Одной из наиболее интенсивно развивающихся в последние годы областей мембранологии стала технология разделения жидких смесей испарением через полимерные мембраны. Этот метод привлекает внимание химической, нефтехимической, биохимической и других отраслей промышленности прежде всего как малоэнергоемкая, экологически чистая и безотходная технология, применимая, в отличие от обычной дистилляции, для разделения азеотропных смесей, смесей изомеров, а также близко-кипящих или термически неустойчивых веществ.

Первапорационные мембраны должны сочетать в себе высокую селективность с высокой производительностью при хорошей химической и механической стабильности в условиях повышенных температур (60–100°С).

Имеющиеся литературные данные свидетельствуют о большом интересе, который проявляют немецкие, японские, американские, китайские и российские ученые к исследованию материалов на основе полимерных комплексов с точки зрения перспективности их использования при первапорационном разделении.

В качестве комплексообразующих компонентов используются как широко известные и изученные полиэлектролиты: полиакриловая кислота, производные целлюлозы, полиэтиленимин, полидиметилдиаллиламмоний хлорид, хитозан и его производные, так и новые ионогенные полимеры (сульфонатсодержащие ароматические полиамиды), длинноцепочечные ионены и заряженные ПАВ.

Технологические приемы получения материалов достаточно многообразны:

– приготовление единого формовочного раствора путем смешения растворов всех полиэлектролитных компонентов и его полив на стеклянную или пористую подложку [13–22, 24–26],

– нанесение на поверхность или пропитка поверхности пористой матрицы из полимера катионного или анионного типа раствором соответственно полианиона или поликатиона [28–33],

– обработка пористой основы раствором полианиона с последующей коагуляцией в осадительную ванну, содержащую раствор поликатиона [42].

Отмечая особенность поведения первапорационных мембран на основе ПЭК, авторы подчеркивают, что это – механически прочные и химически стойкие материалы, характеризующиеся высокими показателями производительности и селективности. Кроме того, их высокая производительность позволяет достичь значительной эффективности разделения при более низких температурах (50–60°С) по сравнению с другими мембранами.

В работе [24] влияние введения полиэтиленимина в ароматический полиамид с сульфонатными группами на разделительные характеристики получаемой комплексной мембраны объясняется воздействием этого полимера на формирование в полиамидной матрице определенной конструкции транспортных каналов путем изменения количества и распределения молекул воды вдоль звеньев полиамидной цепи.

Особенности образования и структуры ПЭК позволяют значительным образом влиять на свойства материалов на их основе путем варьирования

– строения исходных полимеров,

– их соотношения в комплексе,

– водно-термической обработки полученных пленок.

В работе [22] на примере полимерного комплекса полиакриловая кислота – хитозан рассмотрено влияние состава ПЭК на разделительные характеристики первапорационной мембраны на его основе.

Авторы предполагают, что в ПЭК хитозан – ПАК стехиометричного состава по каким-либо причинам не осуществляется специфичное взаимодействие макромолекул с молекулами воды, что приводит к значительному ухудшению разделения водно-органических смесей такими мембранами.

В работе [20] приведены данные, отражающие влияние на разделительные свойства пленок на основе ПЭК хитозан – карбоксиметилхитин водно-температурной обработки, т. е. образцы пленок подвергали однократной или многократной выдержке при 100°С в течение 1 ч с последующей промывкой водой и сушкой в свободном или фиксированном состоянии при комнатной температуре. Лучшей селективностью при первапорационном разделении водно-изопропанольных смесей обладают термообработанные пленки стехиометричного состава. При этом процесс термообработки приводит к увеличению жесткости и снижению набухания пленок в разделяемых жидких компонентах, что обусловлено:

– протеканием релаксационных процессов и уменьшением внутренних напряжений,

– осуществлением химических превращений, приводящих к снижению содержания заряженных групп (в частности, образованием в частицах ПЭК сшивок ковалентными амидными связями).

Вероятно, в отрелаксированных и частично сшитых пленках формируются более узкие транспортные каналы, а меньшее набухание образцов обеспечивает их большую стабильность и, соответственно, большую селективность.

Данные по свойствам пленочных и мембранных материалов на основе ПЭК свидетельствуют об их перспективности, в частности, для использования в процессах первапорационного разделения водно-органических смесей и, как следствие, заинтересованности таких фирм, как GKSS и Dow Chemical Corp. в исследованиях и разработках в этой области.

Однако особенности образования, строения и структуры ПЭК, определяющие влияние на их свойства целого ряда факторов: химической структуры полимеров, местоположения и количества заряженных групп, состава комплексов, условий их получения и последующей обработки комплексных материалов, приводит к тому, что, наряду с определенными, подробно изученными и предсказуемыми закономерностями в поведении и свойствах материалов на их основе, каждая новая комплексообразующая полимерная система требует достаточно подробных исследований.