【JMS Editor's Choice Article】有機酸離子在陰離子交換膜中的吸附和滲透性研究:以乙酸根和乳酸根為例

2021-01-14 jms膜科學

澳大利亞墨爾本大學Sandra Kentish 教授團隊近期於Journal of Membrane Science期刊發表題目為」 Sorption and diffusion of organic acid ions in anion exchange membranes: Acetate and lactate ions as a case study」的文章。該文章第一作者為博士研究生王秋月，通訊作者為Sandra Kentish教授。


【研究亮點】

·測試了乳酸根離子和醋酸根離子在陰離子交換膜當中的溶解性，以及達到與溶液吸附平衡時陰離子交換膜的電導率。

·當膜與外界溶液達到了吸附平衡後，膜相中未解離有機酸所佔比例高於平衡溶液中。

·兩種有機酸根離子在陰離子交換膜當中的擴散係數幾乎不隨外界溶液濃度而變化。

·乙酸根離子在膜內的擴散係數隨著外界溶液pH的降低而降低，可能與其二聚體的形成有關。

·應用Manning模型很好地預測了乳酸根離子在陰離子交換膜當中的吸附和擴散，但是該模型對於醋酸根離子體系並不適用。

 

【文章簡介】

酸酸，乳酸等有機酸作為重要的防腐劑、緩衝介質和化學中間體被廣泛地應用於食品以及製藥行業。電驅動膜技術作為一個高效的分離手段被廣泛的應用於有機酸的分離，而離子交換膜是其實現分離的關鍵部件，所以從膜的高分子微觀結構出發來探索膜結構對有機酸根在膜中的吸附以及擴散具有重大的意義。

本文深入探討了在不同濃度和pH條件下，兩種陰離子交換膜（AR103 和AR204）中醋酸根離子和乳酸根離子的吸附及擴散特性。發現有機酸根離子在溶液和膜相中的解離平衡程度存在差異。如圖1所示，當外界溶液pH為6.5時，膜相中存在大量的中性乳酸分子，而外界溶液當中的乳酸(pKa 3.86)幾乎全部解離。這些中性有機酸分子的濃度會隨著外界溶液濃度的升高而升高，並在一定程度上堵塞膜裡的通道，從而影響離子在膜內的擴散，使得膜的電導率降低。


圖1.陰離子交換膜（AR103和AR204）中有機酸根離子以及總有機酸（有機酸根離子+未解離的有機酸分子）濃度與外界溶液濃度的關係。（a）醋酸鈉溶液，pH=6.5; (b) 乳酸鈉溶液, pH=6.5。


本文隨後用電導率法測得了在不同外界溶液濃度以及pH條件下，醋酸根離子和乳酸根離子在膜當中的擴散係數 (圖2)。在實驗測試濃度範圍內 (0.06–0.9M),醋酸根離子和乳酸根離子在膜當中的擴散係數基本不變( AR103, Ac−: ∼0.9×10-6cm2/s, La−: ∼0.4×10-6cm2/s; for AR204, Ac−: ∼1.7×10-6cm2/s, La−: ∼1.1×10-6cm2/s) ，而在高濃度下離子擴散係數的輕微降低則與膜的滲透失水有關。由於醋酸根離子的Stokes半徑小於乳酸根離子，其在膜當中的擴散係數要高於乳酸根離子。當外界溶液pH降低時，醋酸傾向於形成二聚體, 二聚體的形成使得分子變大，擴散係數降低。

圖2. 醋酸根離子和乳酸根離子在不同外界溶液條件下在不同陰離子交換膜當中的擴散係數（a,AR103膜，外界溶液pH6.5；b, AR204膜，外界溶液pH6.5；c. AR103膜，外界溶液中醋酸或乳酸濃度分別為0.4 M和0.48M; d. AR204膜，外界溶液中醋酸或乳酸濃度分別為0.4 M和0.48M）


根據已有的測試結果看，基於Manning』 condensation theory的模型可以很好的預測乳酸鈉在膜當中的吸附和擴散過程，與由Freeman團隊發表的NaCl體系的研究結果相比，由於乳酸根離子的Stokes半徑略大於氯離子，使得高分子鏈上固定基團距離增大，所以NaLa體系的Manning參數有略微的降低。而對於NaAc體系，使用NaCl體系對應的Manning參數不能很好的預測離子在膜當中的溶解性，擬合發現NaAc體系所對應的Manning常數小於臨界值（對於1：1型電解質溶液，臨界值=1），而事實上醋酸根離子的Stokes半徑略小於乳酸根離子，且在NaAc溶液中達到平衡之後，膜厚度大小均沒有顯著變化，所以，基於Manning condensation theory的模型不適用於預測NaAc在膜當中的吸附與擴散過程。深入調研發現這可能與NaAc在外界水溶液中的活度係數變化趨勢有關，但有待進一步的研究探索。


