Способ получения полупроницаемых мембран
Изобретение относится к способам изготовления мембран, используемых для разделения растворенных веществ, растворов и коллоидных систем методами ультрафильтрации, обратного осмоса, диализа. Цель изобретения — упрощение способа и расширение его технологических возможностей. Мембрану формируют на электропроводящей подложке путем электрохимического инициирования полимеризации мономеров. В случае, когда полимерную пленку наносят на поверхность металлокерамики, после электролиза получают композиционную мембрану, которую можно сразу использовать в процессах разделения. При использовании в качестве подложки сплошной металлической пластины полученную полимерную пленку снимают с электрода, кратковременно выдерживая его в растворе соляной кислоты, и далее используют как обычную мембрану. Получение мембран таким методом может быть осуществлено как при постоянном напряжении, так и при постоянной плотности тока, что расширяет возможности способа. 1 з.п. ф-лы.
РЕСПУБЛИК (51)5 B 01 D 67 00
M А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4103393/31-26 (22) 01.08.86 (46) 30.04.90. Бюл. № 16 (71) Институт химии Дальневосточного научного центра АН СССР (72) Н. Я. Коварский, Л. Г. Колзунова и И. IO. Калугина (53) 66.066-278.022.2 (088.8) (56) Заявка Японии № 58 — 33001, кл. В 01 D 13/00, 1983. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОНИЦАЕМЫХ МЕМБРАН (57) Изобретение относится к способам изготовления мембран, используемых для разделения растворенных веществ, растворов и коллоидных систем методами ультрафильтрации, обратного осмоса, диализа.
Цель изобретения — упрощение способа
Изобретение относится к технологии получения мембран для ультрафильтрации, обратного осмоса, диализа.
Цель изобретения — упрощение способа.
Цель достигается тем, что формирование полупроницаемых мембран осуществляют на электропроводящей подложке (сплошной или пористой) путем электрохимического инициирования полимеризации мономеров в растворах.
Способ осуществляется следующим образом.
В раствор, содержащий один или несколько мономеров, а также в случае .необходимости электропроводящую соль, помещают два электрода, один из которых, анод, может быть изготовлен из платины, никеля, алюминия, титана или другого устойчивого в данной среде электропроводящего материала, а другой, катод, из любого листового или пористого электропроводящего материала, например, стали, желеÄÄSUÄÄ 3560280 А1 и расширение его технологических возможностей. Мембрану формируют на электропроводящей подложке путем электрохимического инициирования полимеризации мономеров. В случае, когда полимерную пленку наносят на поверхность металлокерамики, после электролиза получают композиционную мембрану, которую можно сразу использовать в процессах разде.чения. При использовании в качестве подложки сплошной металлической пластины полученную полимерную пленку снимают с электрода, кратковременно выдерживая его в растворе соляной кислоты, и далее используют как обычную мембрану. Получение мембран таким методом может быть осуществлено как при постоянном напряжении, так и при постоянной плотности тока, что расширяет возможности способа. 1 з. п. ф-лы. за, алюминия, никеля, титана, кадмия, цинка, свинца углерода и др. Электролизную ван- иЫ ну подключают к источнику питания. Процесс ведут при потенциале (-1,1) — (-1,7) В,де или плотности тока 1 — 40 мА/см . Более низкие значения потенциала и плотности Ю тока использовать нецелесообразно, так как фф при этом зна чительно снижается скорость Q) формирования полимерной пленки и удли- ав няется время электролиза. Превышение же указанных режимов может приводить к разложению растворителя, выделению пузырьков газа на электроде, перфорации пленки и отрыву ее от подложки. В различных вариантах осуществления способа процесс ф электрополимеризации можно вести как при строго фиксированных значениях потенциала или плотности тока, так и при комбинированном режиме электролиза, сочетающем кратковременные (30 — 40 с) импульсы тока высокой плотности или потенциалов и более низкие их значения. Это позволяет
55 ускорить процесс пленкообразования, сохранив хорошее качество мембраны. Затем через заданное время электролиза ванну отключают от источника питания, электрод с покрывающей его полимерной пленкой вынимают из ячейки, промывают водой. В том случае, если полимерную пленку наносили на поверхность металлокера мики, то после электролиза получается композиционная мембрана, которую можно сразу использовать как полупроницаемую в процессах ультрафильтрации или обратного осмоса. В таких композиционных мембранах полимер и металл прочно сцеплены друг с другом, поскольку электрополимеризация протекает не только на поверхности металлокерамического электрода, но и в его порах. Если же полимерную пленку осаждали на сплошной металлической пластине, то для того, чтобы получить мембрану, надо полимерную пленку отделить от поверхности электрода. Для этого электрод с пленкой на короткое время (0,5 — 2 мин) помещают в раствор соляной кислоты. При этом пленка отделится от поверхности металла и ее можно использовать в качестве мембраны.
