Том 3, номер 2, 2013

В работе представлены результаты изучения характеристик пористой проницаемой керамики, полученной с использованием природного сырья Республики Коми. Проведена адаптация метода поверхностного самораспространяющегося термосинтеза для формирования каталитически активного слоя на поверхности пористой керамической подложки. Показано, что высокая активность синтезированных каталитических мембран CuO‾ Cо₃O₄‾ CeO₂/каолинит и CuO‾ Cо₃O₄‾ CeO₂/кордиерит обусловлена равномерным распределением высокодисперсного активного компонента на поверхности и в объеме микрофильтрационной керамики.

Предложены методы синтеза гибридных мембран МФ-4СК, содержащих оксид кремния с поверхностью, модифицированной протоноакцепторными аминосодержащими группами (3-аминопропил- и 3-(2-имидазолин-1-ил)пропил-). Внедрение в матрицу мембраны частиц оксида кремния с модифицированной поверхностью приводит к уменьшению влагосодержания и обменной емкости по сравнению с мембраной, содержащей чистый SiO₂. Исследованы протонная проводимость, диффузионная проницаемость растворов HCl и NaCl и взаимная диффузия ионов H⁺/Na⁺. Протонная проводимость мембран, содержащих оксид кремния с модифицированной поверхностью, выше, чем исходной мембраны и мембраны, содержащей чистый SiO₂. Показано, что при модификации поверхности оксида кремния 5 мольн. % азотсодержащих групп диффузионная проницаемость уменьшается и улучшается селективность ионного переноса. Причиной этого неординарного изменения свойств является повышение размера пор и соединяющих их каналов наряду с существенным понижением свободного объема внутри пор. В то же время увеличение количества модифицирующих групп до 10 мольн. % приводит к резкому ускорению процессов диффузионной проницаемости и взаимной диффузии из-за возникновения сквозных пор в матрице мембраны.

Исследованы вольтамперные характеристики и процессы электрического пробоя металлизированных трековых мембран с цилиндрическими порами. Показаны особенности процессов протекания тока через диэлектрическую мембрану, связанные с наличием на ее поверхности автоэмиссионных наноструктур. Полученные результаты представляют интерес для решения технологических задач изготовления автоэмиссионных наноструктур на основе металлизированных трековых мембран.

Разработаны методики получения композиционных полиакрилонитрильных мембран путем иммобилизации на их поверхности соединений природного и синтетического происхождения и исследованы их транспортные, функциональные и антибактериальные свойства. Установлено, что мембраны с иммобилизованными на поверхности комплексами характеризуются длительным антибактериальным действием в отношении к грамотрицательным бактериям Escherichia coli НВ 101.

Методом инверсии фаз получены капиллярные мембраны для ультрафильтрации на основе полисульфона и гидроксосоединений олова. Образование коллоидных частиц гидроксосоединений олова в матрице мембраны осуществлялось в процессе формования мембраны в результате гидролиза компонента формовочного раствора дигидрата хлорида олова (II) при контакте с внутренним осадителем (водой). Проведено исследование морфологии и транспортных свойств органо-минеральных мембран. При помощи программы анализа цифровых изображений установлено, что введение добавки дигидрата хлорида олова (II) в формовочный раствор повышает пористость, уменьшает средний размер пор и сужает распределение пор селективного слоя мембраны по размерам. Выявлено, что органо-минеральные мембраны характеризуются более высокой производительностью и более низкой задерживающей способностью по сравнению с не модифицированной мембраной.

Химическим осаждением серебра в ионообменную матрицу создан нанокомпозит Ag⁰/МФ-4СК/C, позволяющий, варьируя концентрацию ионогенных групп в мембране МФ-4СК, изменять количество осажденного серебра. Просвечивающей электронной микроскопией обнаружены частицы серебра размером 3 нм. На электроде, покрытом мембраной МФ-4СК, электровоссатовление кислорода протекает на углеродной подложке, а мембрана МФ-4СК является диффузионным барьером. Наличие полимерной основы, содержащей локализованные противоионы Н⁺ возле фиксированных -SO₃‾ групп, приводит к тому, что в стадии переноса заряда к молекуле кислорода принимает участие ион водорода. Увеличение тока электровосстановления молекулярного кислорода на нанокомпозите Ag⁰/МФ-4СК/C по сравнению с композитом МФ-4СК/C связано с присутствием частиц серебра, приводящим к ускорению реакции за счет каталитического действия, а также возрастанием вклада четырехэлектронного процесса по сравнению с двухэлектронным, характерным для углеродных материалов.

Исследована нанофильтрация разбавленных растворов красителей в нормальных спиртах через мембраны на основе стеклообразного полимера политриметилсилилпропина. Установлено, что разделительные свойства мембраны существенно зависят не только от природы красителя, но и от свойств используемого растворителя. В частности, удерживание красителя Solvent Blue 35 может быть как положительным (когда пермеат обеднен по красителю), так и отрицательным (пермеат обогащен по красителю) в зависимости от типа растворителя. Обнаружено, что удерживание красителей полимерной мембраной коррелирует с термодинамическим сродством компонентов в системе полимер-растворитель-краситель и показывает практически линейную зависимость от коэффициента распределения красителя между мембраной и фильтруемым раствором.

Несмотря на известные достоинства мембранных каталитических реакторов, их промышленное освоение пока далеко от реализации. Исследователи, работающие в этой области, традиционно используют мембранные каталитические реакторы-экстракторы, которые требуют применения наиболее сложных в изготовлении каталитических мембран. Мембранные каталитические реакторы-контакторы и реакторы-дистрибьюторы к настоящему моменту недостаточно изучены, хотя по многим показателям они имеют не меньшие преимущества, чем реакторы-экстракторы. В представленной работе авторы предприняли попытку, хотя бы частично восполнить этот пробел в исследованиях мембранно-каталитических процессов. Рассматривая катализатор на мембране, как один из видов гетерогенных катализаторов, и применяя классический кинетический метод, авторы сравнивали параметры углекислотной конверсии метана в трех каталитических реакторах: обычном каталитическом реакторе со стационарным слоем катализатора, мембранном каталитическом реакторе-контакторе и реакторе-дистрибьюторе. Исследование проводилось с использованием одной и той же каталитической системы, активным компонентом которой, был карбид вольфрама. Было установлено, что в процессе УКМ, который протекает при высоких температурах, мембранные реакторы обеспечивают более высокие показатели.

Сорбцию жидкого раствора полимера изучают в зависимости от условий эксперимента, а полученные результаты обсуждают с учетом химической природы сорбата и сорбента и структуры полимера. В работе приведен алгоритм последовательных действий, показывающий влияние структуры водно-органических растворов на сорбцию их аморфно-кристаллическим полиэтилентерефталатом.

Для описания нанофильтрации разбавленных бинарных растворов через полимерные мембраны развита термодинамическая модель, основанная на теории Максвелла–Стефана. Получено выражение для фактора удерживания, характеризующего селективность мембраны. В частных случаях это выражение сводится к предсказаниям известных моделей растворения-диффузии и Шпиглера–Кедем. Развитая модель тестирована с помощью собственных экспериментальных данных по нанофильтрации растворов красителей через мембраны на основе политриметилсилилпропина. Она позволила описать как положительное, так и отрицательное удерживание растворенного вещества, рассчитать долю сопряженного переноса, а также коэффициент диффузии красителя в мембране.