Нанофильтрация разбавленных растворов красителей в спиртах через мембраны на основе высокопроницаемых стеклообразных полимеров

• Автор: Царьков, Сергей Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.17.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Нанофильтрация
1.2. Мембранные материалы и мембраны для НФОС
1.2.1. Полимерные мембранные материалы
1.2.2. Неорганические мембранные материалы
1.3. Модификация мембран
1.4. Факторы, влияющие на транспорт через мембрану
1.4.1. Влияние типа и способа получения мембран
1.4.2. Влияние предыстории мембран
1.4.3. Транспорт и механизмы переноса растворителя через мембрану
1.4.4. Транспорт и механизмы переноса растворенного вещества через мембрану
1.4.5. Влияние параметров процесса на транспорт в НФОС
1.5. Выводы из литературного обзора
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Объекты исследования
2.2 Методики приготовления растворов и мембран
2.3 Методики измерения
2.4 Расчет ошибок эксперимента
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Транспорт водно-этанольных растворов
3.2 Течение индивидуальных растворителей через ПТМСП-мембрану
3.3. Модель баромембранного разделения растворов
3.4 Нанофильтрация разбавленных растворов красителей
3.4.1. Удерживание красителя ПТМСП-мембраной в различных растворителях
3.4.2. Удерживание различных красителей при нано фильтрации этанольных растворов через ПТМСП-мембрану
3.4.3. Влияние природы полимера
3.5. Сравнение с коммерческими аналогами
3.6. Низкотемпературная плазменная модификация поверхности ПТМСП
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Традиционным способом разделения жидких сред является дистилляция. Однако, высокие энергозатраты данного способа, связанные с фазовым переходом, а также ограниченность его применения для выделения термически нестабильных соединений делают актуальным поиск новых подходов к решению этой задачи. Нанофильтрация органических сред (НФОС) является одним из перспективных альтернативных подходов, который получил активное развитие в последние 15-20 лет в связи с разработкой высокопроизводительных полимерных мембран, устойчивых в органических средах. Эта баромембранная технология позволяет отделять вещества с молекулярной массой 200 - 1000 г/моль от низкомолекулярных органических растворителей. Наиболее интенсивно исследуемыми направлениями использования НФОС являются гомогенный катализ и экстракционные процессы в нефтехимической, химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Кроме того, весьма важной частной задачей является очистка органических растворителей от остаточных концентраций красителей для их повторного использования, например, в лакокрасочной и текстильной промышленности.
Отсутствие фазовых переходов при нанофильтрации обеспечивает низкую энергоемкость этой технологии по сравнению с традиционными дистилляционными методами разделения. В случае гомогенного катализа НФОС позволяет отделить дорогостоящий катализатор от реакционной смеси и вернуть его без регенерации и дезактивации в реактор без снижения рабочего давления в системе. Следует отметить, что НФОС иногда рассматривается как единственно возможный эффективный способ разделения термически нестабильных систем (например, выделение интермедиатов при замене органических растворителей в ходе многостадийного органического синтеза).
Наиболее эффективными на сегодняшний день промышленными мембранами для НФОС являются асимметричные мембраны на основе низкопроницаемых стеклообразных полимеров (например, полиамиды или полиимиды). Нанопористая структура селективного слоя таких мембран формируется методом инверсии фаз с использованием систем «растворитель-осадитель».
Недавно в ИНХС РАН на примере поли(1-триметилсилил-1-пропин)а (ПТМСП) впервые было предложено новое перспективное направление в области НФОС -мембраны на основе высокопроницаемых стеклообразных полимеров с высокой долей неотрелаксированного свободного объема. Суть развиваемого подхода заключается в том, что нанопористая структура таких полимеров самопроизвольно формируется при получении пленок из раствора полимера из выбранного растворителя. Варьирование

величины и стр_уктуры свободного объема полимерного материала открывает возможности создания мембран с требуемыми разделительными характеристиками в условиях нанофильтрации органических сред. Важно подчеркну ть, что все полимеры в большей или меньшей степени набухают в среде органических растворителей, что может оказывать существенное влияние на транспортные и разделительные характеристики мембран. В этой связи, весьма важной задачей мембранного материаловедения в этой области является изучение влияния природы растворителя и растворенного вещества на нанофильтрационные свойства стеклообразных полимеров с высоким свободным объемом.
Помимо создания новых мембранных материалов и мембран большое внимание уделяется модификации свойств уже существующих. Так, свойства полимерных мембран могут быть существенно изменены в результате плазмохимической обработки их поверхности. В связи с этим, исследование влияния данного метода модификации на транспортные и разделительные свойства мембран на основе высокопроницаемых стеклообразных полимеров в процессах НФОС также представляется актуальным.

20 30
Давление, атм
Рис. 24. Асимметричная мембрана на основе ацетата целлюлозы: влияние
трансмембранного давления на общий поток (левый график) и удерживание (правый график). Обозначения на графиках: о - этанол/докозановая кислота (ММ=339 г/моль); • - этанол/тетракозан (ММ=341 г/моль); А - гексан/тетракозан.
Также может наблюдаться и обратная ситуация (уменьшение удерживания с ростом трансмембранного давления). Так, например, из рис. 25 следует, что удерживание нейтрального красителя Sudan IV (384 г./моль) мембраной Membrane D из метанольных и этанольных растворов заметно уменьшается с ростом давления [55].

О 10 20 30 40 50
Ар, атм
Рис. 25. зависимости удерживания из сред метанола и этанола в зависимости от приложенного давления нейтрального красителя Sudan IV (384 г/моль) мембраной Membrane D [55].