PVA-SSA-HPA Mixed-Matrix-Membrane Electrolytes for DMFCs

Stabilized forms of heteropolyacids (HPAs), namely phosphomolybdic acid (PMA), phosphotungstic acid (PTA), and silicotungstic acid (STA), are incorporated into poly (vinyl alcohol) (PVA) cross-linked with sulfosuccinic acid (SSA) to form mixed-matrix membranes for application in direct methanol fuel cells (DMFCs). Bridging SSA between PVA molecules not only strengthens the network but also facilitates proton conduction in HPAs. The mixed-matrix membranes are characterized for their mechanical stability, sorption capability, ion-exchange capacity, and wetting in conjunction with their proton conductivity, methanol permeability, and DMFC performance. Methanol-release kinetics is studied ex situ by volume-localized NMR spectroscopy (employing point-resolved spectroscopy'') with the results clearly demonstrating that the incorporation of certain inorganic fillers in PVA-SSA viz., STA and PTA, retards the methanol-release kinetics under osmotic drag compared to Nafion, although PVA-SSA itself exhibits a still lower methanol permeability. The methanol crossover rate for PVA-SSA-HPA-bridged-mixed-matrix membranes decreases dramatically with increasing current density rendering higher DMFC performance in relation to a DMFC using a pristine PVA-SSA membrane. A peak power density of 150 mW/cm(2) at a load current density of 500 mA/cm(2) is achieved for the DMFC using a PVA-SSA-STA-bridged-mixed-matrix-membrane electrolyte. (C) 2010 The Electrochemical Society. [DOI: 10.1149/1.3465653] All rights reserved.

Bio-Composite Membrane Electrolytes for Direct Methanol Fuel Cells

A new class of bio-composite polymer electrolyte membranes comprising chitosan (CS) and certain biomolecules in particular, plant hormones such as 3-indole acetic acid (IAA), 4-chlorophenoxy acetic acid (CAA) and 1-naphthalene acetic acid (NAA) are explored to realize proton-conducting bio-composite membranes for application in direct methanol fuel cells (DMFCs). The sorption capability, proton conductivity and ion-exchange capacity of the membranes are characterized in conjunction with their thermal and mechanical behaviour. A novel approach to measure the permeability of the membranes to both water and methanol is also reported, employing NMR imaging and volume localized NMR spectroscopy, using a two compartment permeability cell. A DMFC using CS-IAA composite membrane, operating with 2M aqueous methanol and air at 70 degrees C delivers a peak power density of 25 mW/cm(2) at a load current density of 150 mA/cm(2). The study opens up the use of bio-compatible membranes in polymer-electrolyte-membrane fuel cells. (C) 2011 The Electrochemical Society. [DOI: 10.1149/2.030111jes] All rights reserved.

Chitosan-polyvinyl alcohol-sulfonated polyethersulfone mixed-matrix membranes as methanol-barrier electrolytes for DMFCs

Chitosan (CS)-polyvinyl alcohol (PVA) cross-linked with sulfosuccinic acid (SSA) and modified with sulfonated polyethersulfone (SPES) mixed-matrix membranes are reported for their application in direct methanol fuel cells (DMFCs). Polyethersulfone (PES) is sulfonated by chlorosulfonic acid and factors affecting the sulfonation reaction, such as time and temperature, are studied. The ion-exchange capacity, degree of sulfonation, sorption, and proton conductivity for the mixed-matrix membranes are investigated. The mixed-matrix membranes are also characterised for their mechanical and thermal properties. The methanol-crossover flux across the mixed-matrix membranes is studied by measuring the mass balance of methanol using the density meter. The methanol cross-over for these membranes is found to be about 33% lower in relation to Nafion-117 membrane. The DMFC employing CS-PVA-SPES mixed-matrix membrane with an optimum content of 25 wt % SPES delivers a peak power-density of 5.5 mW cm-2 at a load current-density of 25 mA cm-2 while operating at 70 degrees C. (C) 2011 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci, 2012

