii apoase: rezultate experimentale i de modelare AR Ladheo, P. Frailieo, D. Huab, M. Darsillob, D. Bhattacharyyao,, oDepartamentul de Chimie i Ingineria Materialelor, Universitatea din Kentucky, Lexington, KY 40506-0046, Statele Unite ale Americii bJ.M.Huber Corporation, Havre de Grace, MD, Statele Unite ale Americii

AbstractStudiul se ocup cu o aplicaie faz apoas de membrane matrice mixte (MMMs) pentru ioni de argint (Ag+) de captare.Particule de siliciu au fost functionalizate cu silan 3-mercaptopropyltrimethoxy (MPTMS) introducerea tiol libere (-SH) grupri pe suprafata.Particulele au fost folosite ca faz dispersat n matricea polisulfon sau celuloz acetat polimer.Membranele au fost preparate prin metoda inversare de faz pentru a crea structuri poroase mai deschise i interconectate potrivite pentru aplicaiile n faz lichid.Efectele proprietilor de silice, cum ar fi dimensiunea particulelor, aria suprafeei specifice, i poros morfologie / neporoase pe argint capacitatea de captare de ioni au fost studiate.S-a demonstrat c membranele sunt capabile de a captura selectiv argint dintr-o soluie care conine concentraii semnificative de ali ioni metalici de exemplu Ca2 +.Membranele au fost studiate pentru a cuantifica capacitatea dinamic de captare de ioni de argint i dependena sa de timp de staionare prin ajustarea presiunii transmembranar.Tiol-Ag+interaciunea a fost cuantificat cu microbalan cristal de cuar ntr-un experiment continuu modul de curgere i observaiile au fost comparate cu rezultatele de membran.Unidimensional modelul stat instabil cu coeficient global de transfer de mas volumetric a fost dezvoltat i rezolvat a prevedea concentraia de argint n faza lichid i faza solid de silice de-a lungul grosimii membranei n timp variabile.Datele descoperire prezise cu ajutorul modelului este comparabil cu observaiile experimentale.Studiul demonstreaz aplicarea cu succes a membranelor matrice-siliciu amestecat functionalizate pentru faza apoas selectiv Ag+captare cu capacitate ridicat la presiuni joase transmembranare.Tehnica poate fi uor extins la alte aplicaii prin modificarea gruprilor functionalizate pe particulele de silice.Cuvinte cheie Membrana matrice mixt; Interaciune tiol-argint; Dioxid de siliciu; Curbe Breakthrough; Microbalan cristal de cuar; Modelul de stat inconstantNomenclaturLista simbolurilorAPermeabilitatea apei membran (bar m / (s))JWfluxului prin membran (m / s)Ppresiune transmembranar aplicat (bar)W1greutate de membran umed (kg)W2greutate de membran uscat (kg)Wdensitatea de ap (kg / m3)AmZona membranei (m2)LGrosimea membranei (m)tRtimpul de reziden (s)Rrespingere dextranrsraza hidraulic a moleculei dextran (nm)r1raza porilor hidrodinamic (nm)Mgreutate molecular de dextran (Da)fraciune de volum liber n membranpfracie de volum de polimer n membranapdensitate de polisulfon (kg / m3)fraciune greutate de siliciu n membranq"Compoziia medie de silice n faz (mol de Ag+/ m3de particule de siliciu)C'concentraia de Ag+n faz lichid n vrac (mol de Ag+/ m3de lichid)C0admisie Ag+concentrare (mol / m3)t'Timp (s)z"distaneze jos grosimea membranei (m)constanta de echilibrukCoeficientul de transfer de mas volumetric (s -1)C0concentraia de alimentare de intrare de ioni de argint (mol / m3)qcapacitatea maxim de captare de argint (mol de argint / m3de siliciu)TStimp n care a fost observat saturaie de captare de argint i experiment a fost reziliat (e)

1.IntroducereMembrane matrice mixte (MMMs), care constau dintr-o faz polimeric continu i o faz dispersat de particule anorganice (poroase sau neporoase), s-au bucurat de o atenie din ce n domeniul separrilor de gaze[1]i[2].Multe studii au demonstrat permeabilitate de gaz mai mare i / sau selectivitate pentru MMMs n comparaie cu membranele polimerice omogene convenionale cu principiul de funcionare bazate pe mecanismul soluie-difuzie[3],[4],[5]i[6].Aceste membrane sunt prezentate s depeasc limita superioar a legat-Robeson lui[7]pentru performana de membrane polimerice n separare de gaz.Materiale anorganice au demonstrat performane bine dincolo de marginea superioar, dar cererile lor sunt mpiedicate din cauza dificultii n pregtirea membranelor anorganice defect libere i economice.MMMs combina beneficiile de performan a membranelor anorganice cu avantajul aplicabilitate uoar a membranei polimerice.De obicei, MMMs au fost preparate prin turnarea unei soluii de polimer i dispersat faz anorganic, i apoi evaporarea solventului ntr-un mediu controlat pentru a obine o membran dens.Alegerea polimerului, faza anorganic, solventul, ncrcarea de particule, i timpul de evaporare sunt unele dintre cele mai importante parametrii care afecteaz morfologia i performana MMMs.n afar de aplicaiile de separare a gazelor, conceptul de astfel de membrane compozite este aplicat cu succes n cazul membranelor barier, care sunt utile pentru ambalarea alimentelor i rezistive coroziune acoperiri[8],[9]i[10].n acest caz, scopul a fost de a reduce transportul prin membrane, i a fost realizat fie prin adugarea de fulgi impermeabile la polimer membran sau prin ncorporarea grupri reactive n interiorul membranelor.Avantajele importante ale MMMs n separrile de gaze au provocat un interes puin pn acum pentru extinderea acestui concept la separri de faz lichid.Cercetatorii au raportat cereri MMMs de pervaporatie s deshidrateze amestecuri organice[11],[12]i[13].De asemenea, sulfonai siliciu-MMMs au fost studiate pentru aplicaii de celule de combustibil, datorit conductivitii lor mbuntit de protoni, stabilitate mai mare, i o performan mai bun[14],[15]i[16].Avramescu i colab.