Том 6, номер 1, 2016

Последние годы характеризуются интенсивным развитием мембранных технологий, использующих новые типы ионообменных мембран, которые содержат наночастицы неорганических веществ, – гибридные материалы. Такая модификация приводит к существенному изменению системы пор и каналов, а также транспортных свойств мембран. В результате модификации такие материалы имеют заметные преимущества по сравнению с традиционными мембранами. В данном кратком обзоре рассмотрены перспективы применения гибридных ионообменных мембран. Отмечены особенности и преимущества их использования в системах водоочистки, электролизерах, устройствах для электрохимической генерации тока, сенсорах, в катализе и газоразделении.

Исследовано влияние облучения и последующего травления латентных треков (ЛТ) в пленках из поли-4-метилпентена-1 (ПМП) на транспортные параметры полученных мембран. Облучение проводили ускоренными ионами Kr и Xe с энергиями 4.5 и 1.2 МэВ/нуклон и флюенсами 106–109 см^–2. Установлено, что облучение с последующим травлением дает возможность получить анизотропную мембрану с непористым селективным слоем между двумя пористыми слоями с конусообразными порами. Исследованы транспортные характеристики полученных мембран для СН₄, СО₂ и Не. Показано, что предложенные методы модификации позволяют значительно увеличить поток газа через мембрану. Представляется, что в случае ПМП техника травления ионных треков может послужить базисом для создания мембран с непористыми высокопроницаемыми газоселективными слоями.

В статье приведены результаты экспериментального исследования структуры и свойств диацетатцеллюлозных фильтрационных мембран с твердыми наполнителями, в качестве которых использованы термообработанные отходы обмолота проса. Определены порометрические параметры исходного полимера и твердых наполнителей, реологические свойства формовочных растворов, а также эксплуатационные характеристики полученных композиционных мембран.

В результате проведенных исследований установлено влияние выбранных волокнистых систем на кинетику синтеза и отверждения полимерной матрицы; изучены особенности структуры материалов “Поликон К”, сформированных на полиакрилонитрильных, полиэфирных и новолачных фенолоформальдегидных волокнах; определены эксплуатационные характеристики получаемых материалов.

Изучено влияние концентрации и молекулярной массы полиэтиленгликоля (ПЭГ, 400–40000 г моль^–1) на фазовое состояние и вязкость трехкомпонентных растворов полисульфон–полиэтиленгликоль–диметилацетамид. Показано, что с увеличением молекулярной массы (ММ) ПЭГ область существования гомогенных растворов сокращается, что связано с несовместимостью полимеров, а вязкость растворов возрастает. При постоянной концентрации ПЭГ (5%) зависимость вязкости от ММ носит сложный характер: в интервале молекулярных 1000–6000 г моль^–1 вязкость растворов практически не изменяется, а при увеличении молекулярной массы свыше 6000 г моль^–1 наблюдается резкий рост вязкости. Показано, что характер изменения производительности мембран определяется концентрацией ПЭГ в растворе. При содержании ПЭГ 5% с ростом молекулярной массы производительность мембран увеличивается, а задерживающая способность уменьшается, при увеличении концентрации ПЭГ до 25% максимальная производительность зафиксирована для ПЭГ-400. С использованием теста точки пузырька показано, что с увеличением ММ ПЭГ возрастает доля крупных пор, которые можно рассматривать как дефекты селективного слоя.

В работе представлены результаты исследования влияния термического отжига на структурные и проводящие свойства упорядоченных массивов нанотрубок цинка, полученных методом электрохимического осаждения в трековые мембраны на основе полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Методы растровой электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и энергодисперсионного анализа были использованы для комплексного анализа размерности, химического состава и кристаллической структуры синтезированных образцов. Показано, что термический отжиг нанотрубок на основе цинка позволяет регулировать появление оксидной фазы в наноструктурах. Наличие оксидной фазы ZnO в процентном соотношении по массе не более 10% приводит к снижению сопротивления и увеличению проводимости. Кроме того, изменяя кристаллическую структуру Zn-нанотрубок методом термического отжига можно получать упорядоченные массивы полупроводников n-типа, имеющих значительные перспективы повсеместного применения в наноэлектронике и нанооптике.

