Том 13, номер 4, 2023

Объект настоящей работы – новая гибридная мембрана на основе поли(м-фенилен-изо-фталамида) (ПА), модифицированного комплексным наполнителем, состоящим из равных количеств гетеролучевых звездообразных макромолекул (ГЗМ) и ионной жидкости [BMIM⁺Tf₂N^–] (ИЖ). Сравнительные исследования структуры проведены на образцах мембран из ПА и гибридных ПА/ГЗМ и ПА/(ГЗМ:ИЖ), содержащих 5 мас. % добавок; использованы методы АСМ, рентгенофазового анализа, измерения плотности и контактных углов смачивания. Транспортные свойства мембран исследованы при разделении смеси метанол/н-гептан методом первапорации. Актуальность этой задачи связана с процессом переработки нефти. При первапорации азеотропной смеси метанол/н-гептан, гибридная ПА/(ГЗМ:ИЖ) мембрана продемонстрировала более высокую производительность и фактор разделения, относительно мембран сравнения. Механические испытания мембран выявили высокий уровень важных для эксплуатации свойств (прочность и относительное удлинение) гибридной мембраны.

На основе промышленных катионообменных гетерогенных мембран МК-40 и гомогенных мембран МФ-4СК в условиях электродиализа получены поверхностно модифицированные катионообменные материалы методом окислительной полимеризации анилина in situ. Изучены проводящие и диффузионные характеристики исходных и модифицированных мембран в растворах серной кислоты и сульфата никеля. Показано, что модифицирование мембран полианилином приводит к снижению их удельной электропроводности и диффузионной проницаемости при сохранении высокой селективности. Диффузионная проницаемость катионообменных мембран выше в растворах сульфата никеля по сравнению с растворами серной кислоты, тогда как для анионообменных мембран обнаружена обратная зависимость. Изучен конкурентный перенос серной кислоты и сульфата никеля при электродиализном разделении и концентрировании их смеси с использованием коммерческих и модифицированных катионообменных мембран в паре с анионообменной мембранной МА-41. Показано, что нанесение слоя полианилина с положительно заряженными группами на одну из поверхностей катионообменных мембран МК-40 или МФ-4СК приводит к уменьшению переноса двухзарядного катиона никеля во всем диапазоне плотностей тока как в режиме разделения, так и концентрирования. При этом наибольший барьерный эффект наблюдается при использовании гомогенных модифицированных мембран, где коэффициент избирательной проницаемости P(H₂SO₄/NiSO₄) увеличивается с 0.7–1.7 до 32.5–19.7 в зависимости от плотности тока. Установлено, что использование катионообменных мембран, поверхностно модифицированных полианилином, позволяет сконцентрировать раствор, содержащий 0.1 моль-экв/л (4.9 г/л) Н₂SO₄ и 0.1 моль- экв/л (7.7 г/л) NiSO₄, с одновременным разделением на серную кислоту с концентрацией около 2.4 моль-экв/л (120 г/л) и раствор сульфата никеля. Содержание сульфата никеля в концентрате при этом не превышает 0.13 моль-экв/л (10 г/л).

Предложен оригинальный способ получения катионообменных композиционных гетерогенных мембран при низкотемпературной ионно-плазменной предподготовке волокнистых систем. Мембраны созданы методом поликонденсационного наполнения полимерных композитов, путем синтеза и отверждения сильнокислотного сульфокатионита на поверхности и в структуре новолачной фенолформальдегидной волокнистой системы. Исследовано влияние низкотемпературной ионноплазменной предподготовки на изменение гидрофильности, капиллярности и структуры гетерогенных катионообменных композиционных материалов Поликон.

Изучено влияние лактозы на основные транспортные характеристики ионообменных мембран, в том числе катионообменных мембран, поверхностно модифицированных полианилином. Обнаружено в разной степени выраженное положительное влияние модифицирования полианилином мембран МК-40 и Ralex CMHPES на их биообрастание клетками культур Bacillus sp. или Shewanella oneidensis MR-1, что обусловлено разной площадью проводящей поверхности этих мембран. Выявлено, что присутствие в растворе лактозы приводит к снижению удельной электропроводности всех исследованных мембран, однако наиболее существенно эффект проявляется для мембраны МК-40, модифицированной полианилином: ее электропроводность, снижается на 15–25%. Диффузионная проницаемость анионообменных и исходных катионообменных мембран слабо зависит от присутствия лактозы в растворе, однако в случае модифицированных полианилином катионообменных мембран наблюдается ее снижение в 2–2.5 раза. Обнаружено существенное влияние лактозы на вольтамперные характеристики анионообменных мембран, что указывает существенную адсорбцию лактозы на их поверхности в условиях внешнего постоянного электрического поля. Показано, что ионообменные мембраны остаются достаточно эффективными для электродиализа растворов молочной сыворотки, однако более эффективным будет их использование в допредельных токовых режимах.

Прямой осмос рассматривают как новую, передовую технологию, способную составить конкуренцию существующим на мировом рынке методам опреснения, обессоливания, очистки и концентрирования природных и сточных вод. В настоящем обзоре представлены возможные области применения прямого осмоса, технологические схемы и наиболее яркие примеры внедрения. Рассмотрены вопросы разработки мембран для прямого осмоса, составов осмотических агентов и их регенерации, загрязнения мембран. Особое внимание уделено проблемам, возникающим при работе мембран прямого осмоса, энергетической и экономической оценке рассматриваемой технологии. Сделаны выводы о текущем статусе коммерческого внедрения прямого осмоса и основных барьерах, встающих на пути его освоения.

В работе были получены мембраны из ПАН с добавлением частиц оксида графена (ОГ), пиролизованного под воздействием ИК-излучения ПАН (ИК-ПАН-а) и наноалмазов (НА). Исследована структура пор полученных мембран. Показано, что добавление углеродных компонентов незначительно снижает средний размер пор мембран с 17 до 12–15 нм, что приводит к снижению проницаемости мембран по воде со 158 до 80.9–119.9 кг/м² ч атм. При этом добавление частиц приводило к гидрофилизации поверхности – угол смачивания по воде снижался с 65° до 48°–55°, что способствовало увеличению потока растворов нефти в толуоле в 2–3 раза по сравнению с ПАН мембраной. В то же время, добавление ГО и ИК-ПАН-а способствовало значительному усилению необратимого засорения мембраны. С другой стороны, добавление наноалмазов не только позволило снизить общее засорение мембраны и повысить проницаемость по разделяемой смеси с 4.93 до 8.47 кг/м² ч атм, но и позволяет восстанавливать более 96% потока чистого толуола. Задерживающая способность мембран с добавлением НА при фильтрации растворов нефти в толуоле 10 г/л составила 85–89%.