Разработка мембран со смешанной матрицей на основе биоразлагаемых полимеров для развития высокоэффективных и ресурсосберегающих мембранных процессов

В настоящее время одним из наиболее важных направлений в современном обществе является разработка процессов устойчивого развития (sustainable processes). Мембранные процессы относятся к ним в связи с такими преимуществами как экологичность, компактное оборудование и низкое энергопотребление, из-за чего являются альтернативными процессами традиционным методам разделения. При этом применение мембранных технологий, совмещенных с другими процессами, позволяет не только предотвращать экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, но и эффективно решать технологические задачи. Первапорация, нанофильтрация и ультрафильтрация среди мембранных методов являются наиболее перспективными процессами для разделения жидких смесей, так как они экологичны, не энергозатратны, безотходные, с компактным оборудованием и не требуют больших материальных затрат. Выбор данных процессов в проекте обусловлен их высокой востребованностью для практического использования и обусловлен специфическим различием, как в движущей силе, так и в структуре используемых мембран (пористые и непористые), что позволяет проводить разделение всех жидких промышленно-значимых смесей, содержащих как низкомолекулярные вещества, так и высокомолекулярные. Быстрое развитие данных методов и ужесточение экологических норм для промышленности требует поиска новых высокоэффективных экологичных мембран с заданными свойствами. Cуществующий ассортимент промышленных материалов недостаточен, и большинство мембранных материалов изготовлены из синтетических полимеров, полученных из продуктов переработки нефти и газа (невозобновляемых ресурсов), и обладают неудовлетворительными характеристиками, в частности, низкой проницаемостью для применения их в промышленных масштабах (например, PERVAP® (Sulzer ChemTech)). Синтетические небиоразлагаемые полимеры вносят существенный вклад в загрязнение окружающей среды. Потенциал биоразлагаемых материалов привлекает внимание исследователей в связи с проблемой исчерпания природных ресурсов. Данный проект направлен на разработку новых экологичных мембран из биоразлагаемых полимеров (хитозана/сукцината хитозана, альгината натрия, полилактида, поликапролактона и поливинилового спирта) с улучшенными характеристиками для первапорации, нанофильтрации и ультрафильтрации. Улучшение свойств данных материалов будет достигнуто путем объемной модификации модификаторами такими как соединениями металлов (например, оксидами титана, цинка, серебра, др.) и их производными с углеродными нанотрубками и оксидом графена. Улучшение транспортных свойств ожидается за счет изменения поверхностных свойств, пористости и свободного объема в процессе модификации полимерных мембран. Соединения металлов смогут обеспечить высокую каталитическую эффективность модифицированных мембран в отношении загрязнителей, а применение их производных с углеродными частицами, обладающими высокими удельными площадями поверхности, большим числом функциональных групп и настраиваемыми свойствами, позволит предотвратить агломерацию модификаторов в полимерной матрице, сохранить функциональные группы, высокую пористость, увеличенный свободный объем, улучшая производительность мембран при сохранении высокого уровня селективности. Транспортные характеристики полученных мембран будут исследованы при разделении промышленно-значимых смесей: в процессе первапорации для разделения смесей органический растворитель/вода, др., нанофильтрации для разделения растворов красителей, солей магния и натрия, тяжелых металлов, витаминов и ультрафильтрации для отделения белков с целью перспективной очистки сточных вод. Применение разработанных мембранных материалов в энерго- и ресурсосберегающих мембранных процессах позволит решить широкий спектр задач разделения жидких смесей и увеличить производительность и эффективность промышленных технологических систем, где мембранные методы применяются в гибридных процессах.