Представленная в работе неизотермическая методика исследования мембранного газоразделения (на примере мембраны МДК-1) демонстрирует возможности экспрессной оценки разделительной способности коммерческих мембран, как по индивидуальным компонентам, так и различным смесям в температурном диапазоне от –20 до +40°С. Проведена оценка эффективности мембранного процесса в этих условиях (модель мембранного модуля перекрестного тока) для разделения смесей пропан-метан. Показано, что проницаемость метана с понижением температуры уменьшается в Аррениусовских координатах, а пропана – увеличивается. Селективность разделения в смеси понижается более чем в 2 раза по сравнению с идеальной. Тем не менее, отмечено значительное улучшение разделения при понижении температуры, причем степень извлечения целевого продукта и его чистоту можно гибко варьировать в зависимости от поставленной практической задачи. Неизотермическая методика будет полезна для быстрого подбора условий (температура, давление, разделяемые компоненты) для эффективного применения полимерных мембран в разделении углеводород-содержащих смесей, приближенных по своему составу к реальным газовым источникам.

В работе рассмотрен процесс извлечения гелия из гелийсодержащего природного газа высокого давления с помощью мембранных технологий. В качестве технологической схемы выбрана двухступенчатая схема противоточного каскада с рециркуляционым делителем в качестве второй ступени. Проведено исследование влияния селективности мембраны на энергоэффективность процесса очистки природного газа от гелия.

Неоднородное электрическое поле, формирующееся вблизи пор металлизированной трековой мембраны, задерживает на поверхности мембраны частицы, имеющие более высокую диэлектрическую проницаемость, чем окружающая среда. Экспериментально показана принципиальная возможность разделения суспензий методом диэлектрофореза на металлизированных трековых мембранах (на примере суспензии рутила в дистиллированной воде).

В работе исследована гидродинамика структуры потока промышленного обратноосмотического аппарата рулонного типа на примере серийно выпускаемых мембранных элементов ЭРО-Э-6.5/900А и ЭРО-К-92-475 при рабочих давлениях процесса от 1.0 до 4.0 МПа. Получены экспериментальные данные по кривым отклика и коэффициенту продольного перемешивания в зависимости от скорости течения раствора и давления в разделительном модуле, что позволило получить критериальное уравнение для расчета коэффициента продольного перемешивания. Приведены численные значения эмпирических коэффициентов, которые позволяют рассчитывать коэффициенты продольного перемешивания, а также прогнозировать их значения для аналогичных мембранных аппаратов, работающих при высоком гидростатическом давлении.

С помощью разработанного нами оптического метода, основанного на поглощении твердым веществом (частицами суспензии) излучения от эталонного внешнего источника, экспериментально определяется профиль концентрации осаждаемых частиц, с учетом силы тяжести, вдоль потока суспензии через протяженную “прозрачную” пористую структуру, моделирующую “глубокую” (deep bed) фильтрацию на мембране. При постоянной разности давлений на входе и выходе из фильтрационной ячейки расход суспензии измеряется с течением времени. Используя методы механики сплошной среды, строится уравнение неразрывности выделенного движущегося объема суспензии, изменение массы частиц в котором пропорционально концентрации суспензии в единице объема пористой мембраны с изменяющейся пористостью. По изменению концентрации осажденных частиц по толщине мембраны находится коэффициент пропорциональности для предложенной зависимости интенсивности осаждения частиц на пористом скелете от концентрации частиц в суспензии.

Обсуждаются результаты моделирования ультрафильтрации вторичного молочного сырья на примере творожной сыворотки. Развита математическая модель ультрафильтрационных процессов, учитывающая условия образования на поверхности мембраны концентрационного гель-слоя из выделяемых сывороточных белков. Результаты математического моделирования сопоставлены с экспериментальными данными и определены условия их наилучшего согласования.