Создание научно-технического задела по технологии получения композитных ионообменных мембран с наноструктурированной поверхностью и включениями нанодисперсных неорганических веществ для высокотемпературной электродиализной переработки растворов, включая химически агрессивные и концентрированные среды

Объектом исследования являются ионообменные мембраны, применяемые для очистки, разделения и концентрирования жидких смесей.
Цель работы — создать научно-технический задел по технологиям получения термо- и химически стойких многослойных композитных органических-неорганических ионообменных мембран с управляемой наноструктурой и каталитическими добавками, обеспечивающих стабильный высокоселективный перенос ионов в том числе при повышенных концентрациях и температурах раствора и в агрессивных средах.
В процессе работы проведен анализ научной литературы и патентов, относящихся к разрабатываемой теме; осуществлено сопоставление ожидаемых показателей создаваемых в рамках данной НИР мембран с существующими показателями серийно выпускаемых аналогов. Выбраны основные направления исследований. Показано, что разработку относительно недорогих высокоселективных мембран, функционирующих при повышенных концентрациях и температурах раствора, pH которого отличен от нейтрального, наиболее целесообразно проводить на основе отечественных мембранных материалов путем модификации тонкого поверхностного слоя. В качестве модификаторов предлагается использовать композитные органические пленки с включениями неорганических наночастиц или присадок из мелкодиспергированных ионообменных смол, а также сильные полиэлектролитные комплексы, содержащие те же ионогенные группы, что и мембрана-подложка.

Цель работы – создать научно-технический задел по технологиям получения термо- и химически стойких многослойных композитных органических-неорганических ионообменных мембран с управляемой наноструктурой и каталитическими добавками, обеспечивающих стабильный высокоселективный перенос ионов в том числе при повышенных концентрациях и температурах раствора и в агрессивных средах.
Разработаны и верифицированы математическая модель электродиализного предельного концентрирования электролитов и модель транспорта электролита через гетерогенные мембраны в условиях бароэлектродиффузии. Результаты математического моделирования использованы для выбора свойств разрабатываемых мембран, определяющих эффективность процесса концентрирования.
Подобран состав модифицирующего раствора и разработан лабораторный регламент модифицирования серийно выпускаемых гетерогенных анионообменных мембран МА-40 полиэлектролитом, способным образовывать стабильные четвертичные аммониевые основания на их поверхности.
Разработаны лабораторные методики и получены экспериментальные образцы бислойных мембран на основе мембраны-«подложки» МК-40 с нанесенной на одну из её поверхностей пленкой сульфированного фторполимера иностранного (Nafion) и отечественного (МФ-4СК) производства. Предложены подходы для введения в эти пленки нанодисперсных неорганических присадок оксидов кремния и циркония.
На базе всестороннего исследования структурных, равновесных, транспортных, электрохимических и массообменных характеристик экспериментальных образцов показано, что новые мембраны могут существенно увеличить эффективность и понизить себестоимость процесса электродиализного концентрирования электролитов.
Выявлены перспективные направления дальнейшего улучшения транспортных и электрохимических характеристик разрабатываемых мембран, а также пути совершенствования их структуры и повышения стабильности свойств, приобретаемых вследствие модифицирования. Проведены подготовительные работы для испытаний разрабатываемых мембран в промышленных условиях.

Реализована многомерная полимеризация неорганического компонента в матрице высокомолекулярного ионита.
  Всесторонне исследованы структурные, транспортные, электрохимические и массообменные характеристики экспериментальных
  Показано, что новые мембраны могут существенно увеличить эффективность и понизить себестоимость процессов электродиализного концентрирования и обессоливания электролитов и позволяют проводить безреагентное регулирование pH перерабатываемых растворов.

Разработаны новые анионообменные мембраны МА-40-15, МА-40М и катионообменная мембрана МК-40+Nf85 (пп.4.1-4.2 КП
  Разработаны новые катионообменные мембраны МК-40TEOS (пп.4.1-4.2 КП), характеристики которых в целом соответствуют ТЗ (п. 4 ТЗ, таблица 1) и намного превосходят демонстрируемые исходными мембранами МК-40: число переноса ионов натрия равно 0.95?0.1 против 0.75?0.1 (4.3 КП), число переноса воды снижается на 17%.
  Мембранные модули с этими мембранами устойчиво работают в условиях крупнотоннажного производства при темпе-ратуре 53?5 0С (п.4 ТЗ, таблица 1, стр. 15: 55 0С