Том 2, номер 1, 2012

Описан новый технологический процесс получения перфторированного полимерного электролита для протонопроводящих мембран топливных элементов (ТЭ). Процесс основан на водно-эмульсионной сополимеризации тетрафторэтилена (ТФЭ) с перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен) сульфонилфторидом (ФС-141) и отличается высокой производительностью, эффективностью использования дорогостоящего сульфомономера и возможностью управления эквивалентной массой (ЭМ) сополимера. Сополимеры характеризуются однородностью состава, оптимальной ЭМ и позволяют получать протонопроводящие мембраны для топливных элементов со свойствами, не уступающими стандартным образцам Nafion. Предложен механизм протекания процесса сополимеризации ТФЭ с ФС-141 в водно-эмульсионной среде, подтвержденный кинетическими и топохимическими исследованиями.

На основе, проведенных исследований созданы образцы химически стойкой трековой мембраны. Структура пористой мембраны формировалась при облучении полимерной пленки из поливинилиденфторида (ПВДФ) ионами аргона с энергией 41 МэВ с последующей термической предобработкой и химическим травлением. Трековая мембрана на основе поливинилендифторида может быть использована для создания протонобменной мембраны.

Работа посвящена исследованию нанофильтрационных мембран ЭРН, NF90 и SR90 при обработке модельных растворов, имитирующих морскую воду с различным солесодержанием. Показано, что в целом селективность и производительность для всех типов мембран возрастают с повышением давления, при этом наибольшая селективность по анионам и катионам возрастает в ряду ЭРН > NF90 > SR90, а производительность в ряду NF90 > SR90 > ЭРН. Также результаты измерений позволяют оценить, что селективность мало зависит от степени отбора пермеата и солесодержания, содержание солей жесткости снижается на 90–95%, а общее солесодержание снижается на 30–40%. При общем солесодержании 35 г/л рабочее давление не превышает 20 атм., что более, чем вдвое, ниже, чем для мембран обратного осмоса. Таким образом, исследованные элементы могут быть использованы с высокой эффективностью для умягчения морских и солоноватых вод с различным солесодержанием.

Изучено влияние гидрофобных частиц карбида кремния и углеродных нанотрубок на механические и транспортные свойства перфторированных сульфокатионитных мембран МФ-4СК. Показано, что модификация мембран небольшим количеством карбида кремния и углеродных нанотрубок приводит к повышению их механической прочности и селективности транспортных процессов. Повышение концентрации присадок приводит к ухудшению этих параметров и разрушению мембран. Такое изменение свойств объяснено внедрением наночастиц в гидрофобную матрицу мембраны, что приводит к понижению ее эластичности.

Изучены электроповерхностные характеристики трековых мембран (ТМ) из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) с радиусами пор от 6.5 до 60 нм, используемые для ультра- и микрофильтрации. Результаты исследований позволяют косвенно судить о структуре трека и об изменении структуры порового пространства ТМ по мере увеличения радиуса пор. Более высокие значения пористости ТМ, определенные из данных по электрическому сопротивлению мембран, по сравнению со значениями пористости, полученными из фильтрационных данных, позволяют утверждать, что поверхность пор ПЭТФ имеет рыхлую структуру. При термообработке ТМ происходит сближение значений пористости определенных из данных по электрическому сопротивлению и фильтрации. Закономерности изменений изоэлектрической точки, ζ -потенциала и поверхностного заряда (σ) свидетельствуют о том, что свойства и структура поверхности пор ПЭТФ зависят от их радиуса. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования разделительной способности ТМ.

Изучены газотранспортные характеристики (коэффициенты проницаемости, диффузии и растворимости для CO₂, O₂, N₂, H₂) новых мембранных материалов, синтезированных сополимеризацией диметакрилата полиэтиленгликоля и метилового эфира метакрилата полиэтиленгликоля в присутствие ионных жидкостей различного состава. При сравнении характеристик образцов, не содержащих и содержащих ионные жидкости, установлено, что наличие ионных жидкостей увеличивает газопроницаемость образцов, особенно для CO₂. Показано, что в образцах, содержащих ионную жидкость, увеличение проницаемости СО₂ происходит за счет увеличения растворимости СО₂, а увеличение селективности пар газов, содержащих СО₂, происходит за счет термодинамической селективности разделения.

В работе отмечается, что применение мембранных установок обратного осмоса для целей водоподготовки осложняется наличием у них сбросных расходов концентратов, подлежащих утилизации. Предложена и экспериментально проверена технология утилизации концентрата, состоящая в удалении (кристаллизации) содержащегося в концентрате карбоната кальция на затравочных кристаллах. Благодаря этому оказывается возможным из природной воды с помощью установок обратного осмоса получать глубоко обессоленную (умягченную) воду и воду со сниженным содержанием ионов кальция и бикарбонат-ионов, имеющее то же значение солесодержание, что и исходная вода. Разработанная технология может эффективно использоваться при подготовке питьевой воды и при комплексной подготовке подпиточной воды для паровых котлов и теплосетей.