ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2015, том 51, № 1, с. 74-80
УДК 541.183.12:547.466:621.359.7
ОСОБЕННОСТИ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНИОНООБМЕННЫХ МЕМБРАН ПРИ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗЕ РАСТВОРОВ, СОДЕРЖАЩИХ АЛКИЛАРОМАТИЧЕСКУЮ АМИНОКИСЛОТУ
И МИНЕРАЛЬНУЮ СОЛЬ
© 2015 г. Т. В. Елисеева1, А. Ю. Харина
ФГБОУВПО "Воронежский государственный университет" 394036, Воронеж, Университетская пл., 1, Россия Поступила в редакцию 03.02.2014 г.
Рассмотрены особенности электродиализа раствора алкилароматическая аминокислота — минеральная соль (модельный раствор деминерализации в технологии микробиологического синтеза). Анализ вольт-амперных характеристик (ВАХ) анионообменных мембран показывает отсутствие значимого влияния алкилароматической аминокислоты на достижение предельного состояния по неорганическим ионам в изученном диапазоне концентраций. Однако добавка аминокислоты значительно изменяет длину плато на ВАХ ввиду частичного перехода мембраны в аминокислотную форму, сопровождающегося снижением электропроводности мембраны, и адсорбции ароматического соединения на поверхности, приводящей к ее гидрофобизации. Установлена корреляция зависимостей потоков алкилароматической аминокислоты и зависимостей рН в секции концентрирования со стороны анио-нообменной мембраны от плотности тока при электродиализе: начало резкого изменения рН соответствует максимуму потока фенилаланина (тирозина) и первому перегибу на ВАХ.
Ключевые слова: тирозин, фенилаланин, аланин, транспорт, ионообменная мембрана, электродиализ, вольт-амперная характеристика
Б01: 10.7868/80424857015010041
ВВЕДЕНИЕ
В процессах микробиологического и химического синтеза аминокислот на стадиях выделения целевых продуктов может быть успешно применен метод электродиализа с ионообменными мембранами, являющийся безреагентным, экологически и экономически целесообразным [1—4]. Для оптимальной организации процесса электромембранной деминерализации растворов, полученных в ходе синтеза, необходимо исследование процессов транспорта компонентов, присутствующих в растворе аминокислот и минеральных ионов, а также характеристик мембран при электродиализе.
Наряду с общими закономерностями массопе-реноса аминокислот через ионообменные мембраны под действием электрического тока большое значение имеют специфические процессы в конкретных системах, определяющиеся прежде всего природой соответствующих компонентов и их возможными взаимодействиями. При электродиализе растворов, содержащих алкилароматиче-ские аминокислоты, возможны взаимодействия, которые приводят к снижению эффективности
1 Адрес автора для переписки: tatyanaeliseeva@yandex.ru (Т.В. Елисеева).
электродиализа, например отравление ионообменных мембран [5, 6]. Строение боковой группы (наличие бензольного кольца) предопределяет закономерности массопереноса таких аминокислот, а следовательно, их разделения и деминерализации в электромембранной системе.
Цель настоящей работы состоит в установлении особенностей вольт-амперных и транспортных характеристик анионообменных мембран при электродиализе в системе минеральная соль — алкила-роматическая аминокислота, обусловленных природой боковой группы аминокислот, включающей бензольное кольцо.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучение влияния алкилароматической аминокислоты на достижение предельного состояния по анионам на анионообменных гомогенной и гетерогенной мембранах при электродиализе раствора минеральной соли (хлорида натрия).
2. Сравнение вольт-амперных характеристик анионообменных мембран в растворе минеральной соли, растворе минеральная соль-алкиларо-матическая аминокислота и в растворе минеральная соль-алифатическая аминокислота.
3. Исследование потоков аминокислот, анионов минеральной соли, а также ионов водорода и гидроксила через анионообменные гомогенные и гетерогенные мембраны в зависимости от плотности тока.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В состав основного модельного раствора, используемого в работе, входила алкилароматиче-ская аминокислота (тирозин (0.0025 М) или фе-нилаланин (0.02 М)) и минеральная соль (хлорид натрия (0.01 М)). Выбор более низкой концентрации раствора тирозина обусловлен его ограниченной растворимостью в воде (0.05 г/100 г Н20 (25°С)). Наличие бензольного кольца в структуре алкилароматических аминокислот тирозина
О
и фенилаланина
а-аланином I
OH [7].
NH2
Анализируемые растворы Э
А^ГК
73S
К
К
Исходный раствор
NaCl
K2SO4
определяет их особенности
в сравнении с алифатической аминокислотой — O
H3C
Концентрацию алкилароматических аминокислот в пробах устанавливали методом спектро-фотометрии [8], аланина — методом фотометрии в виде раствора окрашенного комплекса с ионами меди [9]. Содержание анионов Cl- — аргентомет-рическим титрованием с индикатором K2CrO4.
