Том 12, номер 4, 2022

Изучено влияние основных параметров процесса формования половолоконных (ПВ) мембран на основе полиэфирсульфона (ПЭС) методом свободного прядения. Проанализировано влияние скорости дозирования полимерного раствора, внутреннего осадителя, высоты воздушного зазора и температуры внутреннего осадителя на геометрические размеры, структуру и транспортные свойства мембран. Показано, что варьирование указанных параметров формования позволяет в широких пределах регулировать транспортные свойства получаемых мембран: производительность по дистиллированной воде в пределах 120–950 л/м² ч, коэффициент задерживания по ПВП К-30 в интервале 20–93%. Установлено, удельная производительность ПЭС ПВ мембран линейно возрастает с увеличением фильерной вытяжки (ФВ) волокна независимо от того, варьированием какого параметра процесса формования это достигается. Методами СЭМ и АСМ показано, что увеличение ФВ приводит к росту доли взаимосвязанных пор на селективной поверхности ПЭС ПВ мембран и трансформации формы пор от круглой к щелевидной. Проведен сравнительный анализ структуры и свойств половолоконных и плоских мембран, полученных из одного и того же состава формовочной композиции. Показано, что для плоских мембран характерна анизотропная губчатая структура, в то время как в случае полых волокон дренажный слой пронизан пальцеобразными вакуолями (макровоидами). Сделан вывод, что формирование макровоидов, а также на порядок более высокая производительность ПВ обусловлены нарушением целостности (микроразрывами) формирующегося селективного слоя в результате вытяжки волокна в воздушном зазоре.

Проведено исследование влияния температуры в широком диапазоне (от 258.15 до 293.15 К) на газотранспортные характеристики полимерных газоразделительных асимметричных волокон на основе полисульфона для компонентов бинарной газовой смеси CO₂/N₂ различного состава. В рамках работы были определены значения коэффициентов проницаемости, диффузии и растворимости чистых газов в интересующем диапазоне температур, а также значения коэффициента проницаемости компонентов бинарной газовой смеси CO₂/N₂ с привлечением ГХ анализа потока пермеата. В данной работе было продемонстрировано: процесс разделения проходит наиболее эффективно при комнатной температуре в случае низкого содержания диоксида углерода (до 15 мол. %) в бинарной смеси. Экспериментально было показано, что в остальном диапазоне концентраций CO₂ процесс разделения смеси наиболее эффективен при пониженной температуре (273.15 К). Дальнейшее снижение температуры не делает процесс разделения смеси более эффективным во всём рассмотренном диапазоне концентраций диоксида углерода.

Получены перфторированные сульфокатионообменные мембраны МФ-4СК, содержащие 0.5–1.0 мас. % углеродных нанотрубок с карбоксильными группами на поверхности. На их основе разработаны мультисенсорные системы для совместного определения аминокислот (суммарной концентрации их анионной и цвиттер-иононной форм) и катионов K⁺ в водных растворах при рН от 8 до 10 в диапазоне концентраций от 1.0 × 10^–4 до 5.0 × 10^–2 М. Относительная погрешность определения аланина (5–15%), валина (0.3–10%) и фенилаланина (0.7–5%) соизмерима с таковой для катионов K⁺ (1.4–11%). Различия в перекрестной чувствительности сенсоров на основе исходной и модифицированных мембран, необходимые для их использования в мультисенсорных системах, достигнуты за счет изменения микроструктуры мембран и появления новых реакционных центров, по разному влияющих на условия необменной сорбции алифатических и ароматической аминокислот.

Исследовано влияние параметров униполярного коронного разряда (время обработки, напряжение) на производительность и селективность разделения модельных эмульсий типа “нефть в воде” на основе девонской нефти с использованием ацетат целлюлозных мембран (АЦ) с размерами пор 0.2 мкм. Определены значения содержания нефтепродуктов в модельной эмульсии, а также в реальной пластовой воде и фильтратах. Выявлены значения времени обработки и напряжение коронирования мембраны – 15 кВ и 5 мин, при которых достигается наибольшая производительность – 20 дм³/(м² ч) и эффективность – 99.3% удаления углеводородов из водонефтяной эмульсии. Увеличение производительности объясняется повышением пористости фильтров с 65.8 до 83.6%, а большая эффективность достигается в результате химической реструктуризации поверхности мембраны. Методом сидячей капли выявлено увеличение смачиваемости поверхности АЦ фильтра, обработанного коронным разрядом (U = 15 кВ и τ = 5 мин), по снижению краевого угла смачивания с 72.5° до 64.6°. По данным электрофоретического светорассеивания, фильтрат модифицированной мембраны обладает меньшей агрегативной устойчивостью и содержит частицы меньшего размера по сравнению с исходным фильтром. Эффективность снижения солесодержания при очистке пластовой воды мембраной, обработанной коронным разрядом при U = 15 кВ и τ = 5 мин составила 99.2%.

