В настоящее время одним из наиболее важных направлений в современном обществе является разработка процессов устойчивого развития (sustainable processes). Одними из таких процессов разделения являются мембранные процессы в связи с тем, что данные методы экологичны, используют компактное оборудование и имеют низкое энергопотребление. Данный проект посвящен развитию мембранного процесса – первапорации для разделения промышленно-значимых смесей и направлен на разработку методов модификации для получения новых первапорационных экологичных мембран на основе водорастворимого полимера альгината натрия. Для модификации в проекте была проведена объёмная (введение водорастворимых производных фуллерена и/или полиэлектролитов) и поверхностная (нанесение полиэлектролитных слоев) модификация мембран из альгината натрия. Улучшение производительности мембран было достигнуто за счет изменения морфологии, поверхностных свойств и свободного объема в процессе модификации полимерных мембран.
В рамках проекта на первом году были проведены объемная модификация альгината натрия (АН) водорастворимыми производными фуллерена (полигидроксилированным фуллереном, производными фуллерена с аминокислотами (треонином, гидроксипролином и аргинином)) и/или полиэлектролитами (полиаллиламин гидрохлоридом, полиакриловой кислотой, полистиролсульфонатом), разработка диффузионных первапорационных мембран на основе данных композитов. В рамках проекта на втором году были проведены разработка композиционных мембран, состоящих из тонкого селективного слоя на основе альгината натрия (АН) и его композитов с водорастворимыми производными фуллерена (фуллеренолом и производным фуллерена с аргинином), нанесенного на пористую подложку, и поверхностная модификация композиционных мембран путем нанесения наноразмерных полиэлектролитных слоев (хитозаном, полиаллиламин гидрохлоридом, полистиролсульфонатом натрия, полиакриловой кислотой и др.) методом ионного наслаивания. Транспортные свойства всех разработанных мембран были изучены в процессе первапорационной дегидратации. Полученные мембраны были охарактеризованы различными физико-химическими методами анализа (ИК и ЯМР спектроскопии, СЭМ и АСМ микроскопии, ТГА, измерением углов смачивания и степени набухания).
На основании полученных транспортных характеристик в качестве оптимального углеродного модификатора альгината натрия были выбраны фуллеренол и производное фуллерена с аргинином. На основе композитов были разработаны диффузионные первапорационные мембраны без/с применением метода химического сшивания (хлоридом кальция). Разработанные диффузионные мембраны, модифицированные водорастворимыми производными фуллерена, обладали улучшенными транспортными свойствами для первапорационной дегидратации смеси изопропанол/вода. Сшитая хлоридом кальция мембрана на основе альгината натрия, модифицированная 5 масс.% фуллеренола, продемонстрировала не только лучшие транспортные характеристики и физико-химические свойства по сравнению с другими разработанными в данном проекте мембранами, но и по сравнению с мембранами на основе альгината натрия, описанных в литературе. Также мембрана обладала улучшенной производительностью по сравнению с коммерческой композиционной мембраной PERVAP 1201 (компании Sulzer), предназначенной для дегидратации.
Для дальнейшего улучшения характеристик разработанных диффузионных мембран на основе биополимера альгината натрия, модифицированного водорастворимыми производными фуллерена (фуллеренол и производное фуллерена с аргинином), были применены различные стратегии: (I) создание композиционной мембраны на пористой полиакрилонитриловой подложке (ПАН); (II) поверхностная модификация путем нанесения полиэлектролитных слоев методом ионного наслаивания.
Нанесение пяти бислоёв полистиролсульфоната натрия/АН на сшитые композиционные АН мембраны, модифицированные производными фуллерена (5 масс. %), привело к увеличению селективности мембран - более 96,3 и 99,7 масс.% воды в пермеате, соответственно, при первапорационной дегидратации изопропанола (12–70 масс. % воды). Поверхностно-модифицированная мембрана с фуллеренолом обладала наибольшей удельной производительностью и в 24 раза выше по сравнению с коммерческой композиционной мембраной PERVAP 1201 (компании Sulzer) при первапорационной дегидратации изопропанола (12 масс. % воды) при 22 °C. Чтобы подтвердить перспективное применение разработанной мембраны в промышленной дегидратации, данную мембрану оценивали в первапорационной дегидратации другого спирта (этанола) и промышленно важного растворителя (TГФ) в широком диапазоне концентраций, где также были продемонстрированы улучшенные транспортные характеристики.
В рамках проекта на втором году были проведены разработка композиционных мембран, состоящих из тонкого селективного слоя на основе альгината натрия (АН) и его композитов с водорастворимыми производными фуллерена (фуллеренолом и производным фуллерена с аргинином), нанесенного на пористую подложку, и поверхностная модификация композиционных мембран путем нанесения наноразмерных полиэлектролитных слоев (хитозаном, полиаллиламин гидрохлоридом, полистиролсульфонатом натрия, полиакриловой кислотой и др.) методом ионного наслаивания. Транспортные свойства всех разработанных мембран были изучены в процессе первапорационной дегидратации. Полученные мембраны были охарактеризованы различными физико-химическими методами анализа (СЭМ и АСМ микроскопии, измерением углов смачивания ). Для улучшения характеристик разработанных диффузионных мембран на основе биополимера альгината натрия, модифицированного водорастворимыми производными фуллерена (фуллеренол и производное фуллерена с аргинином), были применены различные стратегии: (I) создание композиционной мембраны на пористой полиакрилонитриловой подложке (ПАН); (II) поверхностная модификация путем нанесения полиэлектролитных слоев методом ионного наслаивания. Нанесение пяти бислоёв полистиролсульфоната натрия/АН на сшитые композиционные АН мембраны, модифицированные производными фуллерена (5 масс. %), привело к увеличению селективности мембран - более 96,3 и 99,7 масс.% воды в пермеате, соответственно, при первапорационной дегидратации изопропанола (12–70 масс. % воды). Поверхностно-модифицированная мембрана с фуллеренолом обладала наибольшей удельной производительностью и в 24 раза выше по сравнению с коммерческой композиционной мембраной PERVAP 1201 (компании Sulzer) при первапорационной дегидратации изопропанола (12 масс. % воды) при 22 °C. Чтобы подтвердить перспективное применение разработанной мембраны в промышленной дегидратации, данную мембрану оценивали в первапорационной дегидратации другого спирта (этанола) и промышленно важного растворителя (TГФ) в широком диапазоне концентраций, где также были продемонстрированы улучшенные транспортные характеристики.
Дмитренко Мария Евгеньевна, доцент, проведение объемной модификации альгината натрия водорастворимыми производными фуллерена и полиэлектролитами, разработка оптимальных условий получения полимерных композитов для приготовления мембран, приготовление на основе композитов первапорационных диффузионных и композиционных мембран, проведение поверхностной модификации композиционных мембран путем нанесения наноразмерных полиэлектролитных слоев методом ионного наслаивания, характеризация композитов и мембран различными методами анализа, общее руководство научным проектом, анализ результатов, написание отчета и публикаций.
Кузьминова Анна Игоревна, инженер-исследователь, характеризация композитов и мембран путем измерения краевого угла и сорбционных экспериментов, изучение транспортных свойств полученных мембран в процессе первапорации при разделении водно-органических смесей.
в рамках проекта были разработаны материалы из композитов, на основе которых были созданы мембраны для ресурсосберегающего и экологичного процесса первапорации.
| Acronym | RSF_MOL_2019 - 2 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 1/07/20 → 30/06/21 |
|---|
