Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Полупроницаемые мембраны с наноразмерными порами (наномембраны) являются одним из перспективных технологий разделения веществ. Принцип работы традиционных пассивных мембран основан на геометрическом соответствии размеров пор и размеров пропускаемых молекул. В настоящее время интенсивно изучаются активные мембраны, селективность которых может варьироваться посредством внешнего воздействия. В качестве такого воздействия может выступать электрическое поле, создаваемое при приложении заданного потенциала к проводящим стенкам поры. В частности, отрицательный заряд на стенке будет препятствовать прохождению положительных ионов. В рамках проекта синтезирована структура на основе пористого анодного оксида алюминия (ПАОА) со сквозными порами диаметром 10–50 нм. Стенки пор являются проводящими углеродными нанотрубками, подключенными к общему входному электроду. Высказано предположение, что рост неоднородности электрического поля, связанный с морфологией созданной структуры, будет способствовать увеличению ионной селективности мембраны и расширению диапазона допустимой концентрации ионов в обрабатываемом растворе. На промежуточной стадии формирования наномембраны синтезируется поверхность, покрытая нановорсинками (Активный Нановорсистый Материал). Этот материал может использоваться в качестве концентратора ионов при приложении к нему электрического потенциала. Такие материалы находят применение в технологиях опреснения воды (удаления ионов солей). При вскрытии шапочек нановорсинок АНВ – материал превращается в АНВ–мембрану. В отчетном году разработана и полностью описана технология изготовления АНВ-материала, охарактеризовано необходимое для этого оборудование. Проанализированы особенности использования АНВ-материала в ионных растворах. На основании этих результатов и экспериментальных данных разработаны технологические рекомендации для синтеза АНВ-материала. Выявлено, что важнейшим параметром для АНВ-материала в ионном растворе является проводимость нановорсинки. Разработана методика измерения сопротивления нановорсинки, проведён ряд измерений при различных технологических параметрах синтеза АНВ-материала. Разработана установка для анализа иммобилизации солей на АНВ–материале на основе рабочих элементов двух типов. Рабочий элемент первого типа (плоский АНВ-материал) применяется для анализа результатов массопереноса из раствора средствами электронной микроскопии. Рабочий элемент второго типа выполнен из АНВ-материала в виде плотно упакованного меандра и позволяет напрямую определить эффект массопереноса соли из раствора и обратно. Функционирование установки в этом случае основано на наблюдении характерных солевых осадков для раствора, прошедшего активную область установки. На основании данных ряда экспериментов по наблюдению солевых осадков установлено, что массоперенос при наличии электрического потенциала на нановорсинках имеет место. Создана модель материального баланса при удалении ионов из раствора. Ключевым параметром, характеризующим электрохимические свойства поверхности АНВ-материала, является емкость двойного электрического слоя. Для измерения емкости использовался метод хроноамперометрии. При подаче фиксированного значения потенциала к АНВ-электроду регистрировался спад емкостного тока. Результаты измерений были аппроксимированы экспоненциальной зависимостью, из которой было получено значение емкости двойного слоя. Для проведения эксперимента была создана установка на основе трехэлектродной схемы измерения. Полученная зависимость емкости от потенциала удовлетворительно согласуется с результатами численного моделирования. Разработан метод синтеза мембран, параметры которых в своей совокупности позволяют говорить об уникальности полученных результатов. Основу мембран составляет монослой ориентированных параллельно друг другу нановолокон гамма фазы оксида алюминия (материал получили название Нафен). Диаметр нановолокон составляет 8 нм с очень узкой дисперсией по размеру, длина – до 5 см. В рамках настоящей работы создана технология покрытия поверхности нановолокон слоями графена (от 3 до 50 слоёв). Достигнута высокая удельная проводимость покрытых графеном нановолокон (соответствует сопротивлению до 2 Ом•м). Эффективный диаметр пор в монослое, образованном пучком нановолокон, составляет порядка 20 нм и может быть дополнительно уменьшен. Полученные мембраны выступают перспективной системой для подтверждения механизмов селективности, обнаруженных в настоящей работе на основе численного моделирования. Создана экспериментальная установка для исследования транспортных свойств полученных мембран методом измерения ЭДС электрохимической ячейки. Если размер