Фильтрационные свойства получаемых методом электрохимического инициирования полимеризации мономеров полимерных пленок подтверждают следующие примеры.
Пример 1. В электролизную ванну наливают водный раствор мономеров (3 М акриламида, 7 М формальдегида, 0,05 М хлорида цинка), помещают платиновый анод и никелевый катод с рабочей поверхностью 20 см . Электролиз проводят при комнатной температуре при потенциале -1,4 В (относительно хлорсеребряного электрода) в течение !О мин. На поверхности никелевой пластины формируется равномерная полимерная пленка. Пленку снимают с металла, вырезают из нее фильтр нужного размера (8,5 см ) и формы и помещают в ячейку для ультрафильтрации.
Фильтруемый раствор — конго красный с концентрацией 225 мг/л. Перепад давления
4 кгс/см . В этих условиях испытуемая мембрана показывает производительность
3,4. 10 мл/мин. см, коэффициент проницаемости 0,86 ° 10 мл/мин.кгс, селективность 74,0О (концентрация конго красного в фильтрате 58 мг/л).
Пример 2. Состав электролизной ванны для получения ультрафильтрационной мембраны: 0,45 М акриловой кислоты, 3 М акрила мида, 3 М формальдегида, 0,3 М хлорида цинка. Анод — алюминий, катод никель с рабочей поверхностью 20 см . Потенциал электролиза — 1,2 В, время 30 мин.
На поверхности катода формируется полимерная пленка. Пленку снимают с металла, вырезают из нее фильтр площадью 8,5 см, помещают в ячейку для ультрафильтрации.
Фильтруемый раствор — конго красный с концентрацией 232 мг/л. Перепад давления
4 кгс/см . Производительность мембраны
4,52. 10 мл/мин см, коэффициентпроизводительности 1,13 10 мл/кгс, селективность разделения 99,1Я (концентрация конго красного в фильтрате 2 мг/л) .
Таким образом, в сравнении с прототипом преимущества заявляемого способа проявляются в его значительном упрощении за счет осуществления способа в одну стадию, сокращения времени, необходимого для формирования готовой к работе мембраны и исключения таких стадий, как сушка мембран в условиях повышенной температуры и влажности, что требует специального оборудования, выдержка мембраны, нанесение защитного покрытия на поверхность пленки. Способ обладает более широкими технологическими возможностями, поскольку предусматривает получение пленок на металлокерамической подложке и на сплошной металлической подложке. Он мо-. жет быть осуществлен в различных режимах: гальвано — и потенциостатическом.
Мембраны, полученные методом электрохимического инициирования полимеризации, после синтеза не требуют никакой дополнительной обработки. Они могут быть использованы как сразу после получения, так и после хранения. При этом, поскольку мембрана не изменяет своих характеристик после высушивания, хранить ее можно как в набухшем, так и в сухом состоянии.
1. Способ получения полупроницаемых мембран путем формирования на подложке полимерной пленки из раствора органичес ких веществ, при наложении на него электрического поля, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, подложку выполняют из электропроводящего материала и используют в качестве одного из электродов, а полимерную пленку формируют электрохимическим инициированием полимеризации виниловых мономеров в присутствии металла-комплексообразователя при потенциале !,1 — 1,7 В и плотности тока
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве виниловых мономеров используют акриламид и формальдегид в концентрации 3 — 7 моль/л или их сочетание с акриловой кислотой, винилацетатом, N — метиленбисакриламидом, а в качестве металла-комплексообразователя — хлорид цинка.
