Химики из Татарстана разработали полимерные мембраны для эффективного разделения водно-спиртовых смесей. Новый подход вдвое дешевле в сравнении с классическими методами дистилляции, но при этом остается очень эффективным: он позволил выделить изопропиловый спирт с концентрацией до 99,5 процента из его водного раствора.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах журнала Polymers.

Коллектив химиков и инженеров из КНИТУ-КХТИ (Казань) на протяжении трех лет занимается созданием высокопроизводительных полимерных мембран для обезвоживания спиртов. Такие мембраны представляют собой нанесенный на поверхность пористой подложки селективный полимерный слой и являются основой первапорационной технологии. Суть процесса заключается в разделении двух или более жидкостей за счет пропускания паров преимущественно одного типа через мембрану и последующей их конденсации. В итоге удается осуществить разделение жидкостей.

Первапорационная технология позволяет преодолеть азеотропные точки при дегидратации растворителей — так называют состояние системы внутри установки, когда состав разделяемой смеси и газа над ней будет одинаковым. Кроме того, она обеспечивает более производительное и дешевое получение продуктов максимальной степени чистоты — в сравнении с традиционно используемой для этих целей ректификацией.

«Улучшить экономические параметры ректификационных процессов нельзя, так как в настоящее время уже достигнут технологический предел совершенствования их аппаратурного оформления. При этом они позволяют эффективно разделить лишь компоненты с различающимися температурами кипения, — поясняет руководитель проекта по гранту РНФ Ильсия Давлетбаева, доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник кафедры «Технологии синтетического каучука» КНИТУ. — Лимитирующим фактором внедрения первапорационной технологии в промышленность является отсутствие устойчивых к термическим и механическим воздействиям мембран с высокими сепарационными характеристиками. Мы надеемся, что наши разработки смогут стать основой производства таких мембран в России».

Для создания селективного полимерного слоя исследователи выбрали полиуретаны, широко используемые в машиностроении, легкой и нефтехимической промышленности. Особенность разрабатываемых материалов заключается в их иономерной природе, достигаемой за счет использования в синтезе ортофосфорной кислоты. Полученные полимеры содержат катионы аммония и фосфат-анионы. Такую комбинацию называют иономерной из-за наличия разделенных в пространстве положительно и отрицательно заряженных ионов. Присутствующие в составе полимерной матрицы фосфат-анионы объединяются в кластеры. В свою очередь они формируют протон-проводящие каналы и обеспечивают интенсивное продвижение молекул воды. Химическое строение разработанных полиуретанов обусловливает их высокую прочность и термостойкость.

Коллектив авторов. Источник: Ильсия Давлетбаева

Ученые также сконструировали лабораторную установку для исследования первапорационных процессов. Результаты показали, что иономерные фосфорорганические мембраны позволяют избирательно удалять до 96 процентов воды из водно-спиртовой смеси. Эффективность мембран определяется балансом между высокой производительностью и хорошей селективностью разделения. Производительность разработанных мембран оказалась выше в два-три раза по сравнению с известными зарубежными аналогами.

«Мембранные технологии в настоящее время бурно развиваются, разрабатывается все больше новых вариантов решения возникающих проблем. К сожалению, на территории России промышленное производство первапорационных мембран не налажено, — рассказывает Азат Фазлыев, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник кафедры «Процессов и аппаратов химической технологии» КНИТУ. — В большинстве случаев для получения экономического эффекта не потребуется полной замены традиционных процессов разделения жидких смесей с использованием ректификации или экстракции. Достаточно связать их с процессом первапорации в одной технологической цепочке. Мы планируем создать пилотный образец мембраны для испытаний на промышленном мембранном модуле».