В данной работе исследован процесс пленочной дистилляции с пористой конденсирующей поверхностью (ПД-ПКП) применительно к задачам концентрирования литийсодержащих растворов. Концентрирование растворов является частью трехступенчатого цикла извлечения лития, включающего размягчение рассола путем осаждения катионов Ca²⁺/Mg²⁺ карбонатом натрия (рассчитанный в PHREEQC), за которым следует интегрированная система, состоящая из установки мембранной дистилляции, кристаллизатора (осаждение NaCl) и мембранной экстракции (извлечение Li⁺). Были исследованы потоки производительности пленочного дистилляционного модуля 4.15–7.49 кг/м² ч при 60 и 80°С нагрева поверхности испарения (соответственно). Комплексная работа трехступенчатой системы была смоделирована в Simulink/MATLAB. Моделирование процесса, основанное на экспериментальных и литературных данных, показало более высокую эффективность пленочной дистилляции с пористой конденсирующей поверхностью в сравнении с мембранной дистилляцией с пористой конденсирующей поверхностью (4.2 кг лития против 1.4 кг за два месяца стационарной работы системы).

Для задачи дегидратации триэтиленгликоля (ТЭГ) методом термопервапорации с пористым конденсером (ТПВ-ПК), были экспериментально исследованы транспортные и разделительные характеристики известных коммерческих композиционных мембран с гидрофобными и гидрофильными свойствами, как по индивидуальным компонентам (вода и триэтиленгликоль), так и по бинарной смеси ТЭГ-вода различного состава. Установлено, что самой эффективной мембраной при ТПВ-ПК дегидратации ТЭГ является гидрофобная мембрана PolyAn (PolyAn GmbH, Германия), которая продемонстрировала максимальные значения потока пермеата и индекса первапорационного разделения. При термопервапорационном разделении смеси ТЭГ-вода (содержание воды в ТЭГ 30 мас. %) мембрана PolyAn демонстрирует значения фактора разделения вода/ТЭГ 74000 и поток пермеата 0.95 кг/м² ч. Впервые с применением PolyAn мембраны был проведен длительный эксперимент по осушке 5 кг раствора ТЭГ-вода. За 113 ч проведения термопервапорационного эксперимента по дегидратации ТЭГ, удалось уменьшить содержание воды с 30 до 5 мас. %.

В работе предложен новый метод послойного формования мембран из одного и того же полимера. Подход основан на использовании модификации полиакриланитрила (ПАН) под действием ИК-излучения для перевода полимера в нерастворимую форму с целью нанесения последующих слоев. Предложенный подход позволяет независимо регулировать структуру и характеристики отдельных слоев мембраны для достижения высоких эксплуатационных характеристик. Важной особенностью ИК модификации является то, что размер пор и проницаемость мембран не изменяется в результате модификации. Это позволило использовать различные условия для формирования отдельных слоев мембраны. Мембраны имели губчатую структуру поверхностного слоя и пальцевидные поры в объеме мембраны. Порог отсечения по молекулярной массе (МWСО) для мембран составил 1800 г/моль при проницаемости 38.7 л/(м² ч атм). Размер пор полученных мембран составил 3.7 нм.

Концентрирование низших алифатических спиртов из разбавленных водных растворов является одной из актуальных задач, решение которой требуется в том числе для использования энергии из возобновляемого сырья. Одним из перспективных процессов концентрирования спиртов является парофазный мембранный метод с применением водоселективных мембран. В работе проведено исследование транспортных и разделительных характеристик промышленной нанофильтрационной мембраны типа НаРМ, производимой АО “РМ Нанотех” при разделении смесей паров воды и алифатических С₁–С₄ спиртов при температуре 60°С. Данные исследования показывают существенное изменение транспортных и разделительных характеристик мембраны при ее использовании в парофазном процессе, что связано с постепенным удалением глицерина, применяемого в качестве консерванта. Полученные стабильные значения демонстрируют высокую проницаемость паров воды, на уровне коммерческих первапорационных мембран, и селективность вода/спирты в диапазоне 25–45. Результаты исследования могут помочь расширить область практического применения отечественной мембраны в процессах концентрирования спиртов из разбавленных водных растворов с применением парофазного мембранного метода.

В работе исследован процесс гетерогенного сульфирования полистирола в составе радиационнопривитого сополимера с поливинилиденфторидом в зависимости от времени реакции и типа сульфирующего агента (хлорсульфоновая кислота или ее эквимолярная смесь с уксусной кислотой). Охарактеризованы степень гидратации, ионообменная емкость и ионная проводимость полученных мембран. Состав и строение материалов на различных стадиях синтеза были исследованы методами спектроскопии ИК, ЯМР ¹Н, ЭПР, элементного анализа, сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектральным микроанализом. Полученные материалы по величине ионной проводимости превосходят мембраны Nafion®212. Показано, что механические свойства и газопроницаемость по водороду мембраны с наибольшей ионной проводимостью (52 мСм/см при 80°С в контакте с водой) также лучше, чем у мембраны Nafion®212.

Литиевые аккумуляторы с металлическим анодом являются перспективной заменой литий-ионных аккумуляторов благодаря возможности достижения высоких значений плотности энергии. Существенной проблемой при их конструировании является прорастание дендритов через сепаратор, что делает эти аккумуляторы небезопасными и ограничивает их коммерческое применение. В данной работе получен полимерный электролит на основе катионообменной мембраны Nafion, сольватированной тройной смесью этиленкарбонат – диметилкарбонат – N,N-диметилацетамид, который обладает ионной проводимостью 1.8 мСм см^–1 при 25°С и окном электрохимической стабильности 4.1 В. Показано, что симметричная ячейка Li/Li стабильно циклируется в гальваностатическом режиме при плотности тока 0.1 мА см^–2 в течение >350 ч.

8 мая 2022 года исполнилось 75 лет члену редакционной коллегии журнала “Мембраны и мембранные технологии” Заболоцкому Виктору Ивановичу.