圖3. 共離子濃度（a. NaAc 和b.NaLa）和有機酸根離子在膜當中的擴散係數（c. NaAc和d.NaLa）與外界溶液濃度的關係（方塊：實驗結果；黑色實線：採用數據擬合方法得到Manning參數時的預測結果；藍色虛線：採用文獻中NaCl體系的Manning參數時的預測結果）。


原文信息：

第一作者：

王秋月 博士生

工作單位：墨爾本大學（The University of Melbourne）,化學工程學院

郵件地址：qiuyuew1@student.unimelb.edu.au

本文貢獻作者：

George Chen （陳求智）博士

工作單位：墨爾本大學（The University of Melbourne）,化學工程學院

郵件地址：gechen@unimelb.edu.au

通訊作者：

SandraKentish 教授

工作單位：墨爾本大學（The University of Melbourne）,化學工程學院

郵件地址：sandraek@unimelb.edu.au

網址：https://findanexpert.unimelb.edu.au/profile/14055-sandra-kentish


相關焦點

  • 離子交換樹脂相關知識(整理版)
    樹脂離解後，本體所含的負電基團，如SO3－，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或鹼性溶液中均能離解和產生離子交換作用。樹脂在使用一段時間後，要進行再生處理，即用化學藥品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復原來狀態，以供再次使用。
  • 關於離子交換樹脂的大知識
    這不僅為離子交換提供了良好的接觸條件，縮短了離子擴散的路程，還增加了許多鏈節活性中心，通過分子間的範德華引力(van de Waal's force)產生分子吸附作用，能夠象活性炭那樣吸附各種非離子性物質，擴大它的功能。一些不帶交換功能團的大孔型樹脂也能夠吸附、分離多種物質，例如化工廠廢水中的酚類物。
  • 反滲透膜亳州生產廠家設備三大特性
    獅城環境工程公司立足於MBR膜生物反應器超濾膜的產品創新製造；依託於流體分離技術研究上的技術突破;憑藉於MBR膜超濾膜納濾膜反滲透膜在高濃度有機汙水飲料濃縮分離蛋白質提純大豆異黃酮製取特種物料分離等項目施工。不得將維修設備更換出的油、脂及其他雜物丟入汙水處理設施內。顆粒活性碳濾芯顆粒狀的高吸附性活性碳，可有效吸附水中的氯臭味異色等物質。普通寸膜商用膜單支直徑英寸大膜的產水量為。
  • 北京除鎳離子交換樹脂生產
    通常極性較大分子適用中極性樹脂上分離，極性小的分子適用非極性樹脂上分離;體積較大化合物選擇較大孔徑樹脂;上樣液中加入適量無機鹽可以增大樹脂吸附量;酸性化合物在酸性液中易於吸附，鹼性化合物在鹼性液中易於吸附，中性化合物在中性液中吸附;一般上樣液濃北京除鎳離子交換樹脂生產度越低越利於吸附;對於滴速的選擇，則應保證樹脂可以與上樣液充分接觸吸附為佳。
  • 如何區分有機酸和無機酸?
    有機酸的種類　　有機酸類 （Organic acids）是分子結構中含有羧基（一COOH）的化合物。在中草藥的葉、根、特別是果實中廣泛分布，如烏梅、五味子，覆盆子等。常見的植物中的有機酸有脂肪族的一元、二元、多元羧酸如酒石酸、草酸、蘋果酸、枸椽酸、抗壞血酸（即維生素C）等，亦有芳香族有機酸如苯甲酸、水楊酸、咖啡酸（Caffelc acid）等。
  • 離子交換技術在海水淡化中的應用
    離子交換法是目前除鹽最徹底的水處理技術［6］，它利用陽離子交換樹脂吸附水中的陽離子並釋放出氫離子，再用陰離子交換樹脂吸附其中的陰離子並釋放出氫氧根離子，二者中和而達到除鹽的目的。但是該方法處理含鹽量低的海水運行成本較低，而在含鹽量高的區域運行成本高，降低了它在海水淡化除鹽中的經濟優勢。隨著高容量離子交換樹脂的開發，其應用價值越來越受到重視。
  • 賽默飛發布精鹽水中氯酸根和硫酸根的檢測方案
    賽默飛近日發布精鹽水中氯酸根和硫酸根的檢測方案。氯鹼工業屬於基本化工原料行業，在國民經濟中佔據重要的地位。
  • 關於離子交換樹脂不懂這些都不好意思說自己是做水處理的!
    樹脂離解後，本體所含的負電基團，如SO3－，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或鹼性溶液中均能離解和產生離子交換作用。樹脂在使用一段時間後，要進行再生處理，即用化學藥品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復原來狀態，以供再次使用。
