Ученые выяснили, как шероховатость мембран влияет на очистку газов от примесей
Российские ученые разработали рецепт эффективной газоразделительной мембраны: она должна быть шероховатой и состоять из полимеров со средней жесткостью цепи молекул. Это поможет получать более чистые газы в промышленности. Статья по исследованию, выполненному при поддержке Российского научного фонда, опубликована в журнале Langmuir.
Сегодня мембранное газоразделение — один из наиболее перспективных методов получения высокочистых газов и очистки промышленных газовых смесей от нежелательных компонентов. В качестве материалов для мембран используют разнообразные полимеры — они прочны, дешевы и их свойства слабо изменяются от партии к партии, то есть обладают воспроизводимостью. Кроме того, их характеристиками можно управлять путем незначительных физико-химических модификаций. Однако для этого метода необходим контроль над избирательностью (селективностью) и проницаемостью полимерных мембран.
Химики из Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева исследовали, как свойства поверхности мембраны влияют на ее энергетические характеристики и функции. Плоские мембраны изготовили из нескольких полимеров: полисульфон, триацетат целлюлозы и поливиниловый спирт. В качестве подложки использовалось боросиликатное стекло, которое известно термостойкостью и механической прочностью. Перед использованием его обработали плавиковой кислотой разной концентрации, чтобы придать поверхности различную степень шероховатости. Полученные изменения фиксировали при помощи сканирующего микроскопа. Толщина мембран на основе боросиликатного стекла составляла около 50 микрометров. Их пропускную способность измеряли в цилиндре с двумя разнородными жидкостями, на границе которых и располагали мембрану. Данные о плотности вещества получали при помощи специального прибора — пикнометра.
"С ростом шероховатости поверхности мембраны будет расти и ее фактическая площадь контакта с газовой смесью. Это должно привести к увеличению доли растворенного в поверхностном мембранном слое газа, потому что на другой стороне концентрация молекул ниже, и они будут стремиться туда перейти. Это будет способствовать улучшению газопроницаемых свойств мембраны", — комментирует Илья Воротынцев, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Нанотехнологии и биотехнологии" Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева и начальник лаборатории "SMART Полимерных материалов и технологий" РХТУ имени Д. И. Менделеева.
Однако следует учитывать, что повышение шероховатости поверхности полимерных мембран влияет на распределение фрагментов самой полимерной цепи. Так, может снизиться дисперсионная энергия, то есть силы электростатического притяжения между нейтральными атомами вещества, и газы будут хуже собираться на поверхности. С другой стороны, увеличение шероховатости поверхности мембраны в полимере с высокой жесткостью цепи приводит к значительному снижению проницаемости. Исследователи нашли способ решения этой проблемы.
"Чтобы повысить селективность мембраны без ухудшения ее газопроницаемости и механической прочности, необходимо лишь подобрать такие полимеры, молекулярная цепь которых обладает средней жесткостью и содержит склонные к водородному взаимодействию фрагменты, как, например, триацетат целлюлозы, который используется для создания волокон и пленочной основы", — сообщает Илья Воротынцев.