Mesostructured-aluminosilicate-Nafion hybrid membranes for direct methanol fuel cells

Organic-inorganic hybrid membranes are prepared from Nafion and acid functionalized aluminosilicate with varying structures and surface areas. Acid-functionalized mesostructured aluminosilicate with cellular foam framework (Al-MSU-F type) of surface area 463 m(2) g(-1), acid-functionalized aluminosilicate molecular sieves (Al-HMS type) of surface area 651 m(2) g(-1) and acid-functionalized mesostructured aluminosilicate with hexagonal network (Al-MCM-41 type) of surface area 799 m(2) g(-1) have been employed as potential filler materials to form hybrid membranes with Nafion. The structural behavior, water uptake, ion-exchange capacity, proton conductivity and methanol permeability of the hybrid membranes are extensively investigated. Direct methanol fuel cells (DMFCs) with Al-HMS-Nafion and Al-MCM-41-Nafion hybrid membranes deliver respective peak power-densities of 170 mW cm(-2) and 246 mW cm(-2), while a peak power-density of only 48 mW cm(-2) is obtained for the DMFC employing pristine recast-Nafion membrane under identical operating conditions. The unique properties associated with hybrid membranes could be exclusively attributed to the presence of pendant sulfonic-acid groups in the filler materials, which provide proton-conducting pathways between the filler and matrix in the hybrid membranes, and facilitate proton transport with adequate balance between proton conductivity and methanol permeability. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Preparação e avaliação biocida de compósitos à base de resinas reticuladas contendo nanopartículas de prata

Neste trabalho, foram utilizadas três resinas reticuladas comerciais de troca iônica e caráter ácido à base de estireno e divinilbenzeno: AmberliteGT73 da Rohm and Haas Co. com grupo tiol, Lewatit VPOC1800 da Bayer Co. com grupo sulfônico e Amberlyst 15WET da Rohm and Haas Co. também com grupo sulfônico. As citadas resinas comerciais foram escolhidas por apresentarem grande capacidade de troca iônica, estabilidade e grupos funcionais de interesse para a introdução de íons Ag+. As resinas foram tratadas com ácido clorídrico para garantir as formas ácidas de seus grupos funcionais e em seguida a redução dos íons Ag+, provenientes de solução de nitrato de prata, foi realizada in situ pela hidroxilamina em presença de solução protetora de colóide composta por 2-hidróxi-etil-celulose e gelatina 1:1. Alguns parâmetros foram modificados durante a redução dos íons Ag+ a Ag0, como por exemplo, o tempo de adição da solução redutora de hidroxilamina, a solução utilizada para controle do pH, e condições do repouso após o controle do pH. Após a incorporação das nanopartículas de prata, tanto as resinas comerciais quanto o produto final foram caracterizados por titulometria, fluorescência de raios-x, análise termogravimétrica, análise elementar, grau de inchamento, difração de raios-x, microscopias ótica e eletrônica. A avaliação da atividade biocida foi realizada através do método da contagem em placas utilizando-se uma cepa de Escherichia Coli ATCC25922TM em concentrações de 103 a 107 células/mL. Todos os compósitos obtidos mostraram atividade bactericida significante, sendo que foi possível perceber que a ação bactericida dos compósitos está relacionada com a presença de prata na forma metálica e a características como tamanho, formato e dispersão das partículas na matriz polimérica. Para efeito de comparação, foram realizados ensaios bactericidas com os copolímeros de partida e assim foi comprovado que a ação bactericida pôde ser atribuída somente às nanopartículas de prata

Desenvolvimento de membranas de poli(éter imida) sultonada para a permeacão de gases

