Мембранные методы разделения характеризуются высокой значимостью для развития современной промышленности, являясь при этом примером "зеленых" химических технологий.
Тонкопленочные композиционные мембраны (ТКМ) незаменимы для разделения в таких мембранных процессах как обратный осмос, нанофильтрация, первапорация, газоразделение. ТКМ используются при опреснении морских и солоноватых вод, водоочистке, разделении газов, обогащении природного газа, дегидратации и очистке органических растворителей, концентрировании и очистке в фармацевтической, пищевой промышленности и биотехнологии. Мембраны ТКМ состоят из нескольких слоев с определенным размером пор, их распределением по размерам и градиентом толщины. ТКМ включают подложку из нетканого материала (толщина: ∼100-200 мкм и размер пор: ∼5 мкм), анизотропную пористую ультрафильтрационную мембрану-подложку (толщина: ∼50-150 мкм, размер пор ∼0,01-0,1 мкм) и ультратонкий селективный слой, состоящий из нанопленки толщиной от нескольких нанометров до сотен нанометров. В зависимости от мембранного процесса нанопленка может быть пористой (нанофильтрация) и непористой (обратный осмос, газоразделение, первапорация). Ультратонкий селективный слой обеспечивает селективное разделение и высокую проницаемость (за счет малой толщины слоя), в то время как пористая мембрана-подложка обеспечивает механическую прочность и целостность мембраны, не влияя на массоперенос процесса. Межфазная поликонденсация представляет собой наиболее часто используемый метод формирования ультратонких селективных слоев с заданной структурой на поверхности пористой мембраны-подложки для различных процессов разделения. Межфазная поликонденсация представляет собой метод синтеза ультратонкого функционального полимерного слоя на границе раздела фаз при реакции между двумя несмешивающимися растворами, такими как водный раствор ди- или многофункционального амина и раствор ди- или многофункционального хлорангидрида в органическом растворителе. Важнейшими преимуществами метода межфазной поликонденсации, обуславливающей ее широкое применение в промышленности при создании ультратонких селективных слоев, являются мягкие условия проведения реакции (комнатные температура и давление), низкая чувствительность к условиям проведения реакции, чистоте мономеров, их соотношению, крайне высокая скорость реакции, возможность получения ультратонких пленок неограниченной площади. Реакция межфазной поликонденсации является самоингибируемой, что позволяет получать селективные слои очень малой толщины, и обладает свойством “самозалечивания” дефектных областей ультратонкой пленки. ТКМ мембраны с селективным слоем на основе полиамида, полученные методом межфазной поликонденсации являются на сегодняшний день «золотым стандартом» мембран для нанофильтрации и обратного осмоса. Межфазная поликонденсация также может использоваться для получения ТКМ мембран для первапорации и газоразделения. Основными проблемами, лимитирующими промышленное применение ТКМ мембран для нанофильтрации и обратного осмоса, является невозможность достижения одновременно высокой проницаемости и высокой селективности. На решение данной проблемы ТКМ направлены огромные усилия ученых-разработчиков, так как это приведет к снижению капитальных и эксплуатационных затрат. Транспортные свойства мембран преимущественно зависят как от наноструктуры ультратонкого функционального селективного слоя (морфология поверхности, внутренняя геометрия, толщина, степень сшивки), так и от физико-химических свойств (гидрофильность, поверхностный заряд, распределение зарядов по поверхности, природа функциональных групп). Разработка эффективных методов регулирования структуры ультратонких селективных слоев, полученных методом межфазной полимеризации, является очень актуальной задачей мембранного материаловедения. В рамках данного проекта будут разработаны новые методы конструирования функциональных иерархически организованных селективных слоев с использованием метода межфазной поликонденсации, что позволит создавать новые высокоэффективные тонкопленочные мембраны для ультра- и нанофильтрации, первапорации, газоразделения.
С точки зрения устойчивого развития мембранные технологии представляют собой одно из наиболее эффективных решений мировой проблемы нехватки чистой и питьевой воды. Данная проблема усугубляется ростом населения и бурным развитием промышленного производства. В настоящее время мембранные методы разделения интенсивно развиваются и внедряются в самых различных сферах деятельности человека, например, для опреснения соленых и очистки сточных вод. В химической, нефтехимической промышленности, биотехнологии мембранные методы применяют для разделения смесей высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, азеотропных смесей. Мембранные технологии также широко востребованы в пищевой промышленности, микробиологии и медицине. Последние несколько десятилетий в мире на первый план выходит проблема загрязнения окружающей среды. Мембранные технологии являются одним из способов решения данной проблемы
Нанофильтрация является мембранным процессом разделения, движущей силой которого является разность давлений по разные стороны мембраны. Нанофильтрация представляет собой промежуточный мембранный процесс между ультрафильтрацией и обратным осмосом. Размер пор нанофильтрационной мембраны составляет 0.2-2 нм, а трансмембранное давление, при котором осуществляется процесс- 5-35 атм. Нанофильтрация интересна тем, что позволяет задержать вещества с молекулярной массой 120-1000 Да и многовалентные соли при относительно низком трансмембранном давлении и достаточно высокой удельной производительностью по сравнению с обратным осмосом. В тоже время селективность нанофильтрации заметно превышает селективность ультрафильтрации за счет существенно меньшего размера пор и неравномерного распределения зарядов селективного слоя. Нанофильтрация применяется для удаления солей жесткости из воды, очистки воды от фармацевтически активных веществ, пестицидов, гормонов, красителей, многовалентных металлов. При помощи нанофильтрации можно извлекать из сточных вод и технологических сред редкоземельные и тяжелые металлы (Ni, Cr, Cd, Pb, Cu, Zn). Нанофильтрация характеризуется рядом преимуществ по сравнению с традиционными процессами разделения: очень высокой селективностью, низким энергопотреблением, отсутствием необходимости использовать дополнительные реагенты, легкостью масштабирования, малой площадью установок и отсутствием фазовых переходов. К достоинствам нанофильтрационных мембран, позволяющим их использовать в широком спектре задач разделения и концентрирования, а также очистки воды, относится высокая производительность, высокая селективность при разделении одно и двухвалентных солей металлов и низкое рабочее давление.
