ChemNet
 

[На предыдущую главу]

1. Введение. Ориентиры мембранной науки XXI века

Разнообразие практических проблем, способных быть разрешенными с использованием мембранной технологии, позволяет рассматривать эту технологию как базовую для решения природоохранных задач, в том числе, связанных с водоподготовкой и водоиспользованием, с утилизацией и переработкой газовых выбросов и жидких отходов, с глубокой переработкой минерального и органического сырья, с рекреацией зараженных радиоактивных территорий, с решением ряда острых проблем здравоохранения (диализ крови, плазмаферез и др.) [1-8].

К жизни вызываются новые разработки высокоэффективных мембран, создаются мембраны новых поколений. В большинстве случаев такие разработки основываются на богатом опыте и чутье химиков-синтетиков, в распоряжении которых имеются подчас богатые банки данных по корреляционным соотношениям "структура – мембранное свойство" для многих полимерных материалов. В меньшей степени разработки основываются на изучении физикохимии мембранного разделения, на выявлении природы селективной проницаемости того или иного целевого компонента через мембрану. Тем не менее можно ожидать, что принципиальный прорыв на пути создания и конструирования качественно новых типов мембран на основе органических и неорганических материалов, в том числе мембранных барьерных слоев с характерными толщинами 10 нм возможен именно на пути всестороннего научного поиска с проникновением в существо эффектов химической структуры полимерных материалов, структуры и морфологии сформированных селективных слоев, химического строения целевых компонентов, структуры контактирующих жидких сред на характеристики мембранного разделения [9-13].

При этом новые пути поиска в разработке высокоэффективных синтетических мембран для разделения жидких и газовых смесей и получения новых веществ могут быть основаны на следовании идеям Природы, на понимании основных принципов функционирования транспортных систем в биологических мембранах [11]. Именно с этих позиций внедрение принципов транспорта in vivo в мембранные технологии может рассматриваться как один из ориентиров мембранной науки XXI века [12]. Среди конкретных направлений таких исследований выделим следующие.

(а) Целенаправленное формирование системы канальных наноструктур для трансмембранного переноса молекул и ионов как конструкционных элементов объема мембран. Уже имеющийся опыт по созданию мембран различного функционального назначения (ионитовых, первапорационных, обратноосмотических, газоразделительных) на основе ароматических полиамидов с ионогенными группами [13], а также проведенные исследования процессов переноса молекул и ионов в этих системах и материалах Nafion с использованием различных физико-химических, ядерно-физических, радиоспектроскопических и других методов [11] позволяют рассматривать разработки мембранных наноструктур на основе органических и неорганических материалов как необходимую базу для технологий будущего.

(б) Создание барьерных мембранных структур с толщинами порядка 10-30 нанометров. В случае использования таких слоев (в варианте композиционных мембран) предсказывается экспоненциальная зависимость от толщины констант избирательного переноса целевых компонентов при реализации достаточно больших по величине трансмембранных потоков [11], что может кардинально изменить весь облик мембранной технологии.

(в) Формирование состояния поверхности мембран с целью контролируемого изменения избирательности переноса. Уже имеющийся опыт по поверхностному модифицированию газоразделительных мембран на основе силоксан-содержащих блок-сополимеров путем нанесения фторсодержащих ПАВ [11] и ленгмюровских слоев из полидиацетиленовой кислоты, когда достигалось увеличение (до 2-х раз) измеряемой константы проницаемости простых газов [14], позволят придавать степени неравновесности режима трансмембранного переноса роль регулирующего процессы разделения фактора.

(г) Реализация энергозависимого, активного транспорта целевых нейтральных компонентов. Уже выполненные исследования показали возможность реализации таких процессов в электромембранных системах (ЭМС) с мембранами типа Nafion при электропервапорационном разложении сульфата аммония с выделением аммиака (в этом случае аммиак переносится через мембрану будучи включенным в комплекс NH4+Ч nH2O [15]; с анионообменными мембранами типа Raipore 6030 и Neosepta [16] при электропервапорационном концентрировании азотной и уксусной кислоты, а также при выделении олефинов из их смеси с парафинами за счет электроактивируемого увеличения растворимости целевого компонента (олефина, образующего обратимо связанные комплексы с Cu+) в прилегающей к катоду области мембраны, исходно находящейся в Cu2+-форме [17]. Представляется перспективным поиск энергозависимых мембранно-каталитических процессов в ЭМС с реализацией в ходе химического превращения и трансмембранного переноса обоих типов указанных возможностей.

(д) Формирование структуры жидких сред для повышения эффективности выделения растворенных в них целевых компонентов при мембранном разделении. Мембрана и разделяемая жидкая среда образуют единую систему. Реализуемая в условиях мембранного процесса химически гетерогенная канальная наноструктура мембраны, определяющая функциональные показатели разделения, может зависеть от структуры жидкой среды, в частности, водной, в которой формируется единая система водородных связей с разной степенью лабильности ("мерцания") отдельных фрагментов. В последнем случае небольшие добавки, влияющие на водную среду, могут заметно изменить показатели мембранного разделения. Необходимо указать также, что управление структурой жидких сред может выступать как крайне важный фактор на стадиях получения полимерных мембран при их формировании из полимерных растворов методом фазовой инверсии.

Научная проработка указанных направлений и реализация основанных на таких разработках технических решений могут качественно изменить лицо современных мембранных технологий не только с точки зрения общих показателей – материало-, энергоресурсосбережения, повышения экологической безопасности, но и аппаратурного оформления.

В данной статье мы уделим основное внимание обсуждению первой (а) из указанных выше проблем как базовой проблемы мембранного материаловедения, а также последней (д), которая, как нам представляется, только начинает обсуждаться [18]. Принципы формирования и конструирования мембранных наноструктур будут рассмотрены на примере жесткоцепных полимерных материалов с ионогенными функциональными группами. Здесь мы обобщаем результаты, возможно, одних из первых усилий в направлении именно таких проработок, выполненных в НИФХИ им. Л.Я.Карпова совместно с АО "Полимерсинтез" по разработке новых полимерных мембран на основе указанных выше полимеров. В ряду полимеров из класса полифениленфталамидов имеются широкие возможности варьирования состава, конфигурации цепи, локального окружения, степени гидратации и других параметров. Тонкие пленки, изготовленные методом полива раствора таких полимеров, сохраняют высокую механическую прочность в широком интервале состава сополимера. [13, 19, 20]. С применением такого типа полимеров нами были разработаны и созданы несколько видов мембран различного назначения, а именно, катионообменные (КО) и первапорационные (ПП) мембраны. Кроме этого, изучение физико-химических свойств этих материалов позволило подойти к пониманию механизма функционирования обратно-осмотических (ОС) мембран, поскольку в качестве основы последних также используются ароматические полиамиды [21-24].

Вопросы контроля и управления структурой жидких сред будут рассмотрены на примере анализа процессов ассоциирования в водных растворах солей или органических веществ при введении в систему водорастворимых молекул поли-N-винилкапролактама (ПВКЛ).

[На следующую главу] [На оглавление]

Copyright ©




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору