Высокоэффективные мембранные материалы для разделения многоионных растворов электролитов методом электродиализа

На сегодняшний день общий объём водных ресурсов оценивается в 1,4 млрд. км3, однако около 3 млрд. человек живут в условиях нехватки чистой воды. В связи с этим водоочистка является одной из основных проблем, стоящих перед человечеством. При этом актуальной задачей является очистка не только бытовых сточных вод, но и морских и промышленных, которые могут содержать огромное количество ценных компонентов. Проект направлен на разработку новых способов получения ионообменных мембран для электродиализной водоочистки и изучение взаимосвязи между их фазовой структурой, физико-химическими и транспортными характеристиками. В данном проекте будут получены новые мембранные материалы на основе катионо- и анионообменных мембран: гетерогенных промышленных армированных полипропиленом или полиэфиром RALEX и неармированных мембран типа «мембранная фольга» (Mega (Чехия)), их российских аналогов – мембран МК-40 и МА-41 (ООО «Щекиноазот»), а также некоторых перспективных типов мембран, разработанных в коллективах, выполняющих данный проект. Предполагается использование как новых методов получения высокоселективных мембран, связанных с прививочной полимеризацией, так и развиваемого китайским коллективом участников проекта метода заполнения пор с внедрением в них ионообменных полимеров, обладающих улучшенным комплексом свойств. Основными способами модификации будет модификация поверхности мембран путем нанесения высокоселективного слоя полиэлектролита, слоев противоположно заряженных материалов, а также метод заполнения пор. С другой стороны известно, что селективность современных гетерогенных ионообменных мембран, использующихся для промышленной реализации подавляющего большинства современных электромембранных технологий, существенно уступает гомогенным мембранам за счет наличия в их структуре вторичной пористости с характерным размером пор порядка 1 мкм, образующихся в процессе формирования мембран между частицами прессуемых материалов. Минимизировать этот негативный эффект может позволить блокирование таких пор внедрением различных наночастиц как неорганического, так и органического происхождения. В качестве такой модификации будет проведено введение частиц оксидов, в том числе и с функционализированной поверхностью, фосфатов циркония в модифицирующий слой и/или в поверхностные слои мембранного материала. При модификации поверхности мембран за счет изменения ее параметров (заряда, гидрофильности, пространственной неоднородности) ожидается изменение скорости ионного переноса у поверхности и, соответственно, скорости деградации мембран (засорения или часто определяющихся обобщенным англоязычным термином –фаулинг). Ввиду различия сторон поверхностно-модифицированных мембран также ожидается асимметрия ионного транспорта. При введении допантов также может происходить улучшение проводимости, обусловленное гидрофильной поверхностью допанта и увеличением числа переносчиков заряда за счет участия дополнительных протондонорных функциональных групп в процессах ионного переноса. Варьирование свойств мембранной матрицы (ионообменной емкости, гидрофильности, пористости), природы, концентрации, кислотности поверхности (модифицирующих частиц, нанесенного слоя), состава и/или степени сшивки привитого полимера, соотношения реагентов и условий синтеза может позволить получить плотные и высокоселективные ионообменные мембранные материалы для электродиализа. Предложенные методы модификации позволят значительно улучшить электрохимические и эксплуатационные характеристики разрабатываемых мембран, увеличить их селективную проницаемость и повысить их эффективность. Разработанные мембранные материалы будут использованы в электродиализных установках, в т.ч. для развиваемого в последние годы китайским коллективом асимметричного селективного электродиализа, позволяющего регулировать скорость переноса отдельных типов ионов. Будет проведено сопоставление характеристик полученных материалов с таковыми коммерческих ионообменных мембран. Установление взаимосвязей типа «структура-свойства» позволит направленно варьировать свойства материала и осуществлять синтез мембран с необходимыми характеристиками. На основе полученных знаний будут даны рекомендации для их эффективного использования в различных областях промышленности, в первую очередь, для водоочистки.