Источник
Полупроницаемая мембрана: определение и примеры
Определение полупроницаемой мембраны
Полупроницаемая мембрана – это слой, через который могут проходить только определенные молекулы. Полупроницаемые мембраны могут быть как биологическими, так и искусственными. Искусственные полупроницаемые мембраны включают в себя различные материалы, предназначенные для фильтрация такие как используемые в обратном осмос, которые пропускают только воду. Биологические мембраны клеток создаются двумя листами фосфолипид, которые содержат липидный хвост, присоединенный к полярному глава, Хвостовые области каждого листа объединяются, а головки молекул направлены наружу. Полярные головы указывают как наружу к окружающей среде клетка и внутрь к цитозоль, Таким образом, гидрофобный область липидных хвостов отделяет два тела решение, Это можно увидеть на изображении ниже.
В то время как вода и другие маленькие молекулы могут проскальзывать через промежутки между молекулами фосфолипидов, другие молекулы, такие как ионы и большие питательные вещества, не могут проникнуть внутрь клетки или выйти из нее. Это делает фосфолипидный бислой превосходной полупроницаемой мембраной, которая позволяет клеткам отделять свое содержимое от окружающей среды и других клеток. Концентрация раствора, связанного полупроницаемой мембраной, может быть описана его тонус по сравнению с окружающей средой или другими клетками. Поскольку биологические мембраны проницаемы для воды, но не растворены, вода имеет тенденцию проникать в клетки, которые гипертонический в окружающую среду, в то время как вода выходит из клеток, которые гипотонический.
Мембраны большинства клеток также содержат различные транспортные белки, которые облегчают движение больших молекул и ионов через клеточная мембрана, Некоторые из этих белков требуют энергии для перемещения через мембрану, форма активный транспорт в то время как другие свободно текут, когда поры белка открыты через мембрану. Это называется пассивный транспорт, С этими специализированными белками клеточная мембрана становится селективно проницаемой мембраной, так как генетика клетки решают, какие молекулы могут пройти через мембрану. Полупроницаемые мембраны эволюционировали таким образом с течением времени, чтобы позволить и ограничивать широкий спектр молекул, которые в широком смысле объясняют различные функции клеток в разных организмах и тканях.
Примеры полупроницаемой мембраны
Искусственные мембраны и тоничность
Искусственные мембраны использовались в лаборатории для демонстрации основ влияния осмолярности на клетки. Как и клеточные мембраны, полупроницаемая мембрана, созданная искусственно, пропускает только воду, ограничивая растворенные в растворе растворенные вещества. Если два раствора соединены через полупроницаемую мембрану, между ними будет течь вода, но растворенные вещества будут ограничены стороной мембраны, на которой они начали. Это можно увидеть на следующей иллюстрации этого эксперимента.
Левая сторона изображения показывает начальную настройку. Полупроницаемая мембрана маркируется и разделяет два раствора, помещенных в U-образную трубку. Правая сторона трубки содержит меньше растворенных веществ, чем правая, и считается гипотонической справа от гипертонической. По мере продолжения эксперимента полупроницаемая мембрана будет пропускать через мембрану воду, но не растворенные вещества. В некотором смысле вода между двумя растворами связана и предпочитает, чтобы растворенные вещества распределялись равномерно. Как правило, растворенные вещества будут равномерно распределяться по воде, но полупроницаемая мембрана предотвращает это. Вместо этого вода должна быть молекула двигаться через мембрану. Чтобы сбалансировать концентрации двух растворов, вода выходит из правой части трубки в левую сторону. Это изменение громкости можно увидеть в правой части изображения. Хотя объемы растворов изменились, полупроницаемая мембрана все еще допускает выравнивание концентраций. Решения сейчас изотонический.
