Полимерные мембраны на основе полигетероариленов для разделения жидких и газовых смесей

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 16-13-10164

НазваниеПолимерные мембраны на основе полигетероариленов для разделения жидких и газовых смесей

Руководитель Тойкка Александр Матвеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии

Ключевые слова мембраны, полигетероарилены, полимерные мембранные материалы, процессы разделения, первапорация, газоразделение, эксплуатационная устойчивость

Код ГРНТИ61.13.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Фундаментальной целью проекта является получение комплекса новых знаний в области фундаментальных основ создания новых мембранных материалов, а также мембранных процессов. Центральная задача – научный поиск новых эффективных мембран на основе полимеров гетероароматической структуры. Перспективность их применения в мембранной технологии связана, в первую очередь, с определенной уникальностью данного класса высокомолекулярных соединений. Полимеры гетероароматической структуры обладают повышенными деформационно-прочностными свойствами, термической и химической устойчивостью, способностью к изменению морфологии под воздействием внешних факторов или при введении модификаторов. Следует ожидать, что мембраны на основе полимеров, обладающих подобными физическими и химическими свойствами, будут обладать высокими эксплуатационными характеристиками. Основное назначение новых мембран – процессы первапорации и газоразделения. Имеющийся у коллектива задел в области получения и применения мембран на основе полигетероариленов дает возможность прогнозировать и проводить направленный синтез мембран, основываясь на особенностях строения полигетероариленов, связи между химической природой, структурой мембраны, селективными и транспортными свойствами, термической и механической устойчивостью. Конкретной задачей в этом отношении будет получение диффузионных мембранных материалов различной структуры (гомогенных и композиционных) на основе полигетероариленов, синтезированных в ходе химического или физического твердофазного превращения. Основными объектами будут различные термостойкие полимеры полиароматической структуры: полифениленоксиды, ароматические полиимиды, ароматические полиэфиримиды, термически преобразованные полибензоксазинонимиды и их форполимеры (гидролитически стабильные имидсодержащие полиамидокислоты). В частности, будут получены и исследованы мембранные материалы на основе ароматических полиимидов различной архитектуры, а также сополимеров, в том числе, в форме новых для диффузионных мембран структур – “полимерных щеток”. В частности, будут получены и исследованы мембранные материалы на основе ароматических полиимидов различной архитектуры, а также сополимеров, в том числе, в форме новых для диффузионных мембран структур – “полимерных щеток”. Будут получены и исследованы мембраны различной морфологии на основе полифениленоксидов: помимо их собственной значимости как диффузионных материалов, они рассматриваются как возможная матрица для введения наномодификаторов и создания гибридных мембран. В проекте также планируется изучение мембранных материалов на основе термически преобразованных полимеров. В частности, в результате термического преобразования гидролитически стабильных форполимеров в циклизованные полимеры гетероатомной структуры, будут получены мембраны особой структуры, с избыточным свободным объемом, что как ожидается, будет существенно влиять на эффективность разделения. Мембранные свойства могут быть также модифицированы при введении ионов переходных металлов. Исследования структуры, морфологии и термических свойств мембран будут проведены методами рентгеноструктурного анализа (РСА), растровой электронной микроскопии (РЭМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ), дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрического анализа (ТГА). Полученные структурно-морфологические и термические характеристики будут необходимы для анализа, оценки, прогнозирования физико-химических свойств мембран и мембранных материалов, определяющих их термическую и механическую стабильность, транспортные характеристики и селективность. Эти данные дадут информацию о влиянии структурных характеристик (в частности степени кристалличности и размеров кристаллитов) и морфологии мембран на их физико-химические свойства. В результате термических исследований будут определены температуры фазовых переходов, а также термостабильность, что с одной стороны предоставит дополнительные данные о структуре полимерных мембранных материалов, а с другой даст информацию о температурном диапазоне их наиболее эффективной работы. В целом ожидается, что принципы создания новых мембранных материалов на основе полигетероариленов с регулируемыми свойствами будут обладать необходимой научной и практической новизной и могут быть распространены на другие полимерные мембранные материалы. В задачу проекта входит не только получение новых мембран, но и лабораторная апробация для модельных и технологически значимых процессов. С привлечением экспериментальных данных в проекте будут проведены теоретические исследования механизмов трансмембранного массопереноса через непористые мембраны, физико-химический анализ термодинамико-кинетических закономерностей, а также исследование интегрированных процессов, включающих стадию мембранного разделения. Будут предложены новые научные методы физико-химического моделирования мембранных процессов, в первую очередь, с привлечением аппарата неравновесной термодинамики. Предполагается, что полученный комплекс новых экспериментальных и теоретических результатов будет обладать значительной научной новизной в сравнении с мировым уровнем.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пулялина А.Ю., Полоцкая Г.А., Ростовцева В.А., Пиентка З., Тойкка А.М. Improved Hydrogen Separation Using Hybrid Membrane Composed of Nanodiamonds and P84 Copolyimide Polymers, No. 8. V. 10. Article 828. (год публикации - 2018)
10.3390/polym10080828

