Том 10, номер 6, 2020

Коэффициент постфильерной вытяжки (КВ) является важным параметром в процессе формования половолоконных мембран, позволяющий контролировать их разделительные и эксплуатационные характеристики в широком интервале значений. Впервые описан способ определения КВ с помощью подвижного в вертикальном направлении ролика, который позволяет установить соотношение линейных скоростей экструзии полимера из фильеры и намотки сформованной половолоконной мембраны на приемный барабан. В ходе работы были получены половолоконные мембраны из полисульфона при различном параметре КВ. Изучено влияние коэффициента постфильерной вытяжки на морфологию, геометрические и газотранспортные свойства получаемых половолоконных мембран из полисульфона.

Ионообменные мембраны, модифицированные слоями полиэлектролита с чередующимся знаком заряда фиксированных групп, позволяют обеспечить высокую селективность по отношению к однозарядным ионам и поэтому перспективны для электродиализного фракционирования многокомпонентных растворов. При этом в структуре таких мембран присутствуют биполярные границы, способные повышать сопротивление системы и приводить к появлению функции генерации ионов Н⁺ и ОН^–, являющейся не всегда желательной для электродиализного фракционирования. В данной работе мы на основании хронопотенциограмм оценили электропроводность катионообменных мембран МК-40 c нанесенным на их поверхность слоем анионообменного полиэтиленимина, а так-же генерацию ионов Н⁺ и ОН^– на образовавшейся биполярной границе. Мы показали, что возрастание сопротивления мембраны в результате нанесения такого слоя велико и может достигать двукратного увеличения, а генерация ионов Н⁺ и ОН^–, хотя и начинается уже в допредельных токовых режимах, не становится доминирующим процессом массопереноса и приводит к изменению рН обессоливаемого раствора не более чем на 1.5.

Для двенадцати полимеров, перспективных для создания на их основе мембран для экстракорпоральной мембранной оксигенации крови, проведено комплексное междисциплинарное исследование методами газопроницаемости, смачивания, пьезоэлектрического микровзвешивания и прямыми биомедицинскими методами определения гемосовместимости на цельной крови здоровых доноров. Установлено, что наилучшими полимерными материалами для диффузионных мембран оксигенаторов являются триметилсилилзамещенный политрициклононен, полигексафторпропилен и частично-кристаллический полифениленоксид. Показано, что традиционные подходы, связывающие поверхностные свойства полимеров (смачиваемость водой, адсорбция белков плазмы, энергетические характеристики поверхностей) с их гемосовместимостью не обеспечивают однозначных корреляций с биомедицинскими методами, основанными на анализе изменений форменных элементов крови в результате адгезии на поверхности полимера. Сложность механизма взаимодействия поверхности полимеров с кровью не позволяет провести и четких корреляций структура – свойство, традиционных для мембранного газоразделения. Определены направления дальнейших исследований в данной области.

В работе представлены результаты исследования влияния термоактивированной релаксации на газопроницаемость пленок поли(1-триметилсилил-1-пропина) (ПТМСП) разного конфигурационного состава (содержание цис-звеньев от 40 до 80%). Термообработке были подвергнуты пленки как чистого ПТМСП, так и приготовленные с добавлением антиоксиданта Ирганокс 1076. При нагревании полимерных пленок без стабилизатора наибольшую устойчивость показал цис-обогащенный образец ПТМСП (80% цис-звеньев). Добавление антиоксиданта значительно повышает устойчивость пленок ПТМСП к термическому воздействию, при этом наибольшую устойчивость показал транс-обогащенный образец (40% цис-звеньев). Установлено, что в первые 40 ч прогрева транс-обогащенный ПТМСП показывает более быструю релаксацию по сравнению с цис-обогащенными образцами, а при дальнейшей термообработке падение коэффициентов проницаемости происходит медленнее и примерно с равной скоростью для всех образцов. Показано, что термически активированная релаксация пленок ПТМСП приводит к повышению значений идеальной селективности, что особенно заметно для пары CO₂/N₂ (для образцов с содержанием 40 и 80% цис-звеньев α_CO2/N2 достигает 8.2). Данные РСА свидетельствуют об уменьшении межплоскостных расстояний при термообработке и указывают на увеличение плотности упаковки макромолекул в ходе термически активированной релаксации.