Клеточная мембрана
Как и искусственный пример, описанный выше, клеточные мембраны всех организмов ведут себя как простые полупроницаемые мембраны, пропуская воду, исключая при этом растворенные вещества. Тем не менее, клетки существуют в самых разных средах. В океане вода сильно концентрируется с солями, создается гипертоническая среда. В пресноводных средах существует противоположное состояние, и вода стремится затопить клетки. Наземные организмы сталкиваются с совершенно новой проблемой, полной нехваткой воды. В то время как основной фосфолипидный бислой служит для отделения клеток от окружающей среды, одного этого едва ли будет достаточно, чтобы компенсировать это широкое разнообразие условий. Клетки организмов, которые живут в этих различных средах, выработали белки, которые функционируют, пропуская растворенные вещества через мембрану. В то время как клетки должны тратить энергию, чтобы сделать это, это также позволяет им поддерживать условия в цитозоле и выполнять функцию жизни. Эта постоянная борьба за поддержание условий внутри клеток известна как гомеостаз.
- Избирательно проницаемая мембрана – Мембрана, которая пропускает вещества таким образом, что создает гомеостаз.
- Гомеостаз – Состояние равновесия, при котором может осуществляться процесс жизни (репликация ДНК и т. Д.).
- Фосфолипидный бислой – полупроницаемая мембрана, созданная всеми биологическими организмами.
- Клеточная мембрана – фосфолипидный бислой, содержащий сотни различных транспортных белков, которые регулируют поток растворенных веществ и создают состояние гомеостаза.
викторина
1. Генетическое мутация в клетке заставляет клетку продуцировать клеточную мембрану, которая не имеет транспортных белков. Мембрана все еще функционирует как полупроницаемая мембрана. Будет ли клетка жить и сможет размножаться?A. нетB. даC. Только в правильной обстановке
Ответ на вопрос № 1
верно. Эта клетка обречена. Даже если поместить в среду, в которой есть все питательные вещества и молекулы, необходимые для роста, клетка не сможет их транспортировать. Даже глюкоза, основная молекула для клеточного метаболизма, должна транспортироваться через мембрану со специальными белками. Без этого мембрана теряет свою селективную способность, и клетка быстро погибает.
2. Как видно из приведенного выше примера, ученый устанавливает U-образную трубку с полупроницаемой мембраной, разделяющей два раствора. С правой стороны ученый помещает раствор, который имеет 10 г / л растворенное вещество, Левая сторона получает раствор, содержащий 5 г / л растворенного вещества. Ученый начинает с одинакового объема раствора в каждой пробирке. Каким образом вода будет течь через эту полупроницаемую мембрану?A. Не будет течьB. Слева направоC. Справа налево
Ответ на вопрос № 2
В верно. Левая сторона раствора содержит только половину растворенных молекул в качестве правой стороны, что делает его гипотоническое решение, Вода будет течь из гипотонического раствора в гипертонический раствор пока два решения не станут изотоническими. Полупроницаемая мембрана предотвращает движение растворенных веществ, а не воды. В конце эксперимента будет больше воды с правой стороны, но концентрации пробирок будут такими же.
3. Ученые знают, как создавать фосфолипидные бислои в лаборатории. Если бы вы взяли часть своей ДНК и окружили ее фосфолипидным бислоем, могли бы вы создать свой клон?A. Да! Вот как они клонируют вещи.B. Нет, это не создаст функциональную ячейку.C. Клетка должна заботиться тщательно.
Ответ на вопрос № 3
В верно. Ваша ДНК существует в очень особых условиях. ДНК человека существует внутри ядра, специализированной мембраны, содержащей 2 липидных бислоя. Обе эти мембраны содержат сотни специализированных белков, которые помогают в транспортировке продуктов к ядру и от него. Ядро существует в цитозоле, который содержит еще более специализированные селективно проницаемые мембраны и сам инкапсулирован в клеточной мембране. Клеточная мембрана, в свою очередь, представляет собой не только фосфолипидный бислой, но содержит сотни белков со специфическими функциями. При наличии только фосфолипидного бислоя эта искусственная клетка быстро погибнет.
Источник
