Comprensión del efecto memoria de la polianilina y de la cantidad de polielectrolito en los depósitos composito PAni/PESNa sobre las propiedades de transporte de membranas modificadas electroquímicamente

Abstract

El uso de las membranas de intercambio iónico a lo largo de los últimos años ha aumentado, en virtud de su versatilidad de aplicación para distintos procesos como tratamiento del agua, remoción de contaminantes de agua, e incluso generación de energía eléctrica. En éstos, la selectividad de la membrana es importante, la cual puede ser modulada para membranas comerciales mediante la modificación con depósitos de otros materiales, por ejemplo, polímeros conductores electrónicos (PCE) y polielectrolitos (PE). Entre los PCE sobresale la polianilina (PAni) por su síntesis relativamente fácil y su característica para modular su conducción eléctrica en función de su efecto memoria. Por otro lado, uno de los polielectrolitos usado en la modificación de membranas de intercambio iónico es el poliestirensulfonato de sodio (PESNa), el cual aporta propiedades interesantes, como la adición de carga que influye en el grado de hidrofilicidad de la superficie. En este trabajo de investigación se estudió el efecto memoria de los depósitos hechos con PAni y el efecto de distintas concentraciones de PESNa (en depósitos de PAni sin efecto memoria) depositados en la superficie de membranas de intercambio aniónico sobre las propiedades de las mismas. Las membranas fueron modificadas con la técnica de voltamperometría cíclica y el efecto memoria de la PAni fue inducido asignando un pulso de potencial de -200 mV (respecto a electrodo de referencia Ag/AgCl) por diferentes tiempos. Entre los resultados más relevantes se encontró que el efecto memoria de la PAni depositada sobre la membrana favorece la selectividad de la membrana hacia iones nitrato, ya que aumentó su número de transporte; además se incrementó el grado de hidrofobicidad de la membrana, lo que fue comprobado por medio del aumento del ángulo de contacto y decremento en el porcentaje de agua de la membrana. Esto se asoció a los cambios estructurales que sufrió la PAni con la asignación del pulso de potencial, el cual la convirtió a su estado reducido: leucoemeraldina, la cual es conocida por ser mayormente hidrofóbica. Posteriormente, al estudiar el efecto de la concentración de PESNa en la solución de síntesis, primeramente, se comprobó que la presencia del polielectrolito favorece la polimerización de PAni sobre la membrana, ya que se disminuye la formación de subproductos de polimerización, lo cual fue comprobado mediante estudios voltamperométricos. En la primera región de concentraciones evaluadas (0, 2.5 y 5×10−3 M) se encontró que el ángulo de contacto, la rugosidad y la resistencia iónica aumentaron, lo cual fue asociado al efecto estérico del polielectrolito sobre las moléculas de agua. El número de transporte del ion cloruro disminuyó, como consecuencia de la repulsión electrostática del polielectrolito sobre el ión y su esfera de solvatación, ya que se dificultó su paso a través de la membrana.

The use of ion exchange membranes has increased in recent years, due to their versatility for different processes such as water treatment, removal of water contaminants, and even electricity generation. In these, the selectivity of the membrane is important, which can be modulated for comercial membranas by modification with deposits of other materials, for example, electronic conductive polymers (PCE) and polyelectrolytes (PE). Among the PCE, polyaniline (PAni) stands out for its relatively easy synthesis and its ability to modulate its electrical conduction based on its memory effect. On the other hand, one of the polyelectrolytes used in the modification of ion exchange membranes is sodium polystyrene sulfonate (PESNa), which provides interesting properties. In this research work, the memory effect of deposits made with PAni and the effect of different concentrations of PESNa (in PAni deposits without memory effect) in the deposit on the transport properties of anion exchange membranes were studied. The membranes were modified with the cyclic voltammetry technique and the memory effect of the PAni was created by assigning a potential pulse of -200 mV (respect to reference electrode Ag/AgCl) for different times. Among the most relevant results, it was found that the memory effect of the PAni deposited on the membrane favors the selectivity of the membrane towards nitrate ions, since its transport number increased. In addition, the degree of hydrophobicity of the membrane increased, which was verified by means of the increase in the contact angle and decrease in the percentage of water in the membrane. This was associated with the structural changes that PAni underwent with the assignment of the potential pulse, which converted it to its reduced state: leucoemeraldine, which is known to be mostly hydrophobic. Subsequently, when studying the effect of the concentration of PESNa in the synthesis solution, firstly, it was verified that the presence of the polyelectrolyte favours the polymerization of PAni on the membrane, since the appearance of polymerization by-products is reduced, which was verified by means of voltammetric studies. In the first region of concentrations evaluated (0, 2.5 and 5×10−3 M) it was found that the contact angle, roughness and ionic resistance increased, which was associated with the steric effect of the polyelectrolyte on the water molecules. The transport number of the chloride ion decreased, and this was a consequence of the electrostatic repulsion of the polyelectrolyte on the ion and its solvation sphere, since its passage through the membrane was hindered.