Новые мембранные материалы для концентрирования биоспиртов, а также очистки и регенерации промышленно значимых растворителей (заключительный)

Задачей данного проекта являлось получение комплекса новых знаний в области мембранного материаловедения с целью усовершенствования процессов очистки и концентрирования практически значимых веществ, а именно расширение областей применения ионных жидкостей и оптимизации способов внедрения новых модификаторов различной природы для процессов мембранного разделения жидких и газовых смесей. В качестве мембранных методов для решения прикладных задач были применены методы первапорации, газоразделения и ультрафильтрации. В области ультрафильтрации и газоразделения выполнены актуальные исследования по усовершенствованию технологии формования бездефектных мембран, а именно по применению ионных жидкостей как сорастворителей и модификаторов, значительно изменяющих морфологию и разделительные свойства материалов. Новизна работы связана с разработкой новых методик формирования мембран и получением мембранных материалов с улучшенными эксплуатационными параметрами. В проекте также рассматривается возможность расширения области применения первапорации и разработки мембранных материалов с внедрением модификаторов, обеспечивающих селективный транспорт через мембраны извлекаемых компонентов. - Изучено влияние добавок ионной жидкости как сорастворителя на примере 1-гексил-З-метилимидазолия тетрацианобората - [hmim][TCB], на структуру и транспортные свойства асимметричных мембран на основе сополиимида Р84, приготовленных из формовочного раствора P84/H>K/NMn. Проведено сравнение транспортных свойств указанных мембран с мембраной, приготовленной без ИЖ из раствора P84/NMP. Транспортные параметры мембран определены в ультрафильтрационных экспериментах с чистой водой и водным раствором бычьего сывороточного альбумина. Модельные растворы получали путем приготовления 1 масс.% белка с фосфатном буфере. Показано, что добавки ИЖ к формовочному раствору Р84 увеличивают производительность мембран. Степень восстановления потока (FRR) для мембран на основе Р84 достаточно высока; однако её величина несколько снижается при использовании ИЖ. Задерживающую способность мембран Р84 и Р84(ИЖ) также оценивали по отношению к лантану (3+), задача выделения которого возникает в ходе переработки стоков и выделения редкоземельных металлов. Раствор для разделения готовили в форме лантан-ализаринового комплекса (ЛАК) в водно-ацетоновом растворе в качестве модели, приближенной к промышленным условиям. Мембрана Р84(ИЖ) показала устойчивость по отношению водному раствору ацетона, высокую степень задерживания (98,5%) по отношению к ЛАК, а также значительную производительность. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности эффективного извлечения редкоземельных металлов из разбавленных растворов с использованием ультрафильтрационных мембран на основе сополимида Р84, в том числе с добавками ИЖ. - Созданы новые мембраны асимметричной структуры на основе композитов Р84 с наноалмазами (НА). Исследовано влияние НА и ИЖ [hmim][TCB] на структуру и транспортные свойства асимметричных мембран Р84/НА содержащих до 3 масс.% НА В процессах ультрафильтрации установлено, что повышение содержания НА в композите значительно увеличивает гидравлическую производительность Р84/НА мембран, при этом степень восстановления производительности после ультрафильтрации водных растворов белков понижается. Для улучшения транспортных свойств была произведена добавка ИЖ в формовочный раствор Р84/НА что способствовало дальнейшему повышению производительности мембран; однако степень восстановления потока при этом понижалась до 40. Величина номинальной молекулярной массы задержания (MWCO) для мембран Р84/НА(1%) и Р84/НА(1%)(ИЖ) практически не меняется и составляет 65-103 г/моль. - Разработаны новые композиты путем смешивания ПАИ и цПАН (5,10 и 15 масс.