Том 10, номер 2, 2020

С целью создания полимерных материалов для сухо-мокрого формования половолоконных газоразделительных мембран селективных и устойчивых к углекислому газу синтезированы и изучены полиарилат-полиэтиленоксидные блок-сополимеры и их модификации блоками полипропиленоксида и полибутилентерефталата. Оптимальное соотношение газоразделительных и механических свойств показал блок-сополимер БСП-10 содержащий 12.5 мас. % блоков кристаллизующегося ПЭО с молекулярной массой 10000 Да и 12.5 мас. % блоков аморфного ППО с молекулярной массой 2000: проницаемость по СО₂ (6.12 баррер), фактор разделения СО₂/N₂ = 36 и модуля упругости (2700 МПа).

Радикальной сополимеризацией п-стиролсульфоната натрия и 1-винилимидазола с последующим переводом в Н-форму получены бинарные сополимеры, обладающие термической стабильностью до 290°С и пригодные для формирования ионообменных мембран. Состав и строение сополимеров подтверждены данными элементного анализа, ИК и ЯМР спектроскопии. Многокомпонентные мембраны на основе сополимеров п-стиролсульфокислоты натрия и 1-винилимидазола получены при использовании в качестве пленкообразователя поливинилового спирта, сшитого щавелевой кислотой. Методом сканирующей электронной микроскопии показано, что поверхность и срез мембран имеет однородную структуру. Удельная электропроводность мембран с различным содержанием стиролсульфокислоты (от 20 до 80 мол. % в сополимере) возрастает с увеличением доли стиролсульфокислоты и при 80°С составляет от 29.5 до 52.0 мСм см^–1. Энергия активации протонного переноса мембран составила от 12.5 до 15.5 кДж моль^–1. Влагосодержание мембран понижается с увеличением содержания в них оснóвного (имидазольного) компонента, что может быть связано с увеличением плотности ионных сшивок за счет кислотно-основного взаимодействия сульфогрупп и пиридиновых атомов азота имидазольного цикла. Результатом образования кислотно-основных пар является формирование дополнительных, наряду с сульфокислотными, каналов непрерывного транспорта протонов, что подтверждается высокими значениями удельной электропроводности даже при понижении содержания сульфостирола в составе мембраны. Повышение содержания 1-винилимидазола в составе сополимера от 20 до 80 мол. % приводит к увеличению относительного удлинения при разрыве с 3 до 6%, прочности при разрыве с 4 до 7 МПа, уменьшению модуля упругости мембран с 127 до 102 МПа и снижению водопоглощения от 45 до 15.

Изучены закономерности паровой конверсии н-бутана в мембранном реакторе при температурах 673–823 К, объемных скоростях сырья 1800 и 3600 ч^–1, соотношениях пар/бутан 3, 5 и 7. При выбранных условиях паровая конверсия бутана сопровождается образованием углеродных отложений, выход которых снижается с увеличением избытка пара. Однако, при увеличении избытка пара возрастает его негативное влияние на отвод Н₂ через мембрану. Сравнительные эксперименты с “немембранным” процессом при постоянном соотношении пар/бутан 5 показали, что в мембранном реакторе увеличивается конверсия бутана в целевые продукты и снижается скорость образования углеродных отложений. При замене отводящего газа на вакуумирование пермеата происходит дальнейшее снижение скорости образования углеродных отложений и увеличение конверсии бутана по реакции с паром. При увеличении объемной скорости сырья от 1800 до 3600 ч^–1 возрастает скорость образования углеродных отложений и ее зависимость от температуры. При объемной скорости 1800 ч^–1 скорость образования углеродных отложений в 2–3 раза ниже и практически не зависит от температуры. В этих условиях конверсия бутана близка к 100%, из реакционной смеси отводится около 80% образующегося Н₂, а при вакуумировании пермеата отвод Н₂ составляет 95%.

Сочетание длительной экспозиции ультрафиолетовым (УФ) излучением с экстракцией из треков продуктов радиолиза и фотолиза позволяет из облученных тяжелыми ионами полиэтилентерефталатных (ПЭТФ) пленок формировать ионоселективные мембраны. Эти мембраны показывают высокую селективность по отношению к однозарядным катионам и высокие транспортные характеристики в режиме электродиализа. Цель настоящей работы состояла в более детальном исследовании механизмов превращения латентных треков в систему сквозных пор субнанометрового диапазона. ПЭТФ пленки облучали ускоренными ионами Хе и Bi с потерями энергии в полимере 11 и 18 кэВ/нм, соответственно. Используя методы гравиметрии, ИК- и УФ-спектроскопии, кондуктометрии и электронной микроскопии, исследовали процесс эволюции свободного объема и накопления карбоксильных групп в облученных пленках на разных стадиях обработки. Установлено, что свойства получаемых мембран зависят от нескольких критических параметров, помимо температуры при экстракции, – потерь энергии бомбардирующего иона, рН раствора при экстракции и флюенса ионов. Драматические изменения свойств мембраны наблюдаются при флюенсах ионов, когда начинают перекрываться отдельные треки.

Исследован процесс генерации электроэнергии методом обратного электродиализа с применением в качестве растворов электролитов карбонизированных водных растворов моноэтаноламина (МЭА) различной концентрации и степени карбонизации. Показано, что эффективность генерации энергии зависит от электролитической активности карбонизированного раствора МЭА. Максимальная удельная мощность 290 Дж/(м² кг ч) была получена с применением 12% карбонизированных растворов МЭА. В процессе генерации энергии происходит декарбонизация раствора МЭА и максимальная степень извлечения диоксида углерода составляет 65.8%.

Для процесса мембранного обессоливания воды получены многослойные динамические мембран с поверхностным слоем из полистирола. Динамический слой получен путем формирования из частиц полистирола с размерами частиц от 55 до 92 нм, находящихся в фильтруемом водном растворе ацетона с водородным показателем рН 5. Стабильность динамического слоя достигалась термической обработкой мембраны при температуре 50°С в течение 10 мин. В результате обработки динамический слой мембраны уплотняется. С увеличением количества динамических слоев наблюдается снижение удельной производительности мембран. После нанесения каждого последующего слоя производительность мембраны снижается в 2 раза. Так удельная производительность четырехслойной мембраны нейлон-полистирол (нейлон-ПС) по дистиллированной воде составила 142 дм³/м² ч. Задерживающую способность мембран определили по ионам Cl^–, NO^3–, SO₄^2-, NH₄⁺, K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ из модельного раствора с общей минерализацией 433 мг/дм³. Задерживающая способность одно-зарядных ионов составила 58%, двух-зарядных ионов более 80% при высокой удельной производительности 118 дм³/м² ч.

Проведена экспериментальная оценка влияния влажности газов (азота, метана и диоксида углерода) на их проницаемость через мембраны на основе поли(винилтриметилсилана) (ПВТМС) и кватернизированного хитозана на специально разработанном экспериментальном стенде. Этот мембранный измерительный стенд был дополнительно снабжен генератором влаги и аналитическим комплексом, в котором электронный гигрометр был сопряжен с газовым хроматографом. При этом были получены данные о влажности газа до и после разделения на полимерной мембране. Экспери- ментально было показано, что мембрана на основе ПВТМС показала стабильность газотранспортных характеристик в присутствии паров воды (до 2.5%). В то же время проницаемость влажных газов через мембрану на основе кватернизированного хитозана существенно снижалась из-за боль- шого сродства полимера к парам воды. При этом проницаемость паров воды характеризуется высоким значением коэффициента проницаемости.