Разработка новых мембран со смешанной матрицей на основе производных целлюлозы для высокоэффективного, экологически чистого и ресурсосберегающего мембранного разделения жидких смесей и создания каталитических мембранных реакторов (заключительный)

В настоящее время мембранные технологии находят широкое применение в процессах очистки, фильтрации и разделения бинарных и многокомпонентных систем. Разработка новых мембранных материалов с оптимизированными структурно-функциональными характеристиками способствует повышению эффективности мембранных процессов, снижению их энергоемкости, а также минимизации экологического воздействия на окружающую среду. В рамках второго года проекта согласно заявленному плану работ была осуществлена поверхностная модификация пористых мембран путем нанесения наноразмерных полиэлектролитных слоев (хитозан (ХЗ), альгинат натрия (АН), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), полиаллиламин гидрохлорид (ПАГ), полистиролсульфонат натрия (ПСС), полиакриловая кислота (ПАК), др.) методом ионного наслаивания (ИН), приготовлены новые композиционные (тонкослойные) мембраны, которые представляют из себя тонкий селективный полимерный слой из полиамида (ПА), полученного методом межфазной полимеризации (МП), на пористой подложке (мембране) без/c модификацией металлорганическими каркасными полимерами (МКОП), а также разработаны композиционные мембраны на основе КМЦ без/c модификацией МКОП. Полученные мембраны были охарактеризованы различными физико-химическими методами анализа (сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопией, ИК- и ЯМР- спектроскопией, измерением углов смачивания и степени набухания). Транспортные свойства полученных мембран были оценены в процессах нанофильтрации и первапорации органических сред и для водоочистки/дегидратации. Для разработанных композиционных мембран с селективным слоем, полученным методом ИН, было получено, что оптимальной пористой подложкой для нанесения слоёв полиэлектролитов являлась пористая мембрана, приготовленная из 15 масс.% ацетата целлюлозы (АЦ) на лавсане. Оптимальными транспортными свойствами при разделении смеси вода/изопропиловый спирт (12, 20 масс.% воды) в процессе первапорации и нанофильтрации растворов тяжелых металлов обладали мембраны, приготовленные с использованием пары полиэлектролитов ХЗ/КМЦ. Для разработанных композиционных мембран на основе КМЦ, модифицированных ZIF-8, было получено, что использование 10 масс.% ZIF-8 и нанесение тонкого селективного слоя на пористую мембрану АЦ позволило получить композиционные мембраны с улучшенными транспортными характеристиками для первапорационной дегидратации изопропанола. Также сшивание селективного слоя на основе КМЦ композиционной мембраны приводило к стабильности мембраны на всем концентрационном диапазоне с оптимальными транспортными свойствами: высокая удельная производительность (0,136–1,968 кг/(м2ч)) при высоком содержании воды в пермеате (˃92 % воды) при дегидратации изопропанола (12-100 масс.% воды). Для разработанных тонкослойных (ТС) мембран, полученных методом МП, тонкий селективный ПА слой наносился на пористую подложку из АЦ и нитрата целлюлозы (НЦ), разработанную на 1 году выполнения проекта. Кроме того в процессе МП в органическую и/или водную фазу вводили МКОП HKUST-1 для улучшения транспортных характеристик. Варьирование способа введения (фазы) и количества МКОП приводило к значительному изменению морфологии ПА слоя и транспортных характеристик, что позволило гибко настраивать свойства мембран для увеличения производительности (123 л/(м2чбар) в случае введения HKUST-1 в водную фазу) или селективности разделения красителей (более 89% в случае введения HKUST-1 в органическую фазу). Также, для всех модифицированных ТС мембран наблюдалось высокое задержание ионов тяжелых металлов (более 91,7%). С целью изучения системы КМЦ+ZIF-8, объяснения наблюдаемых транспортных характеристик и подтверждения полученных другими методами исследования результатов, были проведены атомистическое молекулярно-динамическое моделирование и квантово-химические расчеты. Было подтверждено более энергетически выгодное взаимодействие ZIF-8 с компонентами разделяемой смеси, что приводило к улучшению удельной производительности. Также, для мембран на основе АЦ/НЦ было проведено машинное обучение для идентификации составов мембран с улучшенными потоками, высокими коэффициентами задержания и степенью восстановления потока. Было показано, что машинное обучение является перспективным подходом для разработки новых мембранных материалов. Таким образом, при выполнении проекта было показано, что нанесение тонкого слоя методом ИН, создание новых ТС мембран методом МП на пористой подложке и разработка композиционных мембран на основе КМЦ позволило получать мембраны с улучшенными транспортными характеристиками, а введение МКОП в селективный слой разработанных мембран приводило к увеличению производительности и селективности (увеличение коэффициентов задержания или содержания воды в пермеате) в процессах нанофильтрации и первапорации органических сред и для водоочистки/дегидратации.