Введение 4
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6
1.1 Мембранные процессы 6
1.2 Первапорация 7
1.3 Ультрафильтрация 9
1.4 Классификация мембран 12
1.4.1 Мембраны для первапорации 13
1.4.2 Мембраны для ультрафильтрации 14
1.4.3 Полифениленизофталамид в качестве мембранного материала 15
1.5 Диоксид титана в качестве мембранного модификатора 17
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 26
2.1. Материалы 26
2.2 Приготовление мембран 26
2.2.1 Приготовление ультрафильтрационных мембран 26
2.2.2 Приготовление первапорационных мембран 28
2.3 Изучение структуры и физико-химических свойств мембран 28
2.3.1. Изучение структуры спектроскопическим методами анализа 28
2.3.2. Изучение структуры микроскопическими методами анализа 29
2.3.3. Метод стандартной порозиметрии 29
2.3.4. Измерение степени набухания 29
2.3.5. Измерение углов смачивания 30
2.4 Изучение транспортных свойств мембран 30
2.4.1 Ультрафильтрация 30
2.4.1 Первапорация 33
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 36
3.1 Изучение ультрафильтрационных мембран на основе ПА
модифицированного TiO2 36
3.1.1 Изучение структуры ультрафильтрационных мембран 37
3.1.2 Изучение транспортных свойств ультрафильтрационных мембран 42
3.2 Изучение первапорационных мембран на основе ПА и его композитов с
TiO2 49
3.2.1 Изучение структуры первапорационных мембран 50
3.2.2 Изучение транспортных свойств первапорационных мембран 55
Выводы 58
Благодарности 59
Список цитированной литературы 60
В настоящее время мембранные технологии пользуются большой популярностью в связи с тем, что они обладают такими преимуществами как непрерывность процесса, возможность его автоматизации, безопасность, низкое энергопотребление, компактное оборудование и экологичность. В дипломной работе рассматриваются два мембранных процесса, применяемых для разделения жидких смесей - ультрафильтрация и первапорация.
Ультрафильтрация применяется во многих отраслях промышленности благодаря её способности отделять высокомолекулярные компоненты растворов от низкомолекулярных и также является перспективным методом для удаления загрязняющих веществ (например, масло) из воды [1]. Первапорация, в основном, применяется для разделения органических и водно-органических смесей, состоящих из низкомолекулярных компонентов. В ряд её преимуществ входит возможность разделения азеотропных и изомерных смесей, близкокипящих и термически неустойчивых веществ [2]. Однако, быстрое развитие мембранных процессов требует поиска новых материалов и создания высокоэффективных мембран на их основе. В частности, из-за того, что большинство ультрафильтрационных мембран склонны к загрязнению, вызывающему снижение эффективности разделения и продолжительности жизни мембраны. При проведении первапорации часто не удается совместить высокую селективность и скорость разделения для мембран. В связи с вышеперечисленными проблемами возникает тенденция в данной области исследований, ведущая к оптимизации процессов первапорации и ультрафильтрации путём модификации мембран для получения мембранных заданных характеристик. Введение в мембранную матрицу различных оксидов (диоксид титана, оксид цинка и графена) рассматривается как перспективный способ улучшения транспортных свойств мембран и повышения их устойчивости к загрязнению.
В данной работе был выбран поли(м-фениленизофталамид) (ПА) в качестве мембранного материала. Данный полимерный материал отличается высокой теплостойкостью, химической и механической устойчивостью и высокой производительностью^]. В качестве мембранного модификатора был использован диоксид титана (T1O2) - коммерчески доступный гидрофильный материал с фотокаталитическими свойствами[4]. Разработка мембран для ультрафильтрации и первапорации на основе композитов ПА/TiO2 с улучшенными транспортными характеристиками и повышенной устойчивостью к загрязнению является актуальной задачей и перспективным направлением исследований в области мембранных технологий.
Таким образом, целью данной работы является оптимизация процессов первапорации и ультрафильтрации посредством разработки новых мембран на основе композитов поли(м-фениленизофталамид)/?1O2.
1. Были разработаны первапорационные и ультрафильтрационные мембраны из поли(м-фениленизофталамида), модифицированного диоксидом титана.
2. Транспортные свойства разработанных ультрафильтрационных мембран были изучены в процессе ультрафильтрации смазочно-охлаждающей жидкости. Было получено, что модификация диоксидом титана приводит к повышению потоков воды и смазочно-охлаждающей жидкости. В результате изучения структурных характеристик ультрафильтрационных мембран было показано, что модификация диоксидом титана приводит к повышению гидрофильности и шероховатости поверхности мембран, а такжек снижению их пористости. Оптимальные показатели продемонстрировала мембрана ПА-Т1О2 (0,3 масс. %), модифицированная диоксидом титана: степень восстановления потока - 84%, поток по СОЖ - 32 л/м2ч, поток по воде - 1146 л/м2ч, коэффициент задержания - 100%.
3. Была исследована устойчивость к загрязнению мембраны ПА-Т1О2 (0,3 масс. %) в процессе ультрафильтрации раствора бычьего сывороточного альбумина. Была доказана способность мембраны к самоочищению после ультрафиолетового излучения: были достигнуты высокие значения степени восстановления потока (89-94%).
4. Транспортные свойства разработанных первапорационных мембран были изучены в процессе первапорации смеси метанол/толуол (72/28 масс. %).
4.1 Для диффузионных мембран установлено, что введение до 0,3 масс. % диоксида титана в матрицу ПА приводит к увеличению содержания метанола в пермеате с 92% до 94% и к увеличению удельной производительности с 0,33 до 0,46 кг/(м2ч), по сравнению с немодифицированной мембраной. Также, при изучении структурных характеристик первапорационных мембран установлено, что модификация диоксидом титана приводит к повышению шероховатости и к гидрофобизации поверхности мембраны.
4.2 С целью увеличения производительности были разработаны композиционные мембраны. Было установлено, что уменьшение селективного слоя путём разработки композиционных мембран позволило увеличить удельную производительность на 245% при разделении смеси метанол/толуол с сохранением высокого содержания метанола в пермеате - 90 масс. %.