Первапорация используется для дегидратации органических растворителей (например, изопропилового спирта, пиридина, уксусной кислоты) и выделения воды из различных водно-органических, в том числе азеотропных смесей (например, из смеси с этанолом) — гидрофильная первапорация. Органоселективная первапорация перспективна для разделения таких смесей, как бензол/циклогексан, метанол/метил-трет-бутиловый эфир, этанол/этил-трет-бутиловый эфир, а также смесей изомеров. При гидрофобной первапорации смесей органических веществ с водой через мембрану преимущественно проходит органические вещества. Актуальность и перспективность первапорации обусловлена высокой эффективностью разделения различных водно-органических смесей и смесей органических веществ по сравнению с другими процессами разделения (дистилляция, азеотропная и экстрактивная ректификация, экстракция и адсорбция), высокой селективностью, возможностью разделения азеотропных смесей, малой энергоемкостью, безреагентностью, компактностью оборудования, экологичностью.
В последние десятилетия растет интерес к производству биоэтанола, который впоследствии используется как добавка к автомобильному топливу. Введение дегидратированного спирта значительно повышает октановое число, тем самым уменьшает количество выбросов углекислого газа, который приводит к возникновению парникового эффекта. Использование этанола в составе топлива также приводит к снижению потребления нефти.
Первапорация потенциально может найти широкое применение в нефтехимической, химической, фармацевтической промышленности и биотехнологии, однако ее применение ограничивает отсутствие высокоэффективных коммерчески доступных мембран, устойчивых в широком температурном и концентрационном диапазоне разделяемых смесей. Кроме того, разработку эффективных мембран для первапорации затрудняет необходимость учитывать взаимодействие компонентов разделяемой смеси (включая примеси) с материалом мембраны, так как они влияют на транспорт веществ через мембрану и ее устойчивость.
Газоразделение является важным и востребованным в промышленности мембранным процессом, который используется в том числе для обогащения биогаза. Биогаз представляет собой продукт микробиологической деструкции органических отходов в анаэробных условиях и является очень перспективным источником возобновляемой энергии. Биогаз состоит из 50-70% метана (CH4) и 30-50% двуокиси углерода (CO2). Относительное содержание CH4 и CO2 в биогазе зависит от природы используемого субстрата (органических отходов) и условий проведения процесса (рН, температура и др.). В качестве примесей биогаз дополнительно может содержать 0-3% азота, до 1% кислорода, до 0,1% серо-водорода, аммиак, углеводороды (0-200 мг/м3) и кремнийорганические соединения (силоксаны). Сероводород при получении биогаза образуется в результате восстановлении сульфатов, содержащихся в некоторых отходах. Аммиак образуется в результате гидролиза белковых компонентов. Источником кремнийорганических соединений (силоксанов) в биогазе (0-41 мг/м3) являются отходы косметической и медицинской промышленности.
Кроме метана, все остальные газы, содержащиеся в биогазе, являются нежелательными примесями и считаются загрязнителями биогаза. Энергетическая ценность биогаза (нижняя теплотворная способность, Lower Calorific Value, LCV) определяется в основном, содержанием метана, который характеризуется высокой теплотворной способностью - 50,4 МДж/кг или 36 МДж/м3-метана (при стандартных условиях). Поэтому чем выше содержание CO2 или N2, тем ниже энергетическая ценность биогаза. Для биогаза с содержанием метана в диапазоне 60-65% LCV составляет приблизительно 20-25 МДж/м3-биогаза. Кроме того, ряд примесей, таких как H2S и NH3 являются токсичными и чрезвычайно коррозионно активными соединениями, приводящими к разрушению узлов и деталей теплоэнергетического оборудования. Присутствие силоксанов в биогазе, даже в незначительных концентрациях, приводит к образованию липких осадков, которые осаждаются при сжигании биогаза. В связи с этим, перед практическим использованием биогаз подвергается многоступенчатой очистке. Первая обработка связана с удаление вредных и/или токсичных соединений (таких как H2S, летучие органические соединения (ЛОС), силоксаны, СО2 и NH3). Практически вопрос решен только в случае H2S. Современные биогазовые установки оснащены системами для удаления H2S, которые, как правило, основаны на микробиологическом окислении H2S аэробными сульфат-окисляющими бактериями в процессе биосинтеза. Второй этап очистки предусматривает обогащение биогаза (в англоязычной литературе - biogas upgrading) и направлен на повышение теплотворной способности биогаза, что позволяет превратить его в топливо более высокого стандарта. В случае если обогащенный биогаз очищается до параметров, характерных для природного газа, конечный продукт переходит в качественно другую категорию и называется биометан. В настоящее время стандарты качества природного газа варьируются в зависимости от национальных правил и устанавливают содержание метана в пределах 95-97%. Недавно Европейская комиссия выпустила мандат, определяющий согласованные стандарты качества природного газа для стран ЕС. В настоящее время мембранные технологии доказали свою высокую конкурентоспособность по сравнению с традиционными методами абсорбционной очистки биогаза и занимает третье место среди ис