пор меньше длины Дебая для данной концентрации, то внутри поры происходит перекрытие двойных электрических слоев противоположных стенок. Таким образом, создаются благоприятные условия для прохождения через мембрану ионов одного знака, и препятствие для ионов другого знака. Были исследованы 3 типа наномембран: мембраны с углеродными нанотрубками на основе несущей целлюлозной мембраны, серебряные мембраны на основе тефлонового фильтра и мембраны из оксида графена с углеродными нанотрубками на основе тефлоновой бумаги. Все три типа показали наличие селективных свойств. Однако, селективность полученных мембран была существенно меньше по сравнению с идеально селективными мембранами, что предположительно связано с наличием в мембранах макроскопических каналов (несколько десятков нанометров в диаметре). В дальнейшем планируется совершенствование технологии синтеза мембран с целью получения пор меньшего размера. В рамках теоретической части проекта была построена эффективная модель воды на основе статистического усреднения диполь–дипольного взаимодействия. Предложенная модель позволяет с высокой точностью рассчитывать различные свойства воды, такие как плотность, потенциальную энергию на молекулу, коэффициент теплового расширения, коэффициент сжимаемости, среднеквадратичную скорость молекул, коэффициент диффузии и коэффициент вязкости. На основе разработанной модели воды была построена эффективная модель ионного раствора. Рассчитываемая плотность растворов достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными. Рассчитаны оптимальные значения параметров взаимодействия для различных ионов. Предложенные модели могут быть использованы для моделирования больших наносистем (более миллиона частиц). Заметим, что большинство существующих моделей ограничено несколькими десятками тысяч частиц. На основе метода моментов была построена вычислительная схема для расчёта электрического поля заряженной цилиндрической нанопоры. Для моделирования двойного электрического слоя, возникающего вблизи границы между АНВ-материалом и ионным раствором, был разработан и программно реализован ряд математических моделей. Основу этих моделей составляют уравнения Нернста – Планка для концентрации ионов и Пуассона для потенциала электрического поля. Учет конечного размера ионов осуществлялся посредством дополнительной составляющей электрохимического потенциала в рамках моделей Бикермана или Карнагана–Старлинга. С целью устранения неустойчивости численной схемы было предложено использовать преобразование Слотбума, которое было обобщено на случай модели с конечным размером ионов. Выполнено численное моделирование стационарного распределения ионов вблизи нановорсинки АНВ-материала с заданным потенциалом в водном растворе KCl. На основании полученных данных была рассчитана емкость двойного электрического слоя, которая определяет связь между зарядом, накопленным в слое, и потенциалом, приложенном к электроду. Была исследована зависимость емкости от радиуса нановорсинок, концентрации ионов и приложенного потенциала. Установлено, что с уменьшением размеров нановорсинки, а также с увеличением концентрации ионов емкость на единицу площади возрастает. При увеличении приложенного потенциала вначале наблюдается рост емкости, затем достигается максимум, после чего емкость снижается. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по емкости двойного слоя показало их удовлетворительное согласие. Для изучения транспорта ионов через нанопоры селективных мембран была реализована модель на основе уравнений Пуассона–Нернста–Планка, дополненных уравнениями Навье–Стокса. Эта модель описывает основные механизмы переноса ионов (конвекцию, диффузию и электромиграцию). Проведены расчеты транспорта ионов в цилиндрическом наноканале с заряженной стенкой, соединяющем два резервуара. Прокачивание ионного раствора из левого резервуара в правый через наноканал происходит под действием разности давлений. На входе в левый резервуар задавался нулевой потенциал и постоянная концентрация ионов. На стенке наноканала поддерживался заданный потенциал, величина и знак которого позволяют управлять транспортом ионов. Кроме этого, была разработана и реализована одномерная модель для радиально осредненных величин. Установлено, что при положительном потенциале на стенке канала концентрация отрицательных (положительных) ионов в канале существенно возрастает (уменьшается), т.