Том 9, номер 1, 2019

В работе представлены результаты разработки блока расчета массопереноса в газоразделительном мембранном аппарате в среде Aspen Plus. Проверка созданной пользовательской модели проводилась на основе сравнения результатов расчета разделительных характеристик с имеющимися экспериментальными данными для двух случаев. В первом случае проводилось сравнение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными при разделении трехкомпонентной парогазовой смеси H₂O/EtOH/N₂ (13.3/5.5/81.2 мол. %), имитирующей поток из отдувочной колонны при извлечении этанола из ферментационной смеси парофазным мембранным методом, с использованием лабораторного мембранного модуля плоскорамного типа. Было показано, что при разделении трехкомпонентной парогазовой смеси величины концентраций компонентов в потоках ретентата и пермеата, полученные в расчете близки к экспериментальным значениям. Во втором случае проводилось сравнение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными при разделении двухкомпонентной газовой смеси N₂/CH₄ (99/1 мол. %), имитирующей поток с малым содержанием примесного легко проникающего компонента, с использованием мембранного модуля дискового типа. Было выявлено, что расчетная концентрация CH₄ в ретентате заметно меньше, чем в эксперименте, особенно при высоких степенях отбора, что связано с возрастающим влиянием продольной диффузии компонентов при малых скоростях движения смеси в каналах мембранного модуля, что снижает разделительные характеристики аппарата при удалении примесей, и требует дополнительного учета отклонения от режима идеального вытеснения в расчетных математических моделях, применяемых для данного случая.

Получены динамические мембраны путем нанесения слоя полистирола (ПС) на нейлоновую подложку. Проведена обработка динамического слоя мембраны из частиц ПС, полученного на подложке из нейлона, с помощью СВЧ излучения с частотой 2450 МГц и мощностью 350 Вт в среде воздуха. Найдено, что в результате обработки мембран СВЧ излучением в среде атмосферного воздуха масса мембран уменьшается до 0.69% от исходной массы в зависимости от времени обработки. Результаты сканирующей электронной микроскопии показали образование на поверхности мембраны слипшихся частиц полистирола, расплавленных и уплотненных участков. По данным растровой электронной микроскопии выявлено уменьшение шероховатости поверхностного слоя мембраны в 8 раз, после обработки мембраны СВЧ излучением. Воздействие СВЧ излучения на мембрану нейлон-ПС приводит, по данным ИК-спектроскопии, к некоторому снижению интенсивности пиков в интервале полос поглощения от 1500 до 3500 см^–1. Установлено повышение удельной производительности мембран после обработки СВЧ излучением до 10 мин, что связано с процессом травления поверхности мембран, а снижение производительности после обработки в течение 20 мин, объясняется уплотнением и плавлением частиц динамического слоя. Стабильность динамического слоя установлена путем исследования удельной производительности и изменения массы мембраны после обратной промывки моющим раствором. Найдено, что стабильность динамического слоя мембраны нейлон-ПС достигается при обработке СВЧ излучением в течение 5 мин. Увеличение времени обработки повышает степень травления поверхности и приводит к образованию дефектных областей динамического слоя мембраны. Динамическую мембрану нейлон-ПС, обработанную СВЧ излучением, использовали для разделения водомасляной эмульсии. Степень разделения эмульсии составил 96.1% при производительности мембраны 19.1 дм³/м² ч.

Мембранные технологии и, в частности, электродиализ, все шире применяются для стабилизации и кондиционирования соков и вин. Данная работа направлена на поиск экологически целесообразных “мягких” методов регенерации анионообменных мембран, которые использовались в этих процессах. Показано, что фаулинг анионообменных мембран компонентами виноградного вина приводит к росту их электрического сопротивления в 30 и более раз, а также к увеличению их толщины. Ход зависимостей и значения сопротивлений исследуемых мембран в виноградном соке и вине близки, что, по-видимому, связано со сходным химическим составом этих жидких сред. Воздействие растворами NaCl приводит к частичному разрушению образовавшихся коллоидных частиц благодаря эффекту высаливания. Чем выше концентрация соли в регенерирующем растворе, тем ближе значения электропроводности регенерированных мембран к исходным значениям. Чем тоньше мембрана и чем крупнее ее поры, тем быстрее и полнее идет процесс регенерации. В том случае, если продолжительность контакта анионообменных мембран с вином не превышает 70 ч, солевая регенерация позволяет практически полностью восстановить их селективность. Например, в случае гомогенной мембраны AMX-Sb числа переноса противоиона Cl^– в исходном и регенерированном образцах отличаются не более, чем на 1%. В случае гетерогенной мембраны MA–41П это отличие увеличивается до 3%.

Методом in situ проведен синтез наночастиц оксида циркония с поверхностью, модифицированной фосфатными группами, в порах мембранного материала на основе полинафтоиленимида. Исследованы транспортные свойства полученных материалов. Показано, что допирование приводит к повышению ионной проводимости мембран. Согласно данным импедансной спектроскопии максимальные значения ионной проводимости при контакте с водой достигаются для образцов с содержанием допанта 1–2%. В то же время образцы с высоким содержанием допанта сохраняют достаточно высокую проводимость и в воздушно-сухих условиях.

Исследованы оптические свойства трековых мембран из полиэтилентерефталата, полученных облучением на синхротроне через маску с регулярно расположенными отверстиями диаметром 1 мкм и последующим химическим травлением. Такие объекты можно использовать в качестве матриц для создания регулярных систем на основе плазмонного резонанса и двумерных фотонных кристаллов.

Проведен сопоставительный анализ схем извлечения гелия из природного газа высокого давления с использованием современных газоразделительных мембран. Исследовались варианты в одном классе двухступенчатых технологических схем с одним межступенчатым компрессором и с одностадийным процессом извлечения гелия на первой ступени. Приведены результаты численной оптимизации по минимизации суммарных энергетических затрат, включая ресурсосберегающий фактор по метановой компоненте, и даны рекомендации по технологической конфигурации мембранной установки.

Проведена модификация микрофильтрационной мембраны из нейлона соединениями серебра для обеззараживания питьевой воды в динамических условиях и исследованы антибактериальные свойства модифицированных мембран. Выявлено, что исходная микрофильтрационная мембрана не способна к полному удалению микроорганизмов из воды. Определено, что модификация мембраны соединениями серебра приводит к полному обеззараживанию воды. При этом модифицирование не приводит к значительному снижению удельной производительности мембран. Нерастворимые соли серебра распределены на поверхности мембраны в виде частиц от 0.1 до 5 мкм. В зависимости от вида соединения серебра, используемого для обработки мембран, массовое содержание серебра составило от 5.11 до 9.06%. Наиболее равномерное распределение серебра по всей поверхности мембраны и максимальное содержание, достигается при обработке мембраны раствором АgNO₃.