%) в растворе ЫМП. Транспортные свойства мембран исследованы в ультрафильтрационных экспериментах с чистой водой и водным раствором белков. Наилучшие свойства установлены для мембраны, содержащей 5 масс.% цПАН: задерживание БСА составляло до 98 %, а степень восстановления потока - до 72 %, что можно объяснить гидрофилизацией мембраны и поверхности пор. Величина номинальной молекулярной массы задержания составляет около 60Н103 г/моль для мембран ПАИ-5 и ПАИ-10. - Созданы новые композиты на основе ПА с внедрением мультикомпонентного модификатора, состоящего из гетеролучевого звездообразного модификатора (ГЗМ) и ионной жидкости бис(трифторметилсульфонил)имида 1-бутил-3-метил-имидазолия (ИЖ). Полученный композит был использован для формования плотных мембран, содержащих 5 масс.% (ГЗМ:ИЖ), для применения в диффузионных мембранных методах. Транспортные свойства также исследованы в процессе первапорации смеси метанол/н-гептан, в том числе смеси азеотропного состава. Установлено, что новая ПД/(ГЗМ:ИЖ) мембрана обладает более высокой производительностью и фактором разделения по сравнению с немодифицированной ПА мембраной, чему способствует комплексный модификатор, который создает в мембране зоны специфического набухания и дополнительные транспортные каналы для предпочтительной проницаемости метанола. - Получены новые композиты промышленных полимер - неорганический модификатор слоистой каркасной структуры путем включения 1 и 2 мас.% добавок перовскитоподобных оксидов La0.85Yb0.15AL03 (LYA) в матрицу Ultem® полиэфиримида (ПЭИ). Транспортные свойства ПЭИ-LYA композитов при первапорации смеси метанол-циклогексан обусловлены высокой сорбцией метанола. При введении добавок LYA увеличивается удельная производительность и уменьшается фактор разделения (аМеОН/СН), что связано с повышением равновесной сорбции метанола и циклогексана в ПЭИ-LYA мембранах. Расчет индекса первапорационного разделения показал, что лучшими свойствами обладает ПЭИ-1_УА(2%) мембрана. Дополнительно были исследованы газоразделительные свойства при измерении проницаемости Н2,02 и N2 через ПЭИ-LYA мембраны, содержащие 0,1, и 2 мас.% LYA Коэффициенты проницаемости уменьшаются для всех газов с увеличением содержания LYA в мембране, что определяется увеличением плотности и уменьшением свободного объема композитов. Идеальная селективность разделения пар газов H2/N2 и 02/N2 увеличивается с ростом содержания LYA в мембранах. - Разработаны мембраны на основе новых полимеров поли(бихинолиндикарбогидразид)-со-(бистримеллитимида) (ПГИ) и его комплекса с металлом ПГИ-Си+Разработанные объекты были исследованы для решения относительно новой задачи по разделению смеси бензол-изопропанол. Особенность строения ПГИ и его металл-полимерного комплекса ПГИ—Cu(l) заключается в том, что онисодержат несколько видов функциональных групп: гидразидные, карбоксильные, амидные и имидные группы, а также бихинолиновые фрагменты в основной цепи, через которые образуется металл-полимерный комплекс с медью Cu(l). Анализ структурных особенностей мембран был основан на данных СЭМ и характеристиках плотности. Мембрана ПГИ-Cu(l) имеет фазово-разделенную структуру и увеличенный свободный объем. Механические испытания пленок показывают, что ПГИ и ПГИ—Cu(l) являются материалами с высокими показателями жесткости и пластичности для успешного практического использования в качестве мембран. Транспортные свойства ПГИ и ПГИ—Cu(l) мембран исследованы при первапорации смеси бензол-изопропиловый спирт (ИПС), содержащей от 20 до 80 мас.% бензола, включая и состав азеотропной смеси. При первапорации с использованием обеих мембран образуется пермеат, содержащий более 90 мас.% бензола. Удельная производительность ПГИ-Си(1) мембраны выше, чем у ПГИ. Фактор разделения ПГИ мембраны превосходит таковой для ПГИ -Cu(l) для всех составов исходной смеси. По результатам исследований опубликовано 7 статей, 5 из опубликованы в журналах Q1