В течение последних десятилетий разработки в области мембранных технологий показали высокую эффективность в различных отраслях промышленности. Мембранные технологии относятся к процессам устойчивого развития и обладают рядом преимуществ: экологичность, экономичность, низкое энергопотребление, высокая производительность и селективность, непрерывность процесса разделения, рентабельность. Различные методы мембранного разделения широко применяют для повышения эффективности и производительности технологических схем и решения экологических проблем.
Одним из перспективных мембранных методов разделения является первапорация. Данный метод позволяет эффективно разделять жидкие смеси низкомолекулярных соединений. В сравнении с традиционными методами разделения, такими как дистилляция, перегонка и ректификация [1], процесс первапорации отличается высокой эффективностью при концентрировании, фракционировании и очистки веществ, а также при разделении азеотропных смесей, смесей изомеров, близкокипящих и термически неустойчивых веществ. К основным областям применения первапорации относят обезвоживание растворителей, удаление органических соединений из водного раствора, разделение органических смесей и опреснение [2]. Одним из активно развивающихся направлений обезвоживания растворителей является дегидратация этиленгликоля [3]. Этиленгликоль (ЭГ) относится к наиболее важным коммерчески доступным гликолем и имеет множество применений, в том числе в качестве антифриза в системах охлаждения и отопления, в гидравлических тормозных жидкостях, в качестве сырья для производства полиэфирных смол [4]. Стоит отметить, что производство ЭГ обычно осуществляется путем гидролиза окиси этилена в присутствии избытка воды [5], в результате получают 70-80% водный раствор этиленгликоля, требующий дополнительной стадии дегидратации (обезвоживания). Разделение смеси ЭГ и воды путем дистилляции входит в число восьми наиболее энергоемких операций в химической промышленности [6]. Использование первапорации при правильном подборе мембраны с заданными характеристиками позволит экологично и экономично решить проблему регенерации ЭГ от воды [7].
В качестве материалов для приготовления первапорационных мембран при дегидратации ЭГ используют различные полимеры, такие как поливиниловый спирт (ПВС) [8], хитозан и полисульфон (ПС) [6], полиамид (ПА) [9], полимер с внутренней микропористостью (PIM-1) [10], полифениленоксид (ПФО) [11] и др. В данной работе в качестве основы для приготовления мембран был выбран поли(2,6-диметил-1,4- фениленоксид) (ПФО) - ароматический стеклообразный полимер с хорошими механическими и плёнкообразующими свойствами, с высокой термической стабильностью и хорошей химической стойкостью [12], который активно используется для создания мембран для диффузионных мембранных процессов, а именно первапорации [13-15] и газоразделения [16-18]...
Были разработаны новые диффузионные и композиционные мембраны со смешанной матрицей на основе поли (2,6-диметил-1,4-фениленоксида) (ПФО), модифицированного наночастицами оксида графена (ОГ), для первапорационной дегидратации этиленгликоля.
Транспортные свойства разработанных мембран на основе ПФО и композита ПФО/ОГ были изучены в первапорационной дегидратации ЭГ в широком концентрационном диапазоне (10-90 масс.% воды). Было показано, что все разработанные мембраны являлись высокоселективными по отношению к воде. Введение оксида графена (0,1-0,9 масс.%) в матрицу ПФО привело к улучшению удельной производительности диффузионных мембран с небольшим снижением селективности по отношению к воде по сравнению с немодифицированной ПФО мембраной. Изменения транспортных свойств были связаны с изменениями в структуре и физико-химических свойствах ПФО мембраны: формирование более шероховатой внутренней и поверхностной морфологии и гидрофилизация поверхности, что было изучено различными методами анализа (ИК-Фурье, СЭМ, АСМ, измерение краевых углов по воде и степени набухания). Диффузионная ПФО мембрана с содержанием ОГ 0,7% обладала оптимальными транспортными характеристиками: самая высокая удельная производительность 78-470 г/(м2ч) и 99,3-96,2 масс.% воды в пермеате при первапорационной дегидратации ЭГ (10-90 масс.% воды).
С целью увеличения производительности диффузионной мембраны для перспективного промышленного применения, была разработана композиционная мембрана путем нанесения тонкого селективного слоя на основе ПФО/ОГ (0,7%) композита на коммерческую МФФК подложку. ПФО/ОГ (0,7%)/МФФК мембрана продемонстрировала увеличенную удельную производительность (в 15 раз) с сохранением высокой селективности к воде (99,8-99,6 масс.% воды в пермеате) по сравнению с диффузионной ПФО мембраной при первапорационной дегидратации ЭГ (10-30 масс.% воды).
Таким образом, благодаря разработке новой высокоэффективной и высокоселективной мембраны на основе ПФО, модифицированного ОГ, была проведена оптимизация процесса первапорационного разделения смеси вода/ЭГ. Мембрана ПФО/ОГ (0,7%)/МФФК является перспективной для промышленного 40
применения при дегидратации ЭГ благодаря высокой производительности с сохранением высокой селективности по отношению к воде и механической и термической стабильности мембраны.