2. Ростовцева В.А., Пулялина А.Ю., Полоцкая Г.А., Тойкка А.М. Efficient hydrogen separation using nanodiamond-based composite membranes International conference «Ion transport in organic and inorganic membranes». Conference Proceedings., P. 238. (год публикации - 2018)

3. Татауров М.В., Пулялина А.Ю., Полоцкая Г.А., Тойкка А.М. High-perfomance separation of organic mixtures using novel polyheteroarylenes via pervaporation. International conference «Ion transport in organic and inorganic membranes». Conference Proceedings., P. 270 (год публикации - 2018)

4. Соколова М.П., Бугров А.Н., Смирнов А.В., Лахдеранта Е., Светличный В.М., Тойкка А.М. Effect of Domain Structure of Segmented Poly(urethane-imide) Membranes with Polycaprolactone Soft Blocks on Dehydration of n-Propanol via Pervaporation Polymers, V. 10. Issue 11. Article 1222. (год публикации - 2018)
10.3390/polym10111222

5. Полоцкая Г.А., Путинцева М.Н., Пулялина Г.А., Гофман И.В., Тойкка А.М. Impact of Endometallofullerene on P84 Copolyimide Transport and Thermomechanical Properties Polymers, Issue 10. V. 10. Article 1108 (год публикации - 2018)
10.3390/polym10101108

6. Полоцкая Г.А., Пулялина А.Ю., Гойхман М.Я., Подешво И.В., Ростовцева В.А., Гофман И.В., Сапрыкина Н.Н., Гулий Н.С., Лорецян Н.Л., Тойкка А.М. Novel Polyheteroarylene Membranes for Separation of Methanol‒Hexane Mixture by Pervaporation Scientific Reports, 8 (год публикации - 2018)
10.1038/s41598-018-36118-4

7. Пулялина А.Ю., Путинцева М. Н., Полоцкая Г.А., Ростовцева В.А., Тойкка А.М. Первапорационная очистка оксигената из азеотропной смеси этил-трет-бутиловый эфир / этанол Мембраны и мембранные технологии (год публикации - 2019)

8. Пулялина A.Ю., Полоцкая Г.А., Гойхман М.Я., Подешво И.В., Черница Б.В., Кочербитов В.В., Тойкка А.М. Novel approach to determination of sorption in pervaporation process: a case study of isopropanol dehydration by polyamidoimideurea membranes Scientific Reports, V. 7. Article number: 84158415 (год публикации - 2017)
10.1038/s41598-017-08420-0

9. Соколова М.П., Смирнов М.А., Гейдт П., Бугров А.Н., Оваска С-С., Лахдеранта Э., Тойкка А.М. Structure and Transport Properties of Mixed-Matrix Membranes Based on Polyimides with ZrO2 Nanostars Polymers, Volume 8, issue 11, page 403 (год публикации - 2016)
10.3390/polym8110403

10. Татауров М.В., Пулялина А.Ю. Synthesis and pervaporation performance of membranes based on polyheteroarylenes Международная конференция молодых ученых по химии «Менделеев-2017». Сборник тезисов докладов. СПб, 2017., P. 209 (год публикации - 2017)

11. Пулялина А., Тойкка А., Полоцкая Г. Characterization and Pervaporation Performance of Novel Polyheteroarylenes Vapor Permeation and Membrane Distillation. Torun, Poland, 2017., P. 63 (год публикации - 2017)