A busca por membranas com propriedades adequadas a separação de gases em escala industrial tem levado a modificação e sIntese de polImeros de engenharia, com objetivo de obter membranas com propriedades adequadas. Uma das modificaçoes que tem se apresentado promissora é a inserção de grupos sulfônicos em polImeros comerciais. Espera-se que o polImero sulfonado apresente um aumento na permeação de gases polares, em relação a gases apolares, devido a sua estrutura mais polar e flexIvel. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho é a sIntese e caracterização de membranas de poli(éter imida) sulfonada para a permeação de gases. Um planejamento experimental foi desenvolvido, em diferentes condiçoes reacionais de temperatura, tempo e excesso de um dos reagentes (ácido acético), para a sIntese de poli(éter imida) sulfonada (SPEI). Através deste planejamento, constatou-se que as variáveis que mais influenciam o grau de sulfonação são a temperatura e o tempo. O polImero com o maior grau de sulfonação, determinado por capacidade de troca iônica (IEC= 92 mEq H+/g), foi utilizado para o preparo da membrana de SPEI, obtida pela técnica de inversão de fase por evaporação do solvente, utilizando-se clorofórmio como solvente. Este filme foi caracterizado a partir das seguintes análises: espectroscopia de infravermelho (FTIR), calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), a fim de avaliar a influência da inserção do grupo sulfônico na matriz polimérica. O espectro de infravermelho de SPEI apresentou bandas relacionadas as vibraçoes assimétricas em 1240 cm-1 (ligação O=S=O), ligação simétrica em 1171 cm-1 (O=S=O) e ligação S-O entre 1010-1024 cm-1. Isto indica a presença de grupos sulfônicos. A análise de DSC foi realizada entre 150-250C. Nesta faixa, não foram observadas alteraçoes na temperatura de transição vItrea (Tg) do polImero modificado (217C). Acredita-se que a decomposição do grupo sulfona aconteça antes da temperatura atingir o Tg do polImero. Esta suposição é confirmada na análise de TGA. As imagens de MEV mostraram que foram obtidos filmes livres de poros e defeitos. A membrana da SPEI foi utilizada no ensaio de permeaçao dos gases 02, N2 e C02, a fim de determinar a permeabilidade e seletividade da membrana. As permeabilidades encontradas para o gas oxigênio foram de 0,76 barrer para a PEI e 0,46 barrer para a SPEI. A seletividade do dióxido de carbono em relaçao ao oxigênio aumentou de 3,5, na membrana de PEI, para 4,83, na membrana de SPEI. Em relaçao ao nitrogênio, as permeabilidades medidas foram 0,064 barrer e 0,043 barrer, para a PEI e para a SPEI, respectivamente, enquanto a seletividade em relaçao ao C02 aumentou de 41,1 para 55,5. Estes resultados indicam que o efeito de sorçao predominou devido ao aumento das interaçöes moleculares, reduzindo assim o volume livre, o que tornou a membrana sulfonada mais compacta, com permeabilidade menor e maior seletividade. Estes resultados corroboram com a premissa de que a sulfonaçao é um processo promissor para o desenvolvimento de membranas mais eficientes.

Processo de separação por membranas para remoção de sulfato de níquel e zinco de efluente sintético de indústrias metal-mecânicas

O objetivo do presente trabalho foi investigar o desempenho de membranas comerciais e funcionalizadas na remoção de metais pesados de efluentes sintéticos, simulando os efluentes gerados pelas indústrias metal-mecânicas. As membranas funcionalizadas foram preparadas em laboratório a partir de diferentes poli (éter imidas) sulfonadas, SPEI, que apresentavam alta hidrofilicidade e capacidade de troca iônica. As permeabilidades hidráulicas das membranas de SPEI aumentaram com o grau de sulfonação. Porém, as rejeições foram ainda muito baixas comparadas as membranas comerciais. Por esta razão, algumas membranas comerciais (NF-90, SW30, HRP98PP e BW30LE) foram investigadas e avaliadas quanto ao comportamento da permeabilidade de água e o grau de rejeição a metais pesados. Os resultados mostraram que a membrana de osmose inversa de baixa energia (BW30LE) tinha o melhor fluxo de água (48,44 L/h.m2) e grau de rejeição a cádmio (98%). Logo, ela foi selecionada para o tratamento dos efluentes sintéticos de indústrias metal-mecânicas contendo níquel e zinco. As indústrias da região de Valencia, na Espanha, forneceram amostras de seus efluentes para análise quantitativa, possibilitando o prepararo de soluções sintéticas modelos. Os resultados foram obtidos variando algumas condições de permeação, tais como a força motriz, o pH e a concentração dos metais na solução de alimentação. Os resultados indicaram que o processo de osmose inversa com a membrana BW30LE é altamente adequado para o tratamento de efluentes contendo metais pesados