Эксперименты проводились в электродиализаторе, состоящем из семи разборных секций, разделенных чередующимися анионо- и катионо-обменными мембранами. В работе применялись гетерогенные катионообменные мембраны марки МК-40 (фиксированные группы -SO-), анионообменные мембраны МА-41 (фиксированные
группы -N (CH3)++) производства ОАО "Щекино-азот", Россия, а также гомогенные анионообменные мембраны Selemion® АМТ компании "Asahi Glass", Япония, составное повторяющееся звено которых сходно с мембраной МА-41.
Рис. 1. Схема электродиализной ячейки, где К — катионообменные мембраны, А — анионообменные мембраны, Э — хлоридсеребряные электроды.
Секции электродиализной ячейки выполнены из электроизоляционного полимерного материала со штуцерами для ввода и вывода раствора. Электродиализатор имел платиновый анод и катод, изготовленный из нержавеющей стали. Рабочая площадь мембран составляла 20 см2, межмембранное расстояние — 1 см. На рис. 1 приведена схема электродиализной ячейки. Электродиализатор включался в цепь постоянного тока, источником которого служил Б5-50. Силу тока измеряли амперметром М 253.
В ходе экспериментов в 4-ю секцию подавался исследуемый раствор, в 3-ю и 5-ю секции — раствор №С1 (0.01 М), а в 1, 2, 6-ю и 7-ю — раствор К2804 (0.06 М). В работе использована методика несимметричной концентрационной поляризации [10]. Исследования проводили в гальваностатическом режиме. После подачи напряжения на электродиализатор и задания скоростей растворов (0.05 см/с) стационарное состояние устанавливалось в течение 1 ч.
Для получения вольт-амперных характеристик электродиализатор был оснащен хлоридсеребря-ными электродами, расположенными по обе стороны от исследуемой анионообменной мембраны на расстоянии 0.2 мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние алкилароматической аминокислоты на вольт-амперные характеристики анионообменных мембран
Вольт-амперные характеристики анионооб-менных мембран при электродиализе растворов хлорида натрия, содержащих также фенилаланин, тирозин или а-аланин, позволяют установить влияние присутствия аминокислоты в растворе на ве-
3
4
5
6
и, B
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики анионооб-менных мембран: 1 - AMT, 2 - МА-41 при электродиализе индивидуального раствора NaCl (0.01 М).
U, B
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики мембраны АМТ при электродиализе растворов: 1 - NaCl (0.01 М), 2 - фенилаланин (0.0025 М) + NaCl (0.01 М), 3 - тирозин (0.0025 М) + NaCl (0.01 М).
личину предельной плотности тока ilim по неорганическим анионам и на длину плато ВАХ.
Исследование вольт-амперных кривых для гомогенных и гетерогенных мембран, полученных при электродиализе индивидуального раствора минеральной соли и смешанных растворов минеральная соль-алкилароматическая аминокислота, выявило различия в форме вольт-амперных характеристик при плотностях тока выше предельной. На рис. 2 представлены вольт-амперные зависимости для анионообменных мембран марок МА-41 и АМТ при электродиализе индивидуального раствора NaCl. Из данного графика видно, что ВАХ для гомогенной и гетерогенной мембраны имеют классический вид и состоят из трех участков [11]. Начальный рост плотности тока в зависимости от напряжения на мембране (омический участок) обусловлен электромиграцией электролита до предельной плотности тока, когда его концентрация в пограничном диффузионном слое уменьшается с увеличением напряжения и плотности тока. При плотностях тока выше предельной наблюдается резкий рост напряжения на мембране при слабом увеличении плотности тока. Данный участок ВАХ — плато объясняется достижением предельной плотности тока, при которой концентрация электролита достигает минимума у поверхности мембраны, что приводит к отсутствию достаточного количества переносчиков тока на границе раздела фаз мембрана/раствор. В результате растет сопротивление мембраны. Кроме того, при данных плотностях тока протекает реакция диссоциации воды. В результате накопления гидроксильных и водородных ионов, которые способны переносить электрический ток в интенсивных токовых режимах, наблюдается
рост тока с увеличением напряжения на мембране — третий участок [12]. Вид второго и третьего участков ВАХ может быть обусловлен разными факторами в электромембранной системе: уменьшением толщины электронейтрального диффузионного слоя из-за расширения области пространственного заряда у поверхности мембраны, участием в переносе электрического заряда продуктов диссоциации воды, эффектом экзальтации предельного тока, увеличением переноса ко-ионов и ростом плотности тока по длине канала вследствие нарастания толщины диффузионного слоя, термоконвекцией раствора вблизи мембраны, электроосмотическим потоком растворителя [12-17].
Значение ilim для анионообменной мембраны в растворе NaCl достигается при плотности тока i = 0.35 мА/см2 как в системе с гомогенной, так и с гетерогенной мембраной (они являются аналогами по ионогенным группам). Однако в случае мембраны АМТ процесс диссоциации воды более интенсивен, чем для МА-41, из-за различий в структуре поверхности, что приводит к уменьшению длины плато на ВАХ для мембраны АМТ по сравнению с МА-41. Это согласуется с данными литературы [18, 19], которые также показывают, что диссоциация воды ускоряется при использовании гомогенной мембраны. Скорост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.