Том 8, номер 3, 2018

Экспериментально получены концентрационные зависимости сорбции электролита с^*(с), удельной электропроводности κ^*(с) и диффузионной проницаемости P^*(c) катионообменных мембран МК-40 и Nafion-117 в растворах NaCl. Обе мембраны содержат макропоры: гетерогенная мембрана МК-40 содержит поры размером до 1 мкм между частицами ионообменной смолы и полиэтилена; гомогенная мембрана Nafion-117 прошла специальную термическую подготовку, которая привела к образованию макропор. Впервые показано, что перечисленные экспериментально найденные зависимости с^*(с), κ^*(с) и P^*(c) могут быть количественно описаны с использованием одного набора структурно-кинетических параметров микрогетерогенной модели.

В работе исследуется влияние внешнего электрического поля на ионную проводимость и селективные свойства керамических мембран на основе нановолокон оксида алюминия, покрытых проводящим слоем углерода. Показано, что мембраны являются идеально поляризуемыми в области поляризующих напряжений от –500 до +500 мВ, что позволяет использовать их для реализации управляемой ионной селективности. Экспериментально установлено, что сопротивление мембраны уменьшается при изменении приложенного к ней потенциала от 0 до ±500 мВ. Продемонстрирована возможность изменения селективности мембраны от аниона к катиону в зависимости от внешнего потенциала. На основе экспериментальных измерений мембранного потенциала определена поверхностная плотность заряда мембран с помощью модели Теорелла–Мейера–Сиверса.

Предложен новый первапорационный метод, позволяющий селективно удалить летучие хлорорганические соединения (ЛХС) из загрязненной воды, локализовать их на активированном угле непосредственно в мембранном модуле, создать достаточную движущую силу процесса за счет высокой сорбционной емкости и селективности сорбции активированного угля по отношению к ЛХС, а также отказаться от использования дорогостоящего вакуумного оборудования и затрат на работу вакуумных насосов. Изучено влияние концентрации ЛХС в растворе и скорости течения разделяемой смеси на эффективность выделения ЛХС из воды. Обнаружено, что основное сопротивление потоку ЛХС через мембрану вызвано наличием дополнительного сопротивления потоку, связанного с диффузионными затруднениями в пограничном к мембране слое жидкости. Показано, что значения потока ЛХС для предложенного первапорационного метода (до 0.47 кг/м² ч при температуре 30°С) в несколько раз больше, по сравнению с традиционными первапорационными подходами. При этом фактор разделения достигает высоких значений 380–2400 для смеси хлороформ/вода и 400–4800 для смеси трихлорэтилен/вода.

Объектом исследования являются отработавшие свой ресурс композитные мембраны на основе патронных фильтров из волокнистого полипропилена. На основании экспериментальных данных по фильтрации питательного потока в радиальном режиме через композитную мембрану было показано, что выведение ионных форм железа и марганца наблюдается во всем диапазоне гидростатических давлений, также фиксируется устойчивое уменьшение концентрации катионов щелочноземельных металлов в фильтрате при давлении от 0.16 МПа. Таким образом, в зависимости от условий эксплуатации, отработавшие в системах тупиковой фильтрации со сформировавшимся осадком мембраны способны обеспечить сочетание свойств осадительных методов разделения и концентрирования ионов с возможностями известных мембранных методов по получению водных потоков требуемого качества.

Исследованы зависимости скорости переноса жидкой воды и ее насыщенного пара через коммерческие (Нафион и МФ-4СК) и синтезированные авторами протоно-обменные мембраны (пленки ПВДФ, ПП, СВМПЭ, ПТФЭ с включенным в них сульфированным полистиролом) от толщины мембран. Установлено, что при комнатной температуре (17–25°С) скорость переноса жидкой воды и ее насыщенного пара через мембраны в поток воздуха практически не зависят от типа мембран и их толщины (60–240 мкм), а скорость переноса насыщенного пара почти на порядок ниже, чем скорость переноса жидкой воды, контактирующей с одной из поверхностей мембраны. Независимость потока воды и ее пара через мембрану от ее толщины при максимальном увлажнении позволяет заключить, что сопротивление потоку определяется сопротивлением на границах – питающей и испаряющей. При контакте жидкой воды с одной из поверхностей мембраны скорость переноса равна скорости удаления воды с испаряющей поверхности мембраны, а при контакте насыщенного пара – скоростью сорбции мембраной воды из паровой фазы. Полученные результаты представляются полезными для оптимизации работы топливных элементов, использующих полимерные протоно-обменные мембраны.

Проведено сравнение аналитических решений краевых задач для двух видов течения: фильтрации ньютоновской жидкости в среде Бринкмана и свободного течения микрополярной жидкости. Оба течения рассматриваются в плоском и цилиндрическом каналах с непроницаемыми стенками, на которых выполняется условие прилипания. Установлена аналогия между рассмотренными решениями. Сформулированы условия их тождественности.

Проведена экспериментальная оценка трехмодульной мембранной колонны в процессах глубокой очистки газов от легкопроникающих примесей на примере разделения бинарной газовой смеси CH₄/CO₂ (содержание CO₂ 1 об. %). Определено время достижения состояния близкого к стационарному в безотборном режиме для двух конфигураций аппарата: трехмодульная мембранная колонна и непрерывная мембранная колонна, предложенная Хвангом с коллегами. Выявлено влияние эффективности удаления легкопроникающего примесного компонента на степень очистки отбираемого труднопроникающего продукта. Достигнута чистота конечного продукта 99.997% и 99.93% при степени отбора равной 15 и 81% соответственно. Продемонстрирована перспективность применения аппарата конфигурации трехмодульная мембранная колонна в процессах глубокой очистки газов.