е. канал становится анион – селективным. В силу условия электронейтральности на выходе из канала концентрации положительных и отрицательных ионов должны быть равны. В результате снижение потока катионов влечет за собой уменьшение потока анионов. Концентрация ионов на выходе из канала при этом оказывается меньше, чем на входе. Эффект задержки соли характеризуется коэффициентом отражения, который определяется как отношение разностей концентраций на входе и выходе к концентрации на входе в канал. Показано, что с увеличением разности давлений, длины канала и приложенного потенциала коэффициент отражения растет и приближается к постоянному значению, близкому к единице. В рамках проекта также была реализована одномерная модель транспорта ионов через мембрану в условиях, когда в правом и левом резервуарах поддерживаются постоянные различные концентрации. Показано, что селективные свойства мембраны в отношении ионов одного знака приводят к возникновению разности потенциалов между резервуарами, которая также измерялась экспериментально.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Процессы мембранного разделения смесей широко используются в химической, топливно–энергетической, фармацевтической и пищевой отраслях промышленности. Одним из наиболее важных приложений является опреснение и очистка воды. В последнее время все большее внимание уделяется исследованию и применению керамических мембран. По сравнению с полимерными, керамические мембраны отличаются большей механической прочностью, химически и биологически устойчивы, стабильны в широком интервале температур и имеют более продолжительный срок службы. В рамках проекта предложен новый тип ионоселективных мембран на основе нановолокон оксида алюминия (Nafen), которые сочетают преимущества керамических нановолокнистых материалов с хорошими электропроводящими свойствами. Синтез мембран проводился путем вакуумной фильтрации коллоидного раствора волокон Nafen диаметром около 10 нм через пористую подложку с последующей сушкой и отжигом. Нанесение тонкого слоя углерода на нановолокна методом химического осаждения из газовой фазы позволило получить электропроводящую поверхность мембраны. Сопротивление поверхности, измеренное четырехзондовым методом, составило 0.002 Ом·м. Исследование морфологии поверхности методом РЭМ показало, что она является однородной, преимущественно без ориентации нановолокон в плоскостях поверхности мембраны. Методами КР спектроскопии и ПЭМ подтверждено образование слоя углерода толщиной до 2 нм на нановолокнах. Методом низкотемпературной адсорбции азота установлено, что Nafen мембраны имеют большое значение удельной поверхности 146 м2/г и высокую пористость 75%. После формирования углеродных слоев методом CVD удельная поверхность уменьшается до 107 м2/г, пористость снижается до 62 %, а максимум кривой распределения пор по размерам смещается от 28 нм к 16 нм. Ионная селективность полученных мембран была исследована потенциометрическим методом. Измерялась разность потенциалов между двумя полуячейками с водными растворами KCl различной концентрации, разделенными мембраной. Объемная плотность фиксированного заряда мембраны определялась путем аппроксимации экспериментальных данных моделью Теорелла–Мейера–Сиверса. Упрощенный подход, основанный на уравнении Нернста, использовался для определения чисел переноса. Установлено, что Nafen мембрана без углеродных слоев обладает низкой объемной плотностью фиксированного заряда (15 мМ), и, как следствие, низкой селективностью по отношению к аниону. Показано, что формирование углеродного слоя приводит к значительному увеличению плотности фиксированного заряда C–Nafen мембраны до 1021 мМ и повышению селективности по отношению к аниону. Числа переноса, определенные при концентрации 10 мМ в одной полуячеек, составили 0.94 и 0.06 для аниона и катиона, соответственно. Установлено, что фиксированная плотность заряда возрастает с увеличением концентрации электролита. Существенное увеличение селективности мембраны по отношению к аниону Cl– после нанесения углеродного покрытия связано с адсорбцией ионов K+ на дефекты углеродной структуры, а также с более полным перекрытием двойных электрических слоев за счет уменьшения размера пор. Экспериментально показано, что C–Nafen мембрана является электрохимически устойчивой в водных растворов ряда солей в диапазоне поляризующих напряжений –0.5 В … +0.8 В. С помощью методов ЦВА, хроноамперометрии и гальваностатического заряда–разряда установлено, что удельная емкость мембран находится в интервале 6–10 мкФ/см2, что вполне типично для углеродных материалов с удельной поверхностью 100–150 м2/г. Измеренные значения емкости позволяют сделать вывод о том, что при приложении потенциала к С–Nafen мембране в растворе электролита на стенках пор накапливается достаточное количество заряда для перекрытия двойных электрических слоев в поре. Проведено сравнение экспериментально измеренных значений емкости для C–Nafen мембран с данными теоретической модели. Последняя основана