Пространственное ограничение полимеров для создания полимер-неорганических газоразделительных мембран увеличенной производительности

Практическая применимость современных полимерных мембранных материалов в технологических процессах газоразделения во многом ограничивается компенсационным эффектом между проницаемостью и селективностью, который значительно снижает эффективность газоразделения при увеличении производительности мембран, а также быстрым старением полимеров в ходе эксплуатации. Для снижения компенсационного эффекта используют подходы, связанные с направленной модификацией полимера путем сшивки макромолекул, модификации поверхности или добавления частиц второй фазы в полимер.Принципиально иным подходом модификации полимерного материала, предлагаемым в рамках настоящего проекта, является управление подвижностью макромолекул с помощью внешнего пространственного ограничения в порах жесткой матрицы. Для этого в проекте предлагается разработать способ формирования самоорганизующихся тонких пленок высокопроницаемых полимеров на поверхности мембран анодного оксида алюминия, обладающих системой сквозных каналов контролируемого диаметра (диапазон диаметров 20-300 нм). Формирование композиционных мембран с частичным проникновением полимера в пористую структуру матрицы позволит ограничить подвижность полимерных цепей и будет существенным образом влиять на растворимость и скорость диффузии газа в полимере. Предполагается, что скорость диффузии газов будет зависеть от степени взаимодействия газа с полимером, что позволит ограничить скорость невзаимодействующих диффузии «медленных газов» (N2, CH4) и увеличить скорость диффузии «быстрых» и конденсирующихся газов (CO2, O2, C3H8, C4H10), хорошо растворимых в полимере. Данный подход был протестирован авторами проекта на системе высокопроницаемый полимер PIM-1/анодный оксид алюминия с диаметром пор 20 нм, что позволило увеличить идеальный фактор разделения для пары C4H10/CH4 с 24 до 560 без потери производительности мембран (~10 м3/м2/атм/ч по C4H10). В качестве структурообразующих сред в рамках проекта будут использованы мембраны анодного оксида алюминия с диаметром пор 20-100 нм. В качестве высокопроницаемых полимеров будут рассмотрены полимеры с внутренней микропористостью (PIM-1), полидиметилсилоксан (ПДМС), политримитилсилилпропин (ПТМСП) и др. Предполагается, что успешное выполнение данного проекта позволит установить фундаментальную роль размерного ограничения подвижности полимерных макромолекул на транспортные свойства полимеров с различными сегментами Куна и разработать способы управления газотранспортными свойствами полимеров с помощью пространственного ограничения полимерных макромолекул в каналах жестких матриц. Кроме того, поскольку процессы старения полимерных мембран во многом обусловлены движением полимерных цепей, приводящим к постепенному уменьшению свободного объема, в рамках проекта предлагается изучить процессы эволюции пространственно-ограниченных полимеров в процессе старения, чтопозволит определить возможные пути активации и регенерации газотранспортных характеристик путем «фиксации» свободного объема за счет ограничения подвижности полимерных цепей. На основании полученных результатов будут разработаны новые высокопроницаемые и высокоселективные полимерно-неорганические мембраны на основе системы «высокопроницаемый полимер/анодный оксид алюминия», позволяющих реализовывать такие практически важные процессы разделения, как O2/N2, CO2/CH4 и СnH2n+2/CH4, (где n>3) с высокой эффективностью, устойчивых к процессу старения полимерного материала.