Том 10, номер 1, 2020

Получены композитные протонопроводящие мембраны на основе перфторированных полимеров с короткими боковыми цепями, модифицированных наноалмазами с гидрофильной поверхностью за счет привитых карбоксильных групп. В процессе приготовления мембранных пленок полимер осаждали из раствора в диметилформамиде с введенными в него наноалмазами. Предложенный метод получения композитов позволил достичь повышенной механической прочности и увеличения протонной проводимости материала с ростом температуры в интервале 20–50°С при достаточно низких концентрациях алмаза (0.2–1 мас. %), что важно для применений композитов в топливных элементах при повышенных температурах.

Одним из современных направлений мембранной науки является разработка “умных” мембран, которые способны влиять на транспорт компонентов посредством внешнего воздействия. В случае ионов таким воздействием может быть электрическое поле, создаваемое проводящей поверхностью пор. В работе предложена математическая модель транспорта ионов в цилиндрической нанопоре с электронным зарядом на проводящей поверхности и химическим зарядом, отделенным от поверхности слоем Штерна. Модель основана на одномерных уравнениях для потенциала, концентрации ионов и давления в диффузном слое. В работе она применяется для описания мембранного потенциала при нулевом токе, который характеризует величину и тип ионной селективности мембраны. Показано, что при изменении потенциала поверхности поры в направлении от отрицательных значений к положительным селективность поры непрерывно изменяется от катиона к аниону. Уменьшение емкости слоя Штерна или увеличение радиуса поры приводят к снижению ионной селективности. Наличие положительного (отрицательного) химического заряда вызывает смещение потенциала поверхности, при котором происходит переключение ионной селективности, в область отрицательных (положительных) значений. При указанном значении потенциала мембрана теряет селективность, диффузионный поток ионов достигает максимального значения, а осмотический перенос раствора прекращается. Предложенная модель позволяет количественно и качественно описать результаты экспериментов по переключаемой селективности трековых мембран, модифицированных слоем золота.

В статье приведены результаты исследования хитозановых мембран, обладающих повышенными антимикробными свойствами. Показано, что для придания антибактериальных и антигрибковых свойств фильтрационным мембранам, в которых хитозан находится в водонерастворимой оснóвной химической форме, перспективным подходом является их модифицирование нанокластерным серебром. Проведена сравнительная оценка различных препаратов нанокластерного серебра с целью выявления образца с наибольшей антимикробной активностью. Получены хитозановые водостойкие мембраны с добавкой различного количества нанокластерного серебра из препарата Арговит, которые протестированы на антимикробную активность в отношении аэробных и анаэробных бактерий, а также плесневых и дрожжеподобных грибов. Установлено, что модифицированные нанокластерным серебром мембраны проявляют высокую антимикробную активность и могут быть использованы для очистки биопродуктов, получаемых мембранными методами, от патогенных бактерий и грибов.

В работе получена полимерная композиция на основе промышленного силоксанового каучука СКТН-Д и трис-(метилдиэтоксисилокси)железа при соотношении 60 : 40 мас. % соответственно. Показано, что транспортные параметры индивидуальных углеводородов С₁–С₄ для композиции сопоставимы с результатами, полученными ранее для полидиметилсилоксана. Коэффициенты проницаемости индивидуальных углеводородов С₁–С₄ возрастают с увеличением давления пенетранта. На примере н-бутана продемонстрировано, что такое возрастание обусловлено увеличением как коэффициента диффузии, так и коэффициента растворимости пенетранта. При изучении проницаемости бинарной смеси С₁–С₄ наблюдается увеличение проницаемости метана и убывание проницаемости н-бутана с возрастанием давления, что, по-видимому, обусловлено пластификацией полимерной композиции и присутствием в ней “жестких” полициклических структур на основе железосилоксана. Аналогичные закономерности наблюдались при разделение четырехкомпонентной смеси углеводородов С₁–С₄ для метана и С₂₊ компонентов. Полученные селективности разделения по отношению к метану убывали с возрастанием давления сырьевого потока, однако оставались сопоставимыми с результатами, полученными ранее для замещенных политрициклононенов.

