Российские ученые разработали рецепт эффективной газоразделительной мембраны: она должна быть шероховатой и состоять из полимеров со средней жесткостью цепи молекул. Эта технология позволит получать более чистые промышленные газы. Статья опубликована в журнале Langmuir.

Мембранное газоразделение — один из наиболее перспективных методов получения высокочистых газов и очистки промышленных смесей. В качестве материалов для мембран используют разнообразные полимеры, которые прочны и дешевы. Их характеристиками можно управлять путем незначительных физико-химических модификаций. Однако для этого метода необходим контроль над избирательностью и проницаемостью полимерных мембран.

Поддержанные Российским научным фондом химики из Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева исследовали, как свойства поверхности мембраны влияют на ее энергетические характеристики и функции.

«С ростом шероховатости поверхности мембраны будет расти и ее фактическая площадь контакта с газовой смесью. Это должно привести к увеличению доли растворенного в поверхностном мембранном слое газа, потому что на другой стороне концентрация молекул ниже, и они будут стремиться туда перейти. Это будет способствовать улучшению газопроницаемых свойств мембраны», — подчеркивает один из авторов исследования, профессор Илья Воротынцев.

Ученые изготовили плоские мембраны из нескольких полимеров: полисульфон, триацетат целлюлозы и поливиниловый спирт. В качестве подложки использовалось боросиликатное стекло, которое известно термостойкостью и механической прочностью. Перед использованием его обработали плавиковой кислотой разной концентрации, чтобы придать поверхности различную степень шероховатости.

Полученные изменения фиксировали при помощи сканирующего микроскопа. Толщина мембран на основе боросиликатного стекла составляла около 50 микрометров. Их пропускную способность измеряли в цилиндре с двумя разнородными жидкостями, на границе которых и располагали мембрану. Данные о плотности вещества получали при помощи специального прибора — пикнометра.

Однако повышение шероховатости поверхности полимерных мембран влияет на распределение фрагментов самой полимерной цепи. Так, может снизиться дисперсионная энергия, то есть силы электростатического притяжения между нейтральными атомами вещества, и газы будут хуже собираться на поверхности.

С другой стороны, увеличение шероховатости поверхности мембраны в полимере с высокой жесткостью цепи приводит к значительному снижению проницаемости. Для решения этой проблемы ученые подобрали полимеры со средней жесткостью молекулярной цепи, которая содержит склонные к водородному взаимодействию фрагменты. Пример такого полимера — триацетат целлюлозы, который используется для создания волокон и пленочной основы.