Создание нового поколения асимметричных фильтрационных мембран из полиакрилонитрила последовательным формированием пористой структуры подложечного и селективного слоя

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-79-10260

НазваниеСоздание нового поколения асимметричных фильтрационных мембран из полиакрилонитрила последовательным формированием пористой структуры подложечного и селективного слоя

Руководитель Юшкин Алексей Александрович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова Композиционная мембрана, асимметричная мембрана, инверсия фаз, осаждение в парах осадителя, осаждение нерастворителем, полиакрилонитрил, ПАН, нанофильтрация, ультрафильтрация, апротонный растворитель, ИК-излучение, модификация, сшивка, полимер, температура

Код ГРНТИ61.13.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Широкое применение в нефтяной, фармацевтической и лакокрасочной промышленности апротонных растворителей, таких как ацетон, этилацетат, ТГФ, N-метилпирролидон (МП), ДМФА и ДМСО делает актуальным создание нанофильтрационных мембран устойчивых к данным растворителям. Большинство полимерных фильтрационных мембран представляют собой асимметричные по структуре материалы, когда тонкий селективный слой с узкими порами и макропористый подложечный слой состоят из одного и того же полимера. Такая асимметрия пористой структуры формируется в процессе инверсии фаз при контакте раствора полимера с осадителем (нерастворителем). Для обеспечения заданных разделительных характеристик мембраны вместе с хорошей механической прочностью подложечного слоя требуется проведение процесса формования мембраны при одновременном контроле многих параметров, включая состав и температуру формовочного раствора и осадительной ванны, влажность, время экспозиции и др. Так как пористая структура селективного и подложечного слоя формируется одновременно, то при очевидной технологичности (одностадийный процесс) имеются также и существенные ограничения этого подхода при направленном и контролируемом создании требуемой толщины и морфологии тонкопористого разделительного слоя, обеспечивающего ключевые функциональные свойства мембраны в целом – селективность и проницаемость. Данный проект направлен на решение научной проблемы создания фильтрационных мембран следующего поколения путем независимого формирования пористой структуры подложечного и селективного слоя мембран с использованием одного полимерного материала. Для достижения поставленной задачи предлагается разработать научные решения, позволяющие осуществлять послойное формование мембран из одного и того же полимерного материала. Данный подход позволит задавать на каждом этапе необходимые условия для создания оптимальной пористой структуры. Решение этой задачи возможно путём создания асимметричных мембран последовательным нанесением отдельных слоёв мембраны. Так, например, метод инверсии фаз за счет контакта с осадителем (NIPS – non-solvent induced phase separation) для создания макропористой структуры подложечного слоя может быть совмещен с методом инверсии фаз за счет контакта с парами осадителя (VIPS – vapor induced phase separation) с целью получения узкого распределения пор по размерам в селективном слое ультра- или нанофильтрационных мембран. Так как на каждом этапе послойного формирования мембраны могут применяться одни и те же растворители, то актуальной задачей является возможность сохранения пористой структуры предыдущего слоя. По сравнению с осаждением в жидком нерастворителе метод VIPS позволяет точнее контролировать условия проведения фазоинверсионного процесса за счет варьирования относительной влажности паров нерастворителя (чаще всего, воды) и, таким образом, в более мягких условиях получать требуемую тонкопористую структуру селективного слоя результирующей асимметричной двухслойной мембраны. Даже при использовании одного и того же растворителя можно независимо варьировать концентрацию полимера в формовочном растворе в методах NIPS и VIPS. Выбор ПАН в качестве полимерного материала для реализации предложенного двухстадийного подхода формирования требуемой пористой структуры асимметричной фильтрационной мембраны основывается на полученных за последние 2 года результатах температурной модификации ИК-излучением пористых мембран из ПАН. Впервые показано, что правильный выбор режима обработки позволяет решить две ключевые задачи: 1) получить пористую мембрану, нерастворимую в том апротонном растворителе, с использованием которого готовился формовочный раствор ПАН для получения исходной пористой мембраны методом NIPS и 2) оставить без изменения пористую структуру и селективно-транспортные свойства мембраны. Эти результаты могут служить обоснованием достижимости решения поставленной в проекте задачи, так как подложечный слой, сформованный методом NIPS, будет подвергаться термообработке с использованием ИК-излучения и на поверхность этой химстойкой пористой подложки будет наноситься второй формовочный раствор ПАН с последующим формированием тонкопористой структуры методом VIPS. В рамках данной работы впервые детально будет изучен процесс получения мембран из ПАН методом VIPS. Таким образом, использование модификации получаемых мембран ИК-излучением делает возможным получение мембран, в которых различные слои получены с использованием одного полимера и одного растворителя, но с различными условиями осаждения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Юшкин А.А., Бахтин Д.С., Ефимов М.Н., Карпачева Г.П., Волков А.В. PREPARATION OF POLYACRYLONITRILE MEMBRANES BY VAPOR INDUCED PHASE SEPARATION Materials Science Forum (год публикации - 2019)

