Том 12, номер 2, 2022

В настоящей работе приведен обзор процессов фаулинга – осаждения веществ на поверхности или в порах мембраны, приводящих к изменению ее технологических параметров. Рассмотрены явления деградации и фаулинга в различных мембранных материалах, а также механизмы этих процессов. Показано, что, несмотря на различие химического состава, морфологии мембран, ионитов и процессов, в которых они используются, явления, приводящие к засорению их поверхности и локализованных в объеме мембран пор, во многом оказываются сходными. Среди основных веществ, загрязняющих мембраны можно выделить органические молекулы, полиэлектролиты, кристаллы неорганических веществ, формирующихся из содержащихся в растворе ионов, коллоидные частицы, и биологические организмы. Прочность связывания фаулантов существенным образом зависит от их природы и от химического состава мембран. В то же время многим процессам присущи свои особенности. Так, например, в процессах генерации электроэнергии в топливных элементах или получения водорода в электролизерах, наблюлдается формирование в порах мембран оксидов или металлических частиц с неоднородным распределением, образующихся за счет электролиза. Рассмотрены также последствия процессов фаулинга и методов борьбы с ними. Следует заметить, что основным способом борьбы с фаулингом до сих пор является промывка мембран. В то же время в пследние годы интенсивно развиваются исследования в обласи ингибирования процессов коррозии, а также создания комплексных подходов, интегрирующих различные процессы переработки, включая как мембранные, так и другие технологии.

Для пленок аморфных полиимидов на основе смеси изомеров диэтилтолуилендиамина и диангидридов 6FDA, BPDA и BPADA показано, что однородное двухосное деформирование приводит к повышению модуля упругости и одновременному росту коэффициентов газопроницаемости по сравнению с недеформированными образцами. При этом для ПИ на основе диангидрида BPDA коэффициенты диффузии газов не изменяются, а для ПИ на основе диангидридов 6FDA и BPADA наблюдается снижение коэффициентов диффузии. Таким образом, для всех ПИ рост газопроницаемости при однородном двухосном деформировании объясняется увеличением коэффициентов растворимости газов. Снижение коэффициентов диффузии для ПИ на основе диангидридов 6FDA и BPADA сопровождается увеличением селективности диффузии, что интерпретируется как упорядочение упаковки цепей в полимерной матрице. Совместный анализ механических и газотранспортных характеристик показывает, что для ПИ на основе диангидрида BPADA наблюдается наибольшее упорядочение упаковки цепей, для ПИ на основе фторсодержащего диангидрида 6FDA это упорядочение менее явно, а для ПИ на основе жесткого диангидрида BPDA упорядочение упаковки цепей несущественно, или вовсе отсутствует.

Разработаны новые динамические нанокомпозитные мембраны для гидрофильной первапорации, селективный слой которых сформирован ультрафильтрацией дисперсии наночастиц SiO₂ в растворе поливинилового спирта в тупиковом режиме через пористые мембраны-подложки на основе поли(акрилонитрил-со-метилакрилата). Впервые установлено влияние концентрации наночастиц диоксида кремния в селективном слое поливинилового спирта на структуру, транспортные свойства и устойчивость динамических нанокомпозитных мембран в процессе первапорации смеси этанол/вода. Установлено, что нанокомпозитные мембраны, полученные при введении 10 мас. % SiO₂, характеризуются максимальной толщиной селективного слоя. Шероховатость поверхности нанокомпозитных мембран повышается, а гидрофильность поверхности увеличивается при введении наночастиц SiO₂ в селективный слой. Транспортные свойства нанокомпозитных мембран и их устойчивость в процессе первапорации исследованы при разделении смесей этанол/вода различной концентрации. Установлено, что нанокомпозитные мембраны имеют более низкую удельную производительность, по сравнению с исходной мембраной, однако характеризуются значительно более высоким фактором разделения и большей устойчивостью в процессе дегидратации этилового спирта.

Получено аналитическое выражение для дифференциального сопротивления четырехслойной электромембранной системы, состоящей из бислойной ионообменной мембраны с незаряженным слоем и слоем постоянной по толщине обменной емкости и двух диффузионных слоев одинаковой толщины. Определена степень влияния диффузионных слоев на величину электрического сопротивления системы. Впервые получено алгебраическое выражение для электрического сопротивления поверхностно модифицированной ионообменной мембраны в зависимости от физико-химических характеристик слоев бислойной мембраны.

Измерены вольт-амперные характеристики анионообменной мембраны Ralex AMH и двухслойной мембраны Ralex AMH/МФ-4СК в растворах уксусной и малоновой кислот и коэффициенты селективной проницаемости этих кислот через обе мембраны в области значений рН от 1 до 8 и плотно- стей электрического тока от 0 до 5 А/дм². Показано, что анионообменная мембрана Ralex AMH обладает преимущественной селективностью по отношению к малоновой кислоте во всем диапазоне рН и плотностей тока. Двухслойная мембрана Ralex AMH/МФ-4СК при всех значениях рН селективна к уксусной кислоте при плотностях тока меньше предельного электродиффузионного. При токах, превышающих предельный, эта мембрана селективна к малоновой кислоте. Значение коэффициента селективной проницаемости объясняется протеканием двух конкурирующих процессов: диссоциацией молекул воды, ускоряющейся при токах выше предельного на исследуемых мембранах, и процессами протонирования – депротонирования с участием ионов и молекул малоновой и уксусной кислот.

Исследованы особенности массопереноса компонентов через ионообменные мембраны при электродиализе трехкомпонентного раствора ароматическая аминокислота–дисахарид–минеральная соль с инертными спейсерами. Выявлено взаимное влияние компонентов системы при транспорте через гетерогенные мембраны МА-41 и МК-40. Показано, что потоки фенилаланина через мембраны достигают меньших значений при большей концентрации сахарозы в исходном растворе. При этом наблюдаются более низкие значения степени обессоливания, чем в случае меньшего содержания углевода в смеси. Установлено, что основные потери сахарозы в ходе обессоливания обусловлены ее массопереносом через катионообменную мембрану, а фенилаланина – через анионообменную. Применение схемы электродиализа с биполярными и анионообменными мембранами на следующей стадии обеспечивает эффективное разделение ароматической аминокислоты и дисахарида из предварительно деминерализованного раствора за счет сопряженного транспорта фенилаланина через анионообменную мембрану с гидроксильными ионами, генерируемыми на внутренней межфазной границе биполярной мембраны.

Проведено исследование поверхностных свойств и химической структуры наноразмерных покрытий, осажденных на поверхности полиэтилентерефталатных трековых мембран с помощью методов полимеризации органических соединений в плазме, магнетронного распыления и электронно-лучевого диспергирования полимеров в вакууме. Показано, что применение данных методов при использовании в качестве исходных соединений для модифицирования, обладающих низкой поверхностной энергией, позволяет получать на поверхности мембран гидрофобные покрытия. Показано, что осаждение на поверхности трековых мембран покрытий методами плазмохимической полимеризации и магнетронного распыления ведет к сглаживанию структурных неоднородностей. Осаждение покрытий методом электронно-лучевого диспергирования полимеров, напротив, вызывает повышение поверхностной шероховатости. Наблюдаемые различия в морфологии поверхностного слоя композиционных мембран связаны с размерами осаждающихся полимерных наноструктур. Установлено, что химическая структура покрытий, осажденных методом электронно-лучевого диспергирования полимеров, в большей степени соответствует структуре исходных полимеров по сравнению с покрытиями, полученными методами плазмохимической полимеризации и высокочастотного магнетронного распыления.