  • 解讀廢水處理中「離子交換法」
    離子交換是靠交換劑自身所帶的能自由移動的離子與被處理的溶液中的離子之間的離子擴散來實現的。推動離子交換的動力是離子間的濃度差和交換劑上的功能基對離子的親和能力，這就是離子交換的基本原理。離子交換劑是實現交換功能的最基本物質，根據其材料性質可分為無機離子交換劑和有機離子交換劑，又可分為天然離子交換劑和人工離子交換劑。
  • 離子色譜儀原理
    本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/278785.htm　　離子色譜儀是高效液相色譜的一種，故又稱高效離子色譜(HPIC)或現代離子色譜，其有別於傳統離子交換色譜柱色譜的主要是樹脂具有很高的交聯度和較低的交換容量，進樣體積很小，用柱塞泵輸送淋洗液通常對淋出液進行在線自動連續電導檢測。
  • 離子交換層析的原理和應用
    原理離子交換層析的原理簡單來講是基於帶相反電荷分子間的相互吸引。蛋白質表面所帶的電荷取決於其PI和環境PH。
  • 【乾貨】解讀廢水處理中「離子交換法」
    北極星水處理網訊:1、離子交換法的原理是什麼?離子交換是靠交換劑自身所帶的能自由移動的離子與被處理的溶液中的離子之間的離子擴散來實現的。推動離子交換的動力是離子間的濃度差和交換劑上的功能基對離子的親和能力，這就是離子交換的基本原理。
  • 離子交換色譜的原理介紹和實際操作
    離子交換色譜是蛋白純化技術中常用的一種純化方法，其原理是指被分離物質所帶的電荷可與離子交換劑所帶的相反電荷結合，這種帶電分子與固定相之間的結合作用是可逆的，在改變pH 或者用逐漸增加離子強度的緩衝液洗脫時，離子交換劑上結合的物質可與洗脫液中的離子發生交換而被洗脫到溶液中。由於不同物質的電荷不同，其與離子交換劑的結合能力也不同，所以被洗脫到溶液中的順序也不同，從而被分離出來。
  • 有機底物與蛋白相互作用的方式終於看清楚了——廖軍/高召兵聯合團隊揭示乙酸單向轉運機理
    雖然細胞與細胞之間以及細胞與環境之間時刻進行有機物的交換，但是關於這些有機物通過跨膜通道進出細胞的機制研究不多。現有的通道主要聚焦於無機離子的研究（譬如鉀離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子和氯離子等【2-9】）。單羧酸類化合物是生命體進行蛋白質、核酸和脂類代謝的重要前體或中間代謝物【1,10】，其跨膜轉運的研究卻非常匱乏。
  • 洛陽師範學院等開發鉻酸根新型吸附多孔材料—新聞—科學網
    日前，洛陽師範學院化學化工學院傅紅如與合作者一起，開發了一種用於有毒含氧酸根吸附處理的新型多孔材料，在鉻氧酸根捕獲方面取得突破。
  • 離子交換法的原理是什麼?離子交換法在廢水處理中有哪些應用?
    推動離子交換的動力是離子間的濃度差和交換劑上的功能基對離子的親和能力，這就是離子交換的基本原理。離子交換劑是實現交換功能的最基本物質，根據其材料性質可分為無機離子交換劑和有機離子交換劑，又可分為天然離子交換劑和人工離子交換劑。天然離子交換劑有粘土、沸石、褐煤等，人工合成天然離子交換劑有凝膠樹脂、大孔樹脂、吸附樹脂、氧化還原樹脂、螯合樹脂等。
  • 了解陰離子間隙及代謝性酸中毒
    什
  • 711陰離子交換樹脂_鶴壁市特種樹脂經久不衰
    711陰離子交換樹脂， 輸送貯存於清水貯存箱的清水的清水輸送泵；和包括將由清水輸送泵輸送來的清水精製成純水的離子交換器的純水生成構件，其中，離子交換器具備殼體以及收納在殼體內的僅由陰離子交換樹脂形成的陰離子交換樹脂層和混合有陰離子交換樹脂和陽離子交換樹脂的混合樹脂層，在殼體設有使清水流入陰離子交換樹脂層的清水流入構件和使純水從混合樹脂層側流出的純水流出構件。
  • 乳酸及乳酸鹽在食品中的應用
    一、乳酸介紹乳酸(Lactic acid)又稱2-羥基丙酸，分子式CH3CHOHCOOH，分子量90.08，為天然有機酸，是酸牛奶的主要成分之一，亦存在於人體和動物的血液及肌肉組織中。D(-)乳酸被注射後，則不會轉化成肝糖元，而使血液中的乳酸水平顯著上升，另有一小部分會被從尿液中排出-與相此反的是，L(+)乳酸則沒有這些反應。 另一些研究表明，在動物小腸中，L(+)乳酸與 D(-)乳酸的吸收速率是一樣的，但是 D(-)乳酸的代謝速度比L(+)乳酸慢四倍。對人體的研究表明，嬰兒代謝 D 乳酸的速度遠遠慢於 L(+)乳酸。