Проведена экспериментальная оценка трехмодульного однокомпрессорного мембранного каскада типа “непрерывная мембранная колонна” в процессе разделения трехкомпонентной газовой смеси, близкой по составу к дымовым газам ТЭЦ (N₂/O₂/CO₂ = 84/9.6/6.4 об. %). В рамках работы выполнен анализ работы каждой из секций аппарата: извлечения и обогащения, а также определены зависимости между составами газовых потоков, отбираемых из этих секций и величины отношения этих потоков к питающему потоку мембранного каскада. Кроме того, была проведена оценка эффективности выделения диоксида углерода. Достигнута чистота CO₂ 91 об. %. Продемонстрирована перспективность применения рассмотренного аппарата в задачах выделения диоксида углерода из дымовых газов ТЭЦ.

С целью повышения проницаемости и механических свойств поли(1-триметилсилил-1-пропин) (ПТМСП) мембран в процессе термопервапорационного (ТПВ) выделения бутанола из ферментационных сред, были получены и экспериментально исследованы ПТМСП мембраны, армированные металлической сеткой. Экспериментально изучено влияние материала сетки (нержавеющая сталь, бронза) и размера ячеек сетки (30–40 мкм) на поток и фактор разделения в процессе термопервапорационного разделения водных растворов бутанола. Показано, что использование металлической сетки в качестве подложки, вместо традиционных коммерческих пористых подложек, не снижает разделительные свойства ПТМСП мембраны в процессе ТПВ выделения бутанола из ферментационных модельных смесей. Найдены режимы разделения, позволяющие реализовать потоки пермеата выше 1 кг/м² ч. Показано, что коэффициент проницаемости воды через ПТМСП мембраны не зависит от температуры разделяемой смеси и толщины мембран, и составляет 2.5 × × 10^–5 моль/м² ч кПа.

Методами ЯМР и импедансной спектроскопии выявлены основные закономерности гидратации сульфогрупп, трансляционной подвижности молекул воды, катионов щелочных металлов и ионной проводимости в сульфокатионитовых мембранах из полиэтилена с привитым сульфированным полистиролом (далее МСК). Показано, что, при влагосодержаниях λ < 4 (λ – количество молекул воды, приходящееся на сульфогруппу), противоионы Н⁺ в мембранах находятся в виде диакваводородных ионов H₅O₂⁺. В области температур ниже 0°С, при λ < 12, молекулы воды сохраняют высокую подвижность и не формируют фазу льда. Методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля на ядрах ¹Н измерены коэффициенты диффузии молекул воды (для Н⁺-формы – средний коэффициент диффузии молекул воды и кислых протонов) и, впервые, для ионообменных систем, на ядрах ⁷Li, ²³Na, ¹³³Cs – коэффициенты диффузии противоионов Li⁺, Na⁺, Cs⁺. В мембранах МСК, находящихся в контакте с водой, коэффициенты диффузии катионов возрастают в ряду Li⁺ < Na⁺ < Cs⁺. Величины проводимости катионов располагаются в той же последовательности Li⁺ < Na⁺ < Cs⁺ << Н⁺. Величины катионной проводимости, рассчитанные из коэффициентов диффузии на основании уравнения Нернста–Эйнштейна, оказались существенно выше экспериментальных значений, что указывает на неоднородность размеров гидрофильных проводящих участков в мембране.

Впервые показана возможность использования нетканого материала из вискозного волокна для получения мозаичных материалов “Поликон”. Материалы получали методом поликонденсационного наполнения полимерных композитов, путем синтеза и отверждения слабоосновного анионита и сильнокислотного сульфокатионита на поверхности и в структуре нетканого материала из вискозного волокна. Отработаны технические приемы и технологические параметры процессов их получения. Выбрана схема проведения технологического процесса “от катионита переход к аниониту” в сочетании с оптимальными временами отверждения. Изучено влияния состава “композиции” на свойства мозаичных материалов. Проведен сравнительный анализ полученных материалов с мозаичными материалами “Поликон” на новолачной фенолформальдегидной волокнистой матрице. Исследована термостабильность и физико-механические свойства мозаичных мембран.