Том 14, № 5 (2024)

Рассмотрены три способа модификации ультрафильтрационных мембран на основе полиакрилонитрила (ПАН) полиэлектролитами: (1) объемная модификация при введении полиакриловой кислоты (ПАК) в формовочный раствор, (2) поверхностная модификация при использовании в качестве осадительной ванны водных растворов полиэтиленимина (ПЭИ) и (3) комбинация методов (1) и (2). Во всех трех случаях модификация мембран полиэлектролитами приводит к эффективной гидрофилизации поверхности ультрафильтрационных мембран (угол смачивания снижается с 41 до 15–25°). Установлено, что объемная модификация ПАН мембран при введении в формовочный раствор 0.05–0.2 мас. % ПАК приводит к снижению удельной производительности по воде со 110 до 96 л/м² ч. Максимальный коэффициент задерживания поливинилпирролидона К30 – 96% зафиксирован при концентрации ПАК 0.05 мас. %, при последующем увеличении содержания ПАК коэффициент задерживания уменьшается до 70–73%. Поверхностная модификация ПАН мембран полиэтиленимином приводит к увеличению их удельной производительности более чем в 2 раза (до 233–294 л/м² ч), при этом коэффициент задерживания по поливинилпирролидону К30 составил 82–96% в зависимости от концентрации ПЭИ в осадительной ванне. Показано, что совместный способ модификации снижает удельную производительность до 44 л/м² ч, что связано с формированием полиэлектролитного комплекса и уплотнением структуры мембран. Установлено, что совместный способ модификации позволяет получить ультрафильтрационные ПАН мембраны с высокой степенью восстановления потока после фильтрации модельных растворов поливинилпирролидона (73–100% в сравнении с 65% для исходной мембраны) и гуминовых кислот (80% по сравнению с 73% для исходной мембраны).

Разработан метод расчета констант скоростей лимитирующих стадий реакции диссоциации молекул воды в генерирующих контактах гетерогенных биполярных мембран (БПМ), содержащих частицы каталитической добавки. Метод основан на использовании уравнения вольтамперной характеристики биполярной области гетерогенной БПМ, содержащей генерирующие контакты двух типов. Для случая, когда каталитическая добавка является катионообменником (КО), один из контактов образован частицами КО и частицами анионообменника (АО), содержащимися в слоях БПМ, а другой – частицами каталитической добавки и частицами АО, содержащимися в слоях БПМ. Расположение констант скоростей лимитирующих стадий реакций диссоциации молекул воды в исследованных мембранах согласуется с рядом каталитической активности, константы которого рассчитаны на основе реакций переноса протона между молекулами воды и ионогенными группами, содержащимися в слоях БПМ.

Исследована стабильность гидрофобных свойств покрытий с морфологически развитой (текстурированной) поверхностью из политетрафторэтилена и сверхвысокомолекулярного полиэтилена при хранении, а также при длительном контакте с водой и водными растворами хлорида натрия с концентрацией от 5 до 15 г/л. Осаждение покрытий производили на поверхности полиэтилентерефталатной трековой мембраны путем электронно-лучевого диспергирования исходных полимеров в вакууме. Показано, что покрытия из политетрафторэтилена под воздействием реальных условий окружающей среды имеют тенденцию стареть и постепенно терять свои гидрофобные свойства. Угол смачивания водой покрытий при хранении образцов композиционных мембран в течение 5 лет уменьшается в среднем на 30°, что составляет 23% от первоначального значения. Уменьшение угла смачивания покрытий данного типа обусловлено переходом от гетерогенного режима смачивания к гомогенному, причиной чего является образование на их поверхности адсорбционного слоя воды. В противоположность этому угол смачивания покрытий из сверхвысокомолекулярного полиэтилена при хранении образцов мембран практически не изменяется. Исследование устойчивости полимерных покрытий при длительном контакте композиционных мембран с водой и водными растворами хлорида натрия показало, что если покрытия из сверхвысокомолекулярного полиэтилена устойчивы как в воде, так и водных растворах хлорида натрия, то покрытия из политетрафторэтилена более стабильны к действию водных растворов соли, чем воды.

Ежедневно в мире перерабатывается около 90 миллионов баррелей сырой нефти, при этом на такие разделительные процессы, как дистилляция, приходится 10−15% мирового потребления энергии. В связи с этим перед научным сообществом ставится амбициозная задача поиска альтернативных технологий фракционирования, не основанных на летучести отдельных компонентов сложных жидких смесей. Движущей силой ультрафильтрации является перепад давления на мембране, поэтому разделение проходит без фазовых переходов и с существенно меньшими энергозатратами по сравнению с дистилляцией. В последние годы существенно возрос интерес исследователей к разработке мембранных технологий для очистки и повторного использования отработанного смазочного масла. Одна из ключевых проблем мембранной фильтрации нефти и масла заключается в их высокой вязкости. В обзоре рассматриваются два подхода снижения вязкости этих систем: фильтрация при повышенной температуре и предварительное разбавление сырья с последующей фильтрацией. Анализ литературы показал, что в подавляющем числе публикаций в первом случае разделение проводится с использованием ультрафильтрационных керамических мембран, а во втором – применяются более дешевые полимерные мембраны.