Том 7, номер 2, 2017

Одной из актуальных проблем мембранной науки является возможность улучшения транспортных свойств мембран путем различных методов их обработки. В данном обзоре обсуждаются причины изменения этих свойств на примере гомогенных перфторированных мембран путем их термообработки при различной активности воды, механической обработки и посредством внедрения в их матрицу наночастиц различных материалов.

Предложен новый тип керамических мембран с ионной селективностью на основе нановолокон оксида алюминия (Nafen^TM), покрытых слоем углерода. Синтез мембран осуществляется методом вакуумной фильтрации коллоидного раствора волокон Nafen с последующим термическим отжигом и нанесением углеродного слоя методом химического осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition, CVD). Данные просвечивающей электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния подтверждают формирование углеродного слоя толщиной до 2 нм на нановолокнах. По данным низкотемпературной адсорбции азота, это приводит к уменьшению размера пор (максимум функции распределения смещается от 28 к 16 нм) и соответственному снижению пористости (с 75 до 62%) и удельной поверхности мембраны (с 146 до 107 м² г^–1). С помощью потенциометрического метода установлено, что нанесение углеродного слоя на мембраны из волокон Nafen придает им выраженные ионоселективные свойства. Измерения в водном растворе KCl показали, что полученные мембраны являются анион-селективными с числами переноса 0.94 для аниона и 0.06 для катиона. Определена плотность фиксированного заряда мембран путем аппроксимации экспериментальных данных моделью Теорелла–Мейера–Сиверса. Показано, что плотность заряда возрастает с увеличением концентрации электролита. Полученные мембраны могут быть применены в области нано- и ультрафильтрации, а также для разделения заряженных компонентов смесей. Нанесение проводящего углеродного слоя на поверхность пор является перспективным для создания мембран с управляемой ионной селективностью.

Проведено сравнительное исследование физико-химических параметров и транспортных свойств полимеров гетероароматической структуры: полибензоксазинонимида (ПБОИ) и его гидролитически стабильного форполимера – имидсодержащей полиамидокислоты (ПИ-ПАК). Процесс термического превращения ПИ-ПАК в ПБОИ был изучен методами термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии, а также масс-спектрометрией. Преобразование ПИ-ПАК в ПБОИ увеличивает температуру стеклования и плотность полимера, что приводит к уменьшению доли свободного объема. Оба исследуемых полимера были изучены как мембранные материалы в процессе первапорации при дегидратации водного раствора изопропилового спирта. Показано, что ПБОИ более эффективен в данном процессе по сравнению с форполимером. Транспортные свойства ПБОИ мембраны сравниваются с литературными данными для других полимеров при первапорационном разделении смеси вода–изопропиловый спирт азеотропного состава.

Получены гибридные ионообменные мембраны МФ-4СК, содержащие наночастицы гидратированных оксидов кремния и циркония с поверхностью, функционализированной сульфогруппами. Изучено влияние модификации на свойства материалов в протонной и калиевой формах и характеристики потенциометрических сенсоров на их основе. Модификация мембран приводит к увеличению их ионной проводимости по сравнению с исходной МФ-4СК, а также в ряде случаев к снижению диффузионной проницаемости. Варьирование селективности переноса катионов путем модификации мембраны МФ-4СК позволило снизить чувствительность сенсоров к мешающим катионам гидроксония в кислой среде и повысить ее к анионам и цвиттерионам аминокислот в щелочной. Выбраны оптимальные составы мембран для определения катионов гистидина при рН < 7 и совместного определения катионов калия, цвиттерионов и анионов метионина при рН > 7.

Предложен новый одностадийный метод синтеза и вулканизации октил-замещенного полиметилсилоксана (ПОМС), который позволил получить С₃/С₁ селективные газоразделительные мембраны. Образование и вулканизация ПОМС по реакции гидросилилирования с участием 1-октена и полиметилгидросилоксана подтверждено методом ИК-спектроскопии. На основании результатов, полученных при измерении газопроницаемости мембран ПОМС по постоянным газам и пропану, определено оптимальное соотношение модифицирующего и сшивающего агентов – 95/5, позволяющее получать полимерные пленки с наилучшими газотранспортными характеристиками. Экспериментально найденные коэффициенты проницаемости по метану и пропану (270 и 1560 баррер, соответственно), а также идеальная селективность пропан/метан на уровне 5.8 позволяет сделать заключение о том, что полученный в рамках данной работы ПОМС имеет сопоставимые характеристики с аналогичным мембранным материалом, получаемыми в литературе в ходе многостадийного синтеза.

Получены мембраны на основе полиакрилонитрила, с величиной задерживания растворенного вещества (бычий сывороточный альбумин, ММ = 69000 Да) до 97%. Впервые исследовано влияние обработки мембран из полиакрилонитрила ИК-излучением при температурах до 180°С. Показано, что обработка мембран ИК-излучением в течение 5 мин при 120°С делает ПАН нерастворимым. Исследованы мембраны из полиакрилонитрила, полученные из растворов ПАН в ДМСО с различной концентрацией полимера в формовочном растворе. Для всех исследованных мембран структура и фильтрационные характеристики в результате обработки практически не изменялись. Определены проницаемости мембран для ДМСО, ДМФА, ДМАА, НМП. Показано, что ПАН-мембраны после ИК обработки могут быть использованы для фильтрации данных растворителей, хотя исходный полимер в них растворяется. Также такие мембраны могут быть использованы в качестве подложек для создания химически стойких мембран для нанофильтрационного разделения апротонных растворителей.

Высокоградиентное магнитное поле, формирующееся вблизи пор ферромагнитной трековой мембраны, задерживает на поверхности мембраны частицы, имеющие более высокую магнитную проницаемость, чем окружающая среда. Экспериментально показана принципиальная возможность захвата частиц водной суспензии магнетита на ферромагнитной трековой мембране. Расчеты напряженности полей вблизи мембраны подтверждают полученные экспериментальные результаты.