Ионообменные мембранные материалы: свойства, модификация и практическое применение
А.Б. Ярославцев (ИОНХ РАН), В.В.Никоненко (КубГУ)
Оригинальный материал: А.Б.Ярославцев, В.В.Никоненко. Ионообменные мембранные материалы: свойства, модификация и практическое применение. Российские нанотехнологии. 2009, т.4,№3 р. 33-53.
Аннотация
В данном обзоре обобщены современные представления о строении и свойствах одного из наиболее востребованных классов наноматериалов – ионообменных мембран. Приведены данные об их транспортных свойствах, применении в электродиализе и в альтернативной энергетике, способах их модификации, приводящих к изменению проводящих и селективных свойств мембран, и о некоторых аспектах их использования в современных технологиях.
1. Введение
Ионообменные мембраны широко используются в современных технологиях и относятся к разряду самых современных и технологичных типов материалов. По сути, мембраны весьма близки к ионообменным материалам, история исследования которых насчитывает уже около полутора сотен лет. Прежде чем было доказано существование ионов как таковых, обнаружили, что при обработке образцов почв растворами солей аммония происходит обратимое выделение солей кальция [1, 2] из-за наличия в этих образцах глинистых минералов, проявляющих ионообменные свойства. Синтетические ионообменные материалы были получены существенно позже [3]. Только в 30-х г. XX века были получены ионообменники на полимерной матрице-ионообменные смолы [4]. И уже вскоре после этого их стали получать и активно использовать не только в виде гранул, но и в виде тонких пластин, которые принято называть мембранами.
Все ионообменные мембранные материалы можно разбить на три больших класса: высокомолекулярные мембраны на основе полимеров, содержащих функциональные ионообменные группировки, неорганические мембранные материалы и гибридные материалы типа органика/неорганика [5]. Большой класс неорганических мембран был подробно описан нами в [5, 6]. Кроме того, к мембранам относится также целый ряд различного рода пористых материалов, используемых для нано-, ультра- и микрофильтрации, а также для обратного осмоса (нанопористые полимерные и неорганические материалы, трековые мембраны и т.д.). Эти материалы были подробно рассмотрены в недавно опубликованном обзоре [7]. В данной публикации мы не будем подробно останавливаться на их свойствах, адресуя читателя к упомянутым обзорам.
Исследования в области мембранных материалов и технологий бурно развиваются как во всем мире, так и в России. Они постоянно входят в число приоритетных научных направлений. Так, в Рабочей программе 7-й рамочной европейской программы (FP7, 2008 г.) есть специальный раздел «Наноструктурированные мембранные материалы» [8]. Кроме этого, мембраны и мембранные материалы являются объектом исследований во многих других разделах (Нанотехнологии для водоочистки; Разработка и совершенствование наноструктурированных материалов; Неорганикоорганические гибридные материалы; Моделирование границ раздела и дизайн высокоэффективных материалов; Катализ и экологичные процессы производства жидкого топлива из угля и природных газов и др.) [8]. Это определяет активное развитие мирового мембранного сообщества. С 2004 г. в Европе действует финансируемая 6-й Рамочной программой (FP6) сеть передового опыта NanoMemPro, объединяющая 13 ведущих европейских лабораторий, работающих в области мембранных технологий. В 2008 г. для координации исследовательской деятельности и прикладных разработок в области мембран в Брюсселе был создан Европейский мембранный дом [9].
В связи с обширным диапазоном практических приложений мембранные технологии быстро развиваются на целом ряде российских предприятий, среди которых можно отметить ОАО «Щекиноазот» (г. Щекино), ОАО «Каменскволокно» (г. Каменск-Шахтинский), ОАО «Пластполимер» (г. С.-Петербург), ООО «Воронеж-Аква» (г. Воронеж), ООО «Инновационное предприятие «Мембранная технология»» (г. Краснодар), ООО НПП «Технофильтр» (г. Владимир), ООО «Хенкель-Юг» (г. Энгельс). Причем с каждым годом круг этих предприятий расширяется, в последнее время в него вошли такие известные компании, как ОАО «ГМК «Норильский никель» (г. Дудинка), Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» (г. Москва), РКК «Энергия» (г. Королев), ФГУП «Исследовательский Центр имени М. В. Келдыша» (г. Москва). Многие из перечисленных предприятий не ограничиваются производством мембран или технологических устройств на их основе и активно занимаются научными и инвестиционными разработками, как своими силами, так и с привлечением научно-исследовательских организаций. В этом плане можно отметить инициативу ОАО «ГМК «Норильский никель», который в 2004 г. начал финансирование работ в области водородной энергетики в рамках соглашения с Российской академией наук [10]. Совместные усилия научного сообщества и предпринимателей ведут к существенному прогрессу в данном направлении, эффективность которого можно заметно повысить при поддержке государственных структур. Надо отметить заметную роль мембранных технологий в Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы». Несколько лет назад для поддержки фундаментальных исследований в области мембран был создан специальный раздел в классификаторе РФФИ. Следует особо отметить, что существенный вклад в пропаганду мембранной науки внес выдающийся российский ученый – академик Н. А. Платэ (рис. 1).
Признавая факт успешного развития мембранной науки в России, 7-я Рамочная европейская программа приняла решение оказать финансовую поддержку системе мероприятий, направленных на развитие научного сотрудничества между европейскими и российскими исследователями в рамках проекта MemBridge (2009-2010 гг.). Одной из целей MemBridge является координация работ по различным направлениям развития мембранной науки: в области баро- и электромембранных процессов, газоразделения, гибридных органических-неорганических и трековых мембран.
2. Строение ионообменных мембран
3. Закономерности процессов переноса в мембранах
4. Производство ионообменных мембран
5. Современные подходы к модификации мембран
6. Мембранные технологии в России: состояние и перспективы
6.1. Процессы разделения и очистки
6.2. Альтернативная энергетика
7. Заключение
Ионообменные мембранные материалы прошли большой путь развития с момента своего появления и первых приложений в водоподготовке в начале 50-х г. Российские ученые внесли и продолжают вносить весомый вклад в этот процесс. Появившиеся сегодня новые технические возможности позволяют глубже проникнуть в наноструктуру ионообменных материалов, лучше понять связь структуры со свойствами и найти эффективные пути совершенствования этих материалов. Использование гибридных технологий, совмещающих баро-, электромембранные и другие процессы, приводит к высокоэффективным экологически чистым и экономичным производствам, где удается осуществить замкнутые циклы как по воде (или другому растворителю), так и по растворенным веществам. Сегодня без мембран немыслимы не только производства, связанные с процессами разделения, но и альтернативная энергетика. Возможно, именно это имел в виду Н. А. Платэ, говоря, что мембраны должны обеспечить гармонию между промышленностью и окружающей средой.
Уникальные свойства ионообменных материалов открывают пути к новым приложениям, о которых не мечтали еще 10-15 лет назад. Использование этих или аналогичных материалов в микронасосах, в процессах жизнеобеспечения, в аналитической и препаративной химии, в микроэлектронике, возможность организации интенсивных процессов переноса на микро- и наноуровнях объясняют интерес к этим материалам очень широкого круга специалистов. Мы надеемся, что этот обзор даст определенную пищу для размышлений исследователям и инженерам, ищущим возможности создания высокоэффективных современных технологий.
8. Список литературы
Количество источников, цитируемых в обзоре - 373.
С полной версией обзора, который был опубликован в журнале Российские нанотехнологии, можно ознакомиться здесь.
