Том 12, номер 3, 2022

Разработана методика определения чисел переноса воды в ионообменной мембране гравиметрическим методом. На основании сравнительного исследования этой характеристики объемным и гравиметрическим методами найдены условия проведения эксперимента (плотность тока, продолжительность опыта и диапазон концентраций раствора электролита), при которых числа переноса воды различаются не более чем на 5%. Изучена электроосмотическая проницаемость, влагосодержание и удельная электропроводность гетерогенной катионообменной мембраны МК-40 в широком интервале концентраций растворов хлорида и сульфата натрия. Оценено влияние природы коиона на равновесные и динамические гидратные характеристики гетерогенной мембраны. С использованием представления мембраны как двухфазной системы количественно охарактеризована структура гидратированного комплекса фиксированный ион–противоион, рассчитаны числа гидратации сульфогруппы и противоиона натрия, а также число гидратации сульфат-иона в растворе.

Более века теоретические представления, предложенные в работах Санда, используются учеными в области хронопотенциометрии электродных и мембранных систем. Развитие данных представлений позволяет точнее определять параметры исследуемых объектов и выявлять значимые факторы, казавшиеся несущественными. В данной статье с помощью нестационарной двумерной гальваностатической конвективно-диффузионной модели переноса ионов соли проводится теоретический анализ влияния размеров проточной камеры обессоливания электродиализатора на переходные времена, τ, хронопотенциограмм. Показано, что локальная плотность электрического тока распределена неравномерно по всей длине канала обессоливания, и у входа ее значение более чем на порядок выше среднего, а в остальной области на 1–13% (в зависимости от длины канала) ниже. Теория Санда в свою очередь предполагает равномерное распределение плотности тока. Установлено, что τ, полученные с помощью двумерной модели больше, чем рассчитанные по уравнению Санда, τ_s. С уменьшением длины канала обессоливания, L, разница между τ и τ_s увеличивается от 3% (при L = 30 мм) до 14% (при L = 1 мм). Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными для гомогенной мембраны Neosepta CMX, представленные нами ранее. Найденная зависимость позволит уменьшить погрешность измерения свойств проточных электродиализаторов по переходному времени хронопотенциограмм.

Для пленок аморфных полиимидов на основе смеси изомеров диэтилтолуилендиамина и диангидридов 6FDA, BPDA и BPADA показано, что обработка сверхкритическим СО₂ (ск-СО₂) приводит к значительному росту свободного объема и газопроницаемости и некоторому снижению селективности. При этом рост коэффициентов проницаемости обеспечивается ростом как коэффициентов диффузии, так и растворимости. Для ПИ на основе диангидридов 6FDA и BPADA обработка ск-СО₂ приводит к некоторому увеличению селективности диффузии, что интерпретируется как упорядочение упаковки цепей в полимерной матрице, а для ПИ на основе диангидрида BPDA селективность диффузии снижается. Механические испытания пленок ПИ демонстрируют рост модуля упругости при обработке ск-СО₂, что указывает на упорядочение упаковки цепей. Однако для ПИ на основе диангидридов 6FDA и BPADA увеличение свободного объема при обработке ск-СО₂ приводит к увеличению хрупкости пленок. Для ПИ на основе диангидрида BPDA столь резких изменений механических характеристик не наблюдается. В целом, анализ механических характеристик позволяет дополнить анализ газоразделительных данных и подтвердить связь упорядочения упаковки цепей с газоразделительными характеристиками полимеров. Сравнение данных по обработке ск-СО₂ и однородного двухосного деформирования показывают, что набухание пленок полимеров в ск-СО₂ эквивалентно трехосному однородному растяжению.

Получены образцы двухслойных керамик на основе полидисперсного порошка минерала перлита и пеносиликатов, обладающие высокой прочностью на сжатие до 50 МПа, термической устойчивостью до 1150°С и проницаемостью по воде 272 м³/ч м² бар. Материал несущей подложки является рентгеноаморфным по данным рентгенофазового анализа. Средний размер пор несущей подложки составляет 40 мкм, а средний размер пор модифицирующего слоя – 17 мкм по данным метода пузырька и электронной микроскопии. Полученные материалы являются перспективными для использования в качестве подложек при создании микро-, ультра- и нанофильтрационных мембран.

Исследована возможность получения композиционной трековой мембраны (ТМ). Поверхность ТМ модифицирована методом планарного магнетронного напыления титана. Изучены особенности структуры и морфологии тонких пленок титана толщиной 80 нм с использованием комбинации методов, таких как атомно-силовая микроскопия, растровая и просвечивающая электронная микроскопия. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии установлено, что нанослой титана имеет сложный состав, включающий титан, оксид титана, нитрид титана и карбид титана. “Скреч-тест” показал высокую адгезию Ti к ТМ, которая связана с образованием межфазного слоя карбида титана. Установлено, что магнетронное напыление Ti не ухудшает эксплуатационные параметры ТМ и уменьшает краевой угол смачивания воды до величины порядка 33° ± 2°. Исследование выживаемости и скорости роста фибробластов китайского хомячка (линия V79) на ПЭТФ ТМ и ПЭТФ ТМ с Ti показало незначительное снижение выживаемости фибробластов на металлизированных мембранах. Титановое напыления подавляет автофлуоресценцию поверхности ТМ, что позволяет использовать ПЭТФ ТМ с Ti в качестве подложки для микроскопического изучения флуоресцирующих биологических объектов как in vivo, так и in vitro. Полученная ПЭТФ ТМ с Ti может быть использована в качестве основы кожных протезов и мембранно-сорбционных материалов нового поколения. Проведенные исследования показывают, что магнетронное распыление является перспективным подходом к изготовлению металлполимерного мембранного материала.

Методом ЯМР релаксации исследована подвижность катионов щелочных металлов: Li⁺, Na⁺, Cs⁺, в сульфокатионитовых мембранах МСК из полиэтилена с сульфированным привитым полистиролом. Получены кривые восстановления продольной и спада поперечной намагниченностей ядер ⁷Li, ²³Na, ¹³³Cs. Показано, что основным механизмом ядерной релаксации является взаимодействие квадрупольных моментов данных ядер с градиентом электрического поля, создаваемого молекулами воды гидратации катионов и сульфогруппами. Изучены температурные зависимости времен спин-решеточной (Т1) и спин-спиновой релаксации (Т2), из которых определены времена корреляции и энергии активации трансляционной подвижности катионов. Показано, что подвижность катионов в матрице мембран возрастает в последовательности Li⁺ < Na⁺ < Cs⁺. Проведено сопоставление коэффициентов диффузии, рассчитанных из данных ЯМР релаксации, с коэффициентами диффузии, измеренными методами ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля и импедансной спектроскопии, которые характеризуют ионную подвижность с различной степенью локальности. На основании полученных данных обсуждается модель неоднородного ионного переноса в мембранах. Показано, что проводимость мембран лимитируется ионным переносом в наиболее узких порах с минимальной концентрацией функциональных групп.