Полимерные мембраны, модифицированные различными наночастицами, представляют большой интерес не только в фундаментальном отношении, но и с точки зрения применения этих технологий в медицине, фармацевтике, нефтехимической, пищевой и других видах промышленности, а также создания экологически чистых, энерго- и ресурсосберегающих технологий.
В ходе исследования ученые СПбГУ разрабатывают новые нанокомпозитные полимерные материалы функционального назначения для их применения в мембранных процессах. Особое внимание специалистов направлено на изучение поведения нанокомпозитных мембран для разделения жидких смесей (в том числе промышленно значимых) в мембранных процессах, таких как процессы первапорации и ультрафильтрации.
Сегодня существует большое многообразие мембран, созданных на основе полимерных или неорганических материалов. Оба класса имеют свои преимущества и недостатки.
Так, полимерные мембраны обладают хорошими механическими свойствами, хорошей пленкообразуемостью, воспроизводимостью транспортных характеристик. Кроме того, они отличаются высокой плотностью упаковки в единице объема мембранного модуля, относительной легкостью получения, возможностью контроля размеров пор и более низкой стоимостью по сравнению с неорганическими мембранами. Среди недостатков полимерных мембран — низкая устойчивость к загрязнению в процессе эксплуатации, низкая проницаемость и недостаточно высокая химическая и термическая стойкость.
Неорганические мембраны, наоборот, обладают хорошей химической и термической стойкостью, а также высокой селективностью. Последнее преимущество объясняется тем, что для данного типа мембран отсутствует набухание в разделяемых компонентах в отличие от их полимерных конкурентов. К недостаткам этого типа мембран можно отнести их хрупкость, трудоемкость производства и высокую цену на неорганические материалы.
Одним из перспективных способов устранения перечисленных недостатков может являться создание мембран со смешанной матрицей, которые бы содержали диспергированный неорганический или полимерный наполнитель в полимерной матрице.
В ходе исследования ученые СПбГУ используют наиболее актуальный и экономически обоснованный способ улучшения свойств полимерных мембран для использования их в процессах дегидратации и водоочистки — модификацию известных полимерных материалов, обладающих хорошими физико-химическими и пленкообразующими свойствами.
«В результате работы над проектом мы впервые получим новые полимерные мембраны, модифицированные водорастворимыми производными фуллерена и блок-сополимерами полиэтиленгликоля и полипропиленгликоля для проведения процессов дегидратации и водоочистки, — рассказывает Анастасия Пенькова. — Кроме того, мы планируем приготовить новые тонкопленочные композиционные мембраны для дегидратации с использованием ультрафильтрационных подложек, которые также будут разработаны в ходе исследования».
Применение его результатов, по словам ученого, позволит достичь значительного экономического эффекта, так как мембранные процессы первапорация и ультрафильтрация являются экологически чистыми, энергоемкими и не требует больших материальных затрат. Использование мембран со смешанной матрицей обеспечит высокоэффективную очистку воды от органических растворителей (спирты, тетрагидрофуран и пр.), разделение азеотропных смесей и близкокипящих компонентов, концентрирование и фракционирование смесей. Разрабатываемые учеными СПбГУ мембранные методы могут стать альтернативными процессами уже существующим процессам разделения в промышленности. Кроме того, они могут использоваться не только индивидуально, но и в сочетании с другими процессами разделения, что, несомненно, приведет к улучшению промышленных технологических схем.