Модифицированным методом Гитторфа измерены потоки и эффективные числа переноса ионов натрия и сульфатных ионов через модифицированную биполярную мембрану аМБ-2м в системе с 0.5 М раствором серной кислоты и 1 M раствором гидроксида натрия. Показано, что плотности потоков и эффективные числа переноса ионов натрия и сульфатных ионов ниже для модифицированной биполярной мембраны аМБ-2м в сравнении с промышленными российскими биполярными мембранами МБ-1 и МБ-3. Исследован процесс получения серной кислоты и гидроксида натрия из сульфата натрия в электродиализном аппарате с трехкамерными элементарными ячейками, состоящими из катионообменной мембраны Ralex CMH, модифицированной биполярной мембраны аМБ-2м и анионообменной мембраны Ralex AMH. Использование модифицированной биполярной мембраны аМБ-2м позволяет получать растворы серной кислоты и гидроксида натрия с концентрацией около 1.4 моль-экв/л из сульфата натрия с концентрацией 0.5 М. Загрязнения раствора гидроксида натрия сульфатными ионами на порядок меньше, чем нитратными в процессе получения азотной кислоты и гидроксида натрия из нитрата натрия, вследствие большего исключением сульфатного аниона из катионообменного слоя биполярной мембраны из-за большей величины его заряда, а также большего размера по сравнению с размером нитратного аниона.

Впервые исследовано влияние типа и количества сшивающего реагента на газотранспортные свойства мембран из полиоктилметилсилоксана (ПОМС). В качестве сшивающих реагентов использованы (1,7-октадиен (ОД)), дивинилтетраметилдисилоксан (ДМДС) и два образца полидиметилсилоксана (ПДМС 500 и ПДМС 25000) с молекулярными массами 500 и 25000 г/моль соответственно. Измерены коэффициенты проницаемости, диффузии и растворимости н-бутана, метана, углекислого газа и азота и рассчитаны соответствующие идеальные селективности проницаемости, диффузии и растворимости. Показано, что оптимальные мембранные свойства ПОМС с использованием ДМДС в качестве сшивающего агента достигаются при содержании ДМДС 3%: максимальные величины коэффициента проницаемости н-бутана (9400 Баррер) и идеальной селективности проницаемости н-бутан/метан (26.1). При увеличении доли силоксанового сшивающего агента наблюдается снижение как селективности растворения, так и селективности диффузии по паре газов n-бутан/метан в ряду сшивающих агентов ДМДС, ПДМС 500 и ПДМС 25000.

Применительно к задачам обработки водно-солевых растворов предложена схема установки мембранной дистилляции с возможностью подключения коллекторов солнечной энергии. Данная схема была испытана в среде моделирования Simulink (MATLAB) на примере процесса опреснения морской воды. Исходя из данных о солнечной радиации во Вьетнаме, было проведено моделирование процесса дистилляции с использованием солнечного коллектора и электрического нагревателя переменной мощности. Экспериментальная апробация проводилась на примере опреснения модельного раствора NaCl методом мембранной дистилляции с пористым конденсером, и расчетная производительность модели системы хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными. Моделирование показало возможность снизить энергозатраты на 61% в процессе опреснения водного раствора NaCl с использованием низкопотенциального тепла.

Методом in situ окислительной полимеризации получены композиционные мембранные материалы на основе Nafion-117, градиентно модифицированные поли-3,4-этилендиокситиофеном (PEDOT). Для синтеза поли-3,4-этилендиокситиофена использовали 0.002 и 0.01 М растворы мономера, варьируя при этом концентрацию окислителя. Изучены равновесные (влагосодержание, ионообменная емкость) и транспортные свойства (проводимость, диффузионная проницаемость, коэффициент диффузии) мембран в H⁺- и K⁺-формах. Исследовано влияние модификации мембран на характеристики перекрестно чувствительных ПД-сенсоров (ПД – потенциал Доннана) в водных растворах, содержащих сульфацетамид и щелочь, в широком диапазоне величин рН (5.8–11.2). Массив перекрестно чувствительных ПД-сенсоров на основе мембран разного состава использован для определения действующего вещества в препаратах “Сульфацил натрия” различных производителей. Относительная погрешность определения составила 0.5–3%.