Preparação e avaliação de resinas biocidas impregnadas com iodo a partir de resinas comerciais de estireno e divinilbenzeno

Neste trabalho, foram empregadas duas resinas comerciais de caráter fortemente básico. Ambas tendo como base copolímeros de estireno e divinilbenzeno (DVB), sendo que a VPOC 1950 contém em sua composição grupos quaternários de amônio do tipo 1, que apresentam três grupos metila e a VPOC 1960 grupos quaternários de amônio do tipo 2, que apresentam um grupo etanoíla e dois grupos metila. As resinas comerciais citadas foram escolhidas por apresentarem grande capacidade de troca iônica, estabilidade e grupos funcionais de interesse para a impregnação com iodo. As resinas foram impregnadas com iodo por meio de três metodologias distintas, uma solução metanólica de iodo 0,08 mol/L com e sem iodeto de potássio 0,14 mol/L, e iodo 0,08 mol/L em heptano. As resinas foram caracterizadas por área específica, volume do poro, grau de inchamento, microscopia ótica, espectrometria de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), análise elementar, termogravimetria, microscopia eletrônica de varredura e determinação do iodo fixado por iodometria. A avaliação da atividade biocida foi realizada através do método da contagem em placas, utilizando-se uma cepa de Escherichia coli ATCC11775 em concentrações de 103 a 107 células/mL. Todas as resinas impregnadas mostraram atividade bactericida significante devido à presença de iodo correlacionada às características da resina, tais como: grupos funcionais, tamanho e formato dos poros. Para efeito de comparação, foram realizados ensaios bactericidas com as resinas de partida para comprovação ou não da ação bactericida ser atribuída somente ao iodo

黄土高原小流域土壤pH、阳离子交换量和有机质分布特征

通过野外调查采样和室内分析,研究了黄土高原小流域土壤pH、阳离子交换量(cat-ion exchange capacity,CEC)和有机质的分布特征及其与土地利用方式、地形条件和土壤类型的关系.结果表明:黄土高原小流域土壤pH、CEC和有机质分别介于7.7~8.6、11.9~28.7cmol.kg-1和3.0~27.9 g.kg-1,分别服从正态分布、对数正态分布和负二项分布.3种土壤性质随地形、土地利用方式和土壤类型的不同差异很大.不同土地利用方式下,土壤有机质和CEC以林地、草地和农田较高,果园较低;pH则以林地较低,其他利用方式较高;不同地形条件下,3种土壤性质均呈塬面和坡地大于沟道和梯田的趋势;不同类型土壤中,有机质和CEC以黑垆土和红土较高,pH则以黄绵土较高.整体上,土壤有机质和CEC呈现出相似的变化趋势,而pH的分布特征则与之相反

Sulphonated Tetramethyl Poly(ether ether ketone)/Epoxy/Sulphonated Phenol Novolac Semi-IPN Membranes for Direct Methanol Fuel Cells

The sulphonated phenol novolac (PNBS) which was used as a curing agent of epoxy was synthesised from phenol novolac (PN) and 1,4-butane sultone and confirmed by FTIR and H-1 NMR. The degree of sulphonation (DS) in PNBS was calculated by H-1 NMR. The semi-IPN membranes composed of sulphonated tetramethyl poly(ether ether ketone) (STMPEEK) (the value of ion exchange capacity is 2.01 meq g(-1)), epoxy (TMBP) and PNBS were successfully prepared. The semi-IPN membranes showed high thermal properties which were measured by differential scanning calorimeter (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA) With the introduction of the corss-linked TMBP/PNBS, the mechanical properties, dimensional stability, methanol resistance and oxidative stability of the membranes were improve in comparison to the pristine STMPEEK membrane.

