Рецепт высокочистых газов
Химики из Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева исследовали, как свойства поверхности мембраны влияют на ее энергетические характеристики и функции. Плоские мембраны они изготовили из нескольких полимеров: полисульфона, триацетата целлюлозы и поливинилового спирта. В качестве подложки использовалось боросиликатное стекло, которое известно своей термостойкостью и механической прочностью. Перед использованием боросиликатное стекло было обработано плавиковой кислотой разной концентрации для придания поверхности различной степени шероховатости. Полученные изменения фиксировались при помощи сканирующего микроскопа. Толщина мембран на основе боросиликатного стекла составляла около 50 микрометров. Их пропускная способность измерялась в цилиндре с двумя разнородными жидкостями, на границе которых и располагалась мембрана. Данные о плотности вещества были получены 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» НГТУ им. Р. Е. Алексеева и начальник лаборатории «SMART Полимерных материалов и технологий» РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Однако, 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.
— Для повышения селективности 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, — поясняет Илья Воротынцев.
Мембранное газоразделение — это 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.
Статья по исследованию, выполненному при поддержке Российского научного фонда, опубликована в журнале Langmuir, который издается Американским химическим обществом и охватывает исследования в области поверхностной и коллоидной химии.
