Высокоэффективные композиционные мембраны на основе замещенных полиметилсилоксанов для первапорационного выделения оксигенатов из сточных вод органических производств

Согласно Технологическому регламенту Таможенного союза оксигенаты - соединения, представляющие собой низшие спирты и простые эфиры, допустимые на территории Российской Федерации высокооктановые компоненты моторных топлив. Существует проблема загрязнения оксигенатами природных водоемов. Это связано в основном с транспортировкой, хранением и использованием топлив, например, утечки из подземных резервуаров и трубопроводов, разливы на промышленных предприятиях и заправочных станциях, аварии в процессе транспортировки. Оксигенаты являются побочными продуктами, которые присутствуют в стоках таких процессов, как изомеризация, дегидрование, получение синтетических углеводородов в процессе Фишера - Тропша. Содержание оксигенатов в водоемах жестко регламентируется: согласно гигиеническому нормативу 2.1.5.1315-03 предельно-допустимая концентрация (ПДК) н-бутанола и н-пропанола в воде составляет 0,1 и 0,25 мг/л соответственно, для метил-третбутилового эфира ПДК в водоемах составляет 0,3 мг/л. Таким образом, существует проблема выделения и концентрирования оксигенатов, растворенных в воде. Отдельная задача выделения оксигенатов из водных сред связана с процессами производства спиртов из биомассы. Это связано прежде всего с перспективами использования биоспиртов, в основном биоэтанола и биобутанола, в качестве возобновляемых источников энергии, полупродуктов органического синтеза и растворителей в химической промышленности. Разработка эффективного метода выделения биоспиртов позволит повысить их конкурентоспособность по сравнению с существующими процессами получения синтетическими аналогами. Первапорация (процесс испарения через мембрану) представляется перспективным методом для решения задачи выделения оксигенатов из водных стоков по сравнению с традиционными методами очистки (удаление воздуха, адсорбция углеродом и аэробное биоразложение). Существенными преимуществами процесса первапорации являются низкое потребление энергии, безреагентность и возможность дальнейшего использования оксигенатов вследствие их концентрирования. Однако одной из основных причин, ограничивающих широкое применение первапорации для выделения оксигенатов из водных сред, является отсутствие доступных высокоселективных мембранных материалов и мембран. Разработан новый одностадийный метод синтеза мембранных материалов из доступных компонентов, производимых отечественной химической промышленностью (полигидросилоксан, олефины, полибутадиеновый каучук). Предложенный метод синтеза позволяет эффективно комбинировать углеводородные и кремнийорганические фрагменты с образованием новых мембранных материалов, обладающих заданными химическими и мембранными свойствами. Синтез осуществляется при атмосферном давлении в присутствии воздуха при небольшом нагреве (до 60ºС). Следовательно, для производства таких материалов не требуется создание сложного химического оборудования и высоких энергозатрат. Показано, что мембраны на основе синтезированных новых материалов позволяют селективно выделять оксигенаты из воды за счет высокой селективности их сорбции. Первапорационные мембраны позволяют концентрировать этиловый спирт с 3,0 до 26%, пропиловый спирт с 1,0 до 23% и бутиловый спирт с 1,0 до 50% в одну стадию и обладают большей производительностью по сравнению с мембранами на основе промышленного мембранного полимера полидиметилсилоксана. В качестве примера выделения кислородсодержащих соединений из загрязненных промышленных водных сред проведены эксперименты по выделению этанола, ацетона и бутанола из ферментационных смесей методом термопервапорации. В исследованном процессе удаление бутанола из ферментационной смеси проводится до порогового уровня 0,5%, которое отвечает повышенной продуктивности микроорганизмов, производящих бутанол, и позволяет поддерживать движущую силу процесса разделения. Были проведены эксперименты по выделению бутанола из ферментационных смесей, содержащих как мелассу, так и мучную среду. Показано, что разработанные мембраны позволяют стабильно выделять бутанол из ферментационных смесей до концентрации 0,5% и менее вне зависимости от штамма микроорганизмов и состава ферментационной смеси (питательная среда, концентрации ацетона, бутанола и этанола). По данным расчетов, сделанных на основе экспериментальных данных, промышленный мембранный модуль с площадью мембран 100 м² может обслуживать ферментер объемом 27 - 50 м³, что соответствуют реальным промышленным биотехнологическим процессам и свидетельствует о перспективности исследованных мембран для интенсификации производства биобутанола. Таким образом, предложенный новый метод синтеза пoзвoляет варьирoвать химическую структуру и мембранные свойства материала в ширoкoм диапазoне. Оптимизированные материалы данного типа имеют высокий потенциал для сoздания мембран с высокой производительностью и селективностью при выделении оксигенатов из водных сред.