Synthesis and property of a novel sulfonated poly(ether ether ketone) with high selectivity for direct methanol fuel cell applications

Bisphenol monomer 4-carboxylphenyl hydroquinone (4C-PH) containing carboxyl groups was synthesized by diazotization reaction of p-aminobenzoic acid and 1,4-benzoquinone and subsequent reductive reaction. Copolymerization of bisphenol A, 4C-PH, sodium 5,5'-carbonylbis(2-fluorobenzene-sulfonate) and 4,4'-difluorobenzophenone at various molar ratios through aromatic nucleophilic substitution reaction resulted in a new sulfonated poly(ether ether ketone) containing pendant carboxyl groups (C-SPEEK). The structures of the monomer 4C-PH and copolymers were confirmed by FT-IR and H-1 NMR. Flexible and transparent membranes with sulfonic and carboxylic acid groups as the proton conducting sites were prepared. The dependence of ion-exchange capacity (IEC), water uptake, proton conductivity and methanol permeability on the degree of sulfonation has been studied.

Electrochemiluminescence detection of NADH and ethanol based on partial sulfonation of sol-gel network with gold nanoparticles

We developed a stable, sensitive electrochemiluminescence (ECL) biosensor based on the synthesis of a new sol-gel material with the ion-exchange capacity sol-gel to coimmobilize the Ru(bpy)(3)(2+) and enzyme. The partial sulfonated (3-mercaptopropyl)-trimethoxysilane sol-gel (PSSG) film acted as both an ion exchanger for the immobilization of Ru(bpy)(3)(2+) and a matrix to immobilize gold nanoparticles (AuNPs). The AuNPs/PSSG/Ru(bpy)(3)(2+) film modified electrode allowed sensitive the ECL detection of NADH as low as 1 nM. Such an ability of AuNPs/PSSG/Ru(bpy)(3)(2+) film to promote the electron transfer between Ru(bpy)(3)(2+) and the electrode suggested a new, promising biocompatible platform for the development of dehydrogenase-based ECL biosensors. With alcohol dehydrogenase (ADH) as a model, we then constructed an ethanol biosensor, which had a linear range of 5 mu M to 5.2 mM with a detection limit of 12 nM.

Preparação e caracterização de um material híbrido, à base de vermiculita modificada com quitosana, para a remoção de íons de chumbo presentes em efluentes sintéticos

Actually, surveys have been developed for obtaining new materials and methodologies that aim to minimize environmental problems due to discharges of industrial effluents contaminated with heavy metals. The adsorption has been used as an alternative technology effectively, economically viable and potentially important for the reduction of metals, especially when using natural adsorbents such as certain types of clay. Chitosan, a polymer of natural origin, present in the shells of crustaceans and insects, has also been used for this purpose. Among the clays, vermiculite is distinguished by its good ion exchange capacity and in its expanded form enhances its properties by greatly increasing its specific surface. This study aimed to evaluate the functionality of the hybrid material obtained through the modification of expanded vermiculite with chitosan in the removal of lead ions (II) in aqueous solution. The material was characterized by infrared spectroscopy (IR) in order to evaluate the efficiency of modification of matrix, the vermiculite, the organic material, chitosan. The thermal stability of the material and the ratio clay / polymer was evaluated by thermogravimetry. To evaluate the surface of the material was used in scanning electron microscopy (SEM) and (BET). The BET analysis revealed a significant increase in surface area of vermiculite that after interaction with chitosan, was obtained a value of 21, 6156 m2 / g. Adsorption tests were performed according to the particle size, concentration and time. The results show that the capacity of removal of ions through the vermiculite was on average 88.4% for lead in concentrations ranging from 20-200 mg / L and 64.2% in the concentration range of 1000 mg / L. Regarding the particle size, there was an increase in adsorption with decreasing particle size. In fuction to the time of contact, was observed adsorption equilibrium in 60 minutes with adsorption capacity. The data of the isotherms were fitted to equation Freundlich. The kinetic study of adsorption showed that the pseudo second- order model best describes the adsorption adsorption, having been found following values K2=0,024 g. mg-1 min-1and Qmax=25,75 mg/g, value very close to the calculated Qe = 26.31 mg / g. From the results we can conclude that the material can be used in wastewater treatment systems as a source of metal ions adsorbent due to its high adsorption capacity