2. Юшкин А.А., Ефимов М.Н., Карпачёва Г.П., Волков А.В. МЕМБРАНЫ ИЗ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ ИНВЕРСИИ ФАЗ ИНДУЦИРОВАННОЙ ПАРАМИ ОСАДИТЕЛЯ Сборник тезисов докладов Юбилейной научной конференции ИНХС РАН, стр. 120 (год публикации - 2019)

3. Юшкин А.А., Бахтин Д.С., Ефимов М.Н., Карпачева Г.П., Волков А.В. Preparation of Polyacrylonitrile Membranes by Vapor Induced Phase Separation Key Engineering Materials, 816, 174-179 (год публикации - 2019)
10.4028/www.scientific.net/KEM.816.174

4. Юшкин А., Бахтин Д., Ефимов М., Карпачева Г., Волков А. Structure and filtration performances of PAN membranes prepared by combyned VIPS/NIPS method Permea 2019 Program and Book of Abstracts, 125 (год публикации - 2019)

5. Юшкин А.А., Ефимов М.Н., Балынин А.В., Бахтин Д.С., Карпачева Г.П., Волков А.В. Мембраны из полиакрилонитрила, полученные методом инверсии фаз индуцированной парами осадителя Мембраны 2019. Сборник тезисов докладов, 124-126 (год публикации - 2019)

6. Балынин А.В., Юшкин А.А., Ефимов М.Н., Муратов Д.Г., Волков А.В. Characterization of porous polyacrylonitrile membranes by liquid-liquid displacement technique XVII International Scientific Conference and School of Young Scholars “Physical and Chemical Processes in Atomic Systems” Technical Program, 75 (год публикации - 2019)

7. Алексей Юшкин, Алексей Балынин, Михаил Ефимов, Галина Карпачева, Алексей Волков Preparation of fine porous ultrafiltration membranes from polyacrylonitrile Key Engineering Materials (год публикации - 2020)

8. М.Н. Ефимов, А.А. Васильев, Д.Г. Муратов, Н.А. Жиляева, Э.Л. Дзидзигури, Г.П. Карпачева Влияние температуры предобработки на структурные характеристики при получении высокопористых железосодержащих металл-углеродных нанокомпозитов Russian Journal of Physical Chemistry A (год публикации - 2020)

9. М.Н. Ефимов, Д.Г. Муратов, А.А. Васильев, Н.А. Жиляева, А.А. Юшкин, Г.П. Карпачева Novel template-free procedure of polyacrylonitrile-derived carbon hollow spheres preparation in the presence of palladium Nano-Structures & Nano-Objects (год публикации - 2020)

10. А.А. Юшкин, А.В. Волков, А.В. Балынин, М.Н. Ефимов, Г.П. Бондаренко Development of PAN-based membranes with extended solvent stability by VIPS and NIPS methods Conference proceedings "Organic solvent nanofiltration 2019" (год публикации - 2019)

11. Балынин А.В., Юшкин А.А., Ефимов М.Н., Муратов Д.Г., Волков А.В. Characterization of porous polyacrylonitrile membranes by liquid-liquid displacement technique Journal of Physics: Conference Series, 1696, 012039 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1696/1/012039

12. Юшкин А.А., Балынин А.В., Ефимов М.Н., Карпачева Г.П., Волков А.В. Preparation of Fine Porous Ultrafiltration Membranes from Polyacrylonitrile Key Engineering Materials, 869, 437-442 (год публикации - 2020)
10.4028/www.scientific.net/KEM.869.437

13. Юшкин А.А., Ефимов М.Н., Малахов А.О., Карпачева Г.П., Бондаренко Г.Н., Марбелиа Л., Ванкелеком И.Ф.Д., Волков А.В. Creation of highly stable porous polyacrylonitrile membranes using infrared heating Reactive and Functional Polymers (год публикации - 2021)
10.1016/j.reactfunctpolym.2020.104793

Публикации