[17], pentru prima dat a demonstrat utilizarea MMMs-schimb polimeric ioni pentru separarea prin adsorbie biomolecule.De absorbie a MMM pentru captarea i concentraia de enzime au fost, de asemenea, studiat[18].Pentru a schimba morfologia membrana din membran dens (adecvat n cazul separrilor de gaz) pentru a mai deschis microporoas structur cu grad nalt de interconectivitate porilor (potrivite pentru aplicaiile n faz lichid), cele MMMs au fost preparate prin binecunoscuta inversiune de faz traseu cu control adecvat temperaturii baie de gelifiere.n acest caz, este de dorit s aib o faz de particule care prezint o cinetic rapid adsorbie (pentru sisteme de absorbie membran), de mare capacitate i selectivitate mare fa de fragmentul int i regenerare uoar.Cele MMMs au avantaje semnificative de peste cromatografie pe coloan convenional n ceea ce privete picturi mici de presiune, rate mai mari de transfer de mas (ca urmare a fluxului de convecie) rezultai n debite mai mari, i mai uor de scar-up-uri.n studiul nostru, am aplicat MMMs funcionalizat-tiol pentru metale ion de captare de la soluii de sare apoase.Sistemele funcionalizate-tiol au fost studiate ca absorbani de ioni de metal[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26]i[27].Vieira i colab.[22]a confirmat interaciunea preferenial de-SH, grupri cu acizi moi (Hg2 +> Ag+> Cu2 +> Ni2 +> Zn2 +), n acord cu conceptul Pearson[28]de hard si soft acizi i baze.Kang i colab.[21]au demonstrat capacitatea de adsorbie mai selectiv a materialelor de silice mezoporoase functionalizate-tiol pentru ionii de metal nobil, n prezena altor ioni metalici.O astfel de selectivitate de legare fa de ionii de metal int este important pentru multe aplicaii, cum ar fi tratarea deeurilor, care implic adesea amestecuri de ioni metalici.Nitrat de argint este o sare frecvent utilizat n multe procese n reflectarea, industria fotografic i galvanizare[29].Comparativ cu cele mai multe metale, de recuperare a argintului din soluii apoase este mai profitabil datorit valorii sale de pia ridicat[30]i[31].De asemenea, exist un interes crescut n recuperarea de argint gsite n cantiti minime n minele de cupru.Pentru scopul acestui studiu Ag+a fost selectat ca un ion metalic reprezentativ.Accentul a fost de a studia efectul de silice (non-funcionalizate) ncrcare asupra caracteristicilor permeana MMMs, i pentru a demonstra aplicabilitatea tehnicii silice-MMM functionalizate pentru captarea de ioni de argint (folosind AgNO3soluie).De asemenea, au fost caracterizate MMMs, i de separare a fost cuantificat.Pentru cele mai bune din cunostintele noastre, aceasta este prima dat cnd MMMs siliciu-polimer funcionalizat-tiol au fost studiate i evaluate cantitativ pentru captarea de ioni de argint.Grupele libere tiol suprafa au fost introduse la suprafaa de silice silanizing suprafaa sa cu 3-mercaptopropyltrimethoxy silan (MPTMS).Ritchie i colab.[32]au studiat polycysteine i alte acizi poliamino membrane de microfiltrare functionalizate pentru Hg (II), Pb (II) i Cd (II) de captare.Barier reactiv membranelor pentru ionii de cesiu coninnd silico-titanat ca agent de sacrificiu au fost studiate prin Warta i colab.[33].Unele dintre studii a face cu aplicarea de ioni de schimb de polimeri absorbani compozite pentru separri de metale grele[34],[35]i[36].Zhang i colab.[37]au studiat Zr (HPO3S)2impregnate schimbtori de cationi pentru separrile de ioni metalici.n cazul sistemului de condus presiune studiat n aceast lucrare, ioni de argint sunt transportate de ctre fluxul de convecie care minimizeaz difuziei limitrile de transfer de mas.Sistemele de membrane sunt mai uor de operat i intensifice n comparaie cu tehnicile de adsorbie coloana.Obiectivele specifice de cercetare pentru acest studiu sunt:(1)Prepararea si caracterizarea de 3-mercaptopropyltrimethoxy silan funcionalizat particule de siliciu.(2)Prepararea si caracterizarea de MMMs.(3)Demonstra aplicabilitatea MMMs de captare de ioni de argint i de a studia efectul de diferii parametri, cum ar fi dioxid de siliciu de ncrcare i timpul de reziden (cu variaie de presiune cu membran), cu privire la eficiena de captare.(4)Modela comportamentul transportul de ioni de argint n matricea membranei.2.Experimental2.1.MaterialeAcetat de celuloz (Mn= 50000) i polisulfon (Mn= 16.000; GM = 35.000) au fost obinute de la Aldrich.Solvenii utilizai sunt acetona i dimetilformamida (DMF) (extra uscat, ap