Том 9, номер 2, 2019

Мембраны широко используются в современных технологиях. С каждым годом расширяется потребность в различного рода мембранах и мембранных процессах. В данном обзоре представлено современное состояние исследований и перспективы развития различных направлений мембранной науки, включая разработку мембран для газоразделения, первапорации, баромембранных процессов, ионообменных, гибридных и трековых мембран, мембран для электрохимических сенсоров, математическое моделирование мембранных процессов разделения, переноса ионов и воды в мембранных системах. Обсуждаются работы, направленные на повышение селективности и производительности мембран, их стабильности, новые подходы к синтезу и модификации мембран, а также некоторые перспективные направления применения различных типов мембран.

Изучены фильтрационные свойства новой двусторонне облученной мембраны толщиной 20 мкм, превосходящей длину пробега облучающего иона, с диаметром пор 0.20 мкм, плотностью пор 1.5 × 10⁸ см^–2, в сравнении с односторонне облученной мембраной толщиной 12 мкм, имеющей такой же размер пор и несколько большую плотность пор 2.3 × 10⁸ см^–2. В экспериментах использовали водную дисперсию красителя с устойчивым распределением частиц по размерам, основная доля которых не превосходила размер пор мембран. В тупиковом режиме фильтрации получены близкие значения проницаемости обеих мембран, с небольшим преимуществом двусторонне облученной мембраны, а методами динамического светорассеяния и спектрофотометрии показаны их близкие селективные свойства с некоторым преимуществом односторонне облученной мембраны. Для разных концентраций дисперсии красителя определен механизм падения производительности процесса фильтрации и показаны различия в границах размеров задерживаемых частиц. В тангенциальном режиме показано некоторое преимущество в проницаемости двусторонне облученной мембраны, в то же время более высокая задерживающая способность односторонне облученной мембраны. В целом сделан вывод о возможности применения новой двусторонне облученной мембраны в процессах водоподготовки наравне с односторонне облученной мембраной.

В настоящей работе предложен метод удаления паров воды из технического оксида диазота (тривиальное название закиси азота) в процессе его глубокой очистки с помощью технологий мембранного газоразделения. Рассмотрены одиночный мембранный модуль, последовательный рециркуляционый каскад и двухступенчатые каскады с мембранами различной селективности. Проведено экспериментальное определение проницаемости оксида диазота через исследуемые мембраны “Лестосил”, ПВТМС и ТАЦ. Определены оптимальные значения основных параметров схемы очистки. Проведена оценка энергоэффективности предложенного мембранного газоразделительного процесса с учетом эксплуатационных затрат и потерь очищаемого газа, а также проведено сравнение с методом низкотемпературной фильтрации.

Проведено экспериментальное исследование влияния природы противоиона на электроосмотический перенос свободного растворителя через мембрану МК-40 в растворах хлоридов щелочных металлов. Выполнена оценка доли свободной воды в общем электроосмотическом потоке в ряду катионов Li⁺, Na⁺, K⁺. На основании электротранспортных и физико-химических характеристик мембраны МК-40 в указанных ионных формах в рамках капиллярной модели электроосмотического переноса свободного растворителя рассчитаны числа переноса свободной воды через ионообменные мембраны. Показано, что различие в электроосмотической проницаемости мембраны МК-40 в различных ионных формах щелочных металлов обусловлено изменением в ней доли сквозных мезопор. При концентрации раствора С ≥ 1 М перенос свободной воды через гетерогенную мембрану практически отсутствует, а числа переноса воды определяются числами первичной гидратации ионов в растворе.

Длительная (более 20 ч) эксплуатация мембраны AMX-Sb при электродиализном обессоливании 0.02 М раствора NaCl в сверхпредельных токовых режимах может привести к росту более чем на 30% экспериментально определяемых предельных токов по сравнению с исходной мембраной. Этот рост вызван электрохимической деструкцией ионообменного материала на границе AMX-Sb/раствор, которая приводит к (1) снижению гидрофильности поверхности мембраны и (2) образованию на ней каверн с линейными размерами 2–3 мкм. Оба этих эффекта стимулируют электроконвекцию, которая развивается в допредельных токовых режимах по механизму электроосмоса первого рода. Образовавшиеся микровихревые структуры доставляют более концентрированный раствор к поверхности AMX-Sb, отодвигая достижение предельного состояния и начало интенсивной генерации H⁺, OH^– ионов в область более высоких токов. Исследования проведены с применением методов вольтамперометрии и импедансной спектроскопии, а также путем измерения углов смачивания и оптической визуализации поверхности исследуемой мембраны.

Этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ) является одним из самых перспективных оксигенатов, применяемых в качестве высокооктановых компонентов топлив. Одним из методов очистки ЭТБЭ из азеотропной смеси этанол/ЭТБЭ, возникающей в ходе промышленного синтеза, является первапорация. В данном исследовании для первапорационной очистки ЭТБЭ были получены гибридные мембраны, содержащие частицы наноалмазов, внедренные в матрицу сополиимида Р84. Структура мембран была исследована методом сканирующей электронной микроскопии, а также путем определения экспериментальной и теоретической плотности, свободного объема. Транспортные свойства мембран были оценены путем проведения сорбционных и первапорационных экспериментов. Было показано, что при внедрении до 1 мас. % наноалмазов в матрицу Р84 увеличиваются основные параметры массопереноса: удельная производительность и фактор разделения азеотропной смеси.

Установлено, что после 300 ч эксплуатации анионообменных мембран AMX, AMX-Sb (Astom, Япония) в сверхпредельных токовых режимах в процессе электродиализного обессоливания 0.02 М растворов NaCl, NH₄Cl, NaH₂PO₄, KHT, предельные токи, i^exp_lim, определяемые графической обработкой вольтамперных характеристик, увеличиваются в ряду NaCl < NaH₂PO₄ < KHT. Их прирост по сравнению со “свежей” мембраной составляет 33, 90 и 128% соответственно. Рост i^exp_lim сопровождается увеличением толщины образцов, находящихся в растворах NaH₂PO₄ и KHT. В случае NH₄Cl значения i^exp_lim уменьшаются. Показано, что небольшое уменьшение чисел переноса противоионов в процессе эксплуатации мембран практически не влияет на значения предельных токов. Основной вклад в увеличение i^exp_lim, по-видимому, вносит электроконвекция, развивающаяся по механизму электроосмоса первого рода. Ее развитию способствуют рост количества и размеров отдельно рас- положенных каверн микрометрового масштаба на поверхности анионообменных мембран, площадь и линейные размеры которых увеличиваются в ряду NaCl < NaH₂PO₄ < KHT. Эти каверны образуются в результате усиления в растворах амфолитов электрохимической деструкции ионообменного материала и инертного наполнителя, поливинилхлорида, на границе мембрана/раствор.

Электромембранные процессы были применены для 100–1000-кратного снижения выноса ионов кадмия из ванн электрохимического кадмирования в сточные воды гальванического цеха. Лабораторные эксперименты и опыт промышленной эксплуатации показали, что эффективность процесса зависит от типа применяемого электролита кадмирования – она максимальная для цианидных электролитов (степень извлечения ионов кадмия 99.9%) и минимальная для сернокислых электролитов, не содержащих солей аммония (степень извлечения 99%). Разработанная технология и оборудование используются на ряде промышленных предприятий.