Hidrofobização, caracterização e aplicação da vermiculita para remoção de óleo insolúvel em água

Among the various layered silicates, vermiculite has been used as one of the adsorbent material by presenting the ion exchange capacity which facilitates the removal of organic compounds which are potential pollutants in relation to the water surface. The importance of the modification of clay minerals by hydrophobization with carnauba wax establishes the increase in oil removal capacity in aqueous medium, it contributes to a better environment for life in ecosystems. The vermiculite when expanded decreases its hydrophobicity requiring the use of a hydrophobizing leaving - the organoclay. In this work were used in the process of modifying the particle sizes of vermiculite -18+16, -16 +20 and -20 +35 #. Samples of vermiculite hydrophobized with carnauba wax and clay mineral without hydrophobizing were characterized with physicochemical analyzes and analytical. Techniques were used: thermal analysis (thermogravimetry and derivative thermogravimetry), infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, fluorescence rays - x adsorption tests. The TG / DTG was used to evaluate the thermal behavior of expanded vermiculite and carnauba wax and samples hidrofobizadas with percentages of 5, 10 and 15 % by weight of hydrophobizing. The results of FTIR confirmed increase of the characteristic signs of carnauba wax in samples hidrofobizadas as the greatest amount of hydrophobizing the clay mineral used in hydrophobization. Thermogravimetry and FTIR show based on the results that coating the surface of the vermiculite occur homogeneously. The data obtained by the technique of x-ray fluorescence with loss on ignition confirmed the results of thermogravimetric analysis in relation to the percentage of wax incorporated. The fluorescence indicates through information provided by the analysis shows that the material covered - is homogeneous. The mev inspection was used to texture and morphology of the clay mineral with and without carnauba wax. The scanning electron microscopy confirms the deposition of wax evenly over the surface of the mineral as indicated by the other techniques. To verify the adsorption capacity of the clay without hydrophobizing hydrophobized and used a fixed volume of water to 1 ½ liters in each experiment with 3 g to 50 g of oil sample. The results show that better extraction of oil for the material processed corresponds to 260 % relative to the weight of the sample coated and greater than 80 % of the oil drop in the system

Remoção de corantes têxteis em solução aquosa utilizando bentonita natural e organofílica

Searches using organoclays have been the subject of great interest due to its wide application in industry and removal of environmental pollutants. The organoclays were obtained using bentonite (BEN) and cationic surfactants: hexadecyltrimethyl ammonium bromide (HDTMA-Br) and trimethyloctadecyl ammonium bromide (TMOA-Br) in ratios of 50 and 100 % of its ion exchange capacity. The materials were characterized by the techniques of X-ray diffraction (DRX), infrared spectroscopy (IR), X-ray fluorescence (FRX), thermal analysis (TA) and scanning electron microscopy (SEM). The bentonite and organobentonite were used on the adsorption of dyes, Remazol Blue RR (AZ) and Remazol Red RR (VM) in aqueous solution. The adsorption models of Langmuir and Freundlich were used for mathematical description of sorption equilibrium data and obtain the constants of the isotherms. The Freundlich model fit to the data for adsorption equilibrium of bentonite, on the other hand both the model fit to the Langmuir adsorption test of organoclays. The adsorption processes using adsorbents with both dyes interspersed with HDTMA-Br show endothermic and exothermic nature, respectively.