12. Полоцкая Г.А., Пулялина А.Ю., Гойхман М.Я. Сорбционно-диффузионные свойства мембран из сополиамидов с антрозалиновыми звеньями "Мембраны-2016" - XIII Всероссийская научная конференция с международным участием, С. 209-210 (год публикации - 2016)

13. Татауров М.В., Пулялина А.Ю. Разделительные свойства мембран на основе полигетероариленов в процессах концентрирования и очистки органических сред Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем». Сборник тезисов докладов. Йошкар-Ола - Москва - Казань - Уфа, 2017., С. 117 (год публикации - 2017)

14. Пулялина А.Ю., Полоцкая Г.А., Тойкка А.М. Мембраны на основе полигетероариленов в процессах концентрирования и очистки органических растворителей «Фундаментальные химические исследования XXI-го века» - Научная конференция грантодержателей РНФ, С. 503 (год публикации - 2016)

15. Полоцкая Г.А., Пулялина А.Ю., Гойхман М.Я., Подешво И.В., Валиева И.А., Тойкка А.М. Aromatic Copolyamides with Anthrazoline Units in the Backbone: Synthesis, Characterization, Pervaporation Application Polymers, Volume 8, issue 10, page 362 (год публикации - 2016)
10.3390/polym8100362

16. Татауров М.В., Гулий Н.С., Пулялина А.Ю. Investigation of mass transfer in pervaporation separation of methanol - methyl tertiary butyl ether mixture using polyheteroarylene membranes Modern Problems of Polymer Science - 12th International Saint-Petersburg Conference of Young Scientists, P. 109 (год публикации - 2016)

17. Соколова М.П., Смирнов М.А., Бугров А.Н., Гейдт П., Попова Е.Н., Лахдеранта Э., Светличный В.М., Тойкка А.М. Structure of Composite Based on Polyheteroarylene Matrix and ZrO2 Nanostars Investigated by Quantitative Nanomechanical Mapping Polymers, Том: 9, Выпуск: 7, Номер статьи: 268 (год публикации - 2017)
10.3390/polym9070268

18. Тойкка А.М. On Non-Equilibrium Thermodynamics Approach for the Analysis of Membrane Processes: a Case Study of Pervaporation Monatshefte für Chemie - Chemical Monthly (год публикации - 2017)
10.1007/s00706-017-2104-8

19. Полоцкая Г., Пулялина А., Гагаринова С., Тойкка А. Polyimide Membranes Modified by Endohedral Metal Fullerenes for Organophilic Pervaporation 5th International Scientific Conference on Pervaporation, Vapor Permeation and Membrane Distillation. Torun, Poland, 2017, P. 93 (год публикации - 2017)

20. Мелешко Т.К., Пулялина А.Ю., Тян Н.С., Полоцкая Г.А., Иванов И.В., Кукаркина Н.В., Тойкка А.М., Якиманский А.В. Молекулярные полиимидные щетки как новый мембранный материал для процессов первапорации Высокомолекулярные соединения. Серия Б (Polymer Science Series B) (год публикации - 2017)

21. Пулялина A.Ю., Полоцкая Г.А., Гойхман М.Я., Подешво И.В., Гулий Н.С., Шугуров С.М., Татуров М.В., Тойкка А.М. Preparation and characterization of methanol selective membranes based on polyheteroarylene – Cu(I) complexes for purification of methyl tertiary butyl ether Polymer International, V. 66, Issue 12, pp. 1873–1882 (год публикации - 2017)
10.1002/pi.5463

22. Пулялина А.Ю., Полоцкая Г.А., Ростовцева В.А., Гойхман М.Я., Подешво И.В., Шугуров С.М., Зубакина Е.А., Тойкка А.М. Cорбционные свойства и транспортные параметры мембран на основе полибензоксазинонимида и его форполимера Мембраны и мембранные технологии (Petroleum Chemistry) (год публикации - 2017)

23. Пулялина А.Ю., Полоцкая Г.А., Гойхман М.Я., Подешво И.В., Тойкка А.М. Mass transfer investigation of membranes based novel aromatic copolyamides 22th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2016, P. 1295 (год публикации - 2016)

Публикации