на корреляции между экспериментальными данными по емкости цилиндрических пор и аналитическим выражением для емкости плоского слоя на основе решения уравнений Нернста–Планка и Пуассона. Модель позволяет правильно предсказать порядок величины емкости, при этом в области малых потенциалов теоретические и экспериментальные результаты хорошо согласуются. Однако экспериментальные данные не воспроизводят модельную зависимость емкости от потенциала с характерным минимум в области потенциала нулевого заряда и двумя симметричными максимами. В работе было продемонстрировано использование полученных С–Nafen мембран для реализации управляемой селективности с помощью приложения к поверхности мембраны электрического потенциала. В частности, показано, что при отсутствии внешнего потенциала C–Nafen мембрана является анион–селективной, а при приложении отрицательной разности потенциалов приобретает катион–селективные свойства. Разделительные свойства С–Nafen мембран тестировали в модельном процессе фильтрации водных растворов азокрасителя метилового оранжевого и тиазинового метиленового голубого. Экспериментально установлено, что использование С–Nafen мембраны с углеродным покрытием позволяет разделять эти растворы с получением воды и красителя, который задерживается мембраной. Эффективность разделения для раствора метилового оранжевого оказалась выше, чем для метиленового голубого. Во всем диапазоне исследуемых концентраций 0.02–0.06 г/дм3 эффект разделения сохранялся, однако скорость фильтрации несколько снижалась для более концентрированных растворов. В отчетном году также была разработана экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования проницаемости мембран при давлениях до 50 атм. В основу этой установки был положен принцип передачи энергии сжатого воздуха к рабочей жидкости с помощью комбинации пневмо- и гидроцилиндров. В рамках теоретической части проекта проведено моделирование транспорта бинарного электролита через нанопору с постоянной плотностью заряда или постоянным потенциалом на стенке и заданным объемным потоком (скоростью). Цилиндрическая пора (радиус 1–10 нм, длина 1000–2000 нм) соединяла два резервуара. Расчеты проводились для водного раствора KCl. Потенциал на стенке поры варьировался в диапазоне –0.3 … –0.01 В. Концентрация на входе составляла от 1 мМ до 100 мМ, скорость потока от 5 до 500 мкм/c. Для описания транспорта электролита использовались два подхода: одномерная модель для радиально осредненных величин потенциала, концентраций ионов и давления, и двумерная модель на основе уравнений Навье–Стокса, Нернста–Планка и Пуассона. Для точеных ионов при малых потенциалах (< 0.08 В по абсолютной величине) наблюдается хорошее согласие между одномерной и двумерной моделями. При больших потенциалах одномерная модель приводит к завышенным средним значениям концентраций и потенциала в порах. В случае постоянного потенциала на стенке конвективный поток противоионов в поре практически полностью компенсируется обратным миграционным потоком. Для постоянной плотности заряда эта компенсация происходит за счет диффузионного и миграционного потоков. Коионы в основном переносятся посредством диффузии, при этом их поток равен потоку противоионов. В результате концентрация соли на выходе из поры становится меньше, чем на входе. Расчеты показали, что задержание соли, разность давлений и мембранный потенциал возрастают с увеличением заряда/потенциала на стенке поры. С ростом радиуса поры и концентрации соли на входе эти величины снижаются (однако разность давлений достигает максимума при определенной концентрации, что связано с осмотическими перепадами давления на границе между порой и резервуарами). При больших потенциалах концентрация противоионов для точечной модели превышает предел максимально плотной упаковки. Учет конечного размера ионов дает существенно меньшие значения концентрации, при этом концентрация отрицательных ионов и давление в поре также снижаются. Были получены зависимости задержания, разности давлений и мембранного потенциала от потенциала на стенке поры для моделей точечных / конечных ионов, переменной / постоянной диэлектрической проницаемости. Указанные модели дают одинаковые результаты при малых потенциалах (< 0.14 В). Учет конечного размера ионов приводит к бóльшим значениям рассматриваемых характеристик за счет образования слоя плотно упакованных ионов вблизи стенки. Учет переменной диэлектрической проницаемости несколько понижает значения задержания, разности давлений и мембранного потенциала. Предложен новый потенциал взаимодействия для ионных растворов. Для применения этого потенциала были получены параметры потенциала Леннард Джонса для 3-х катионов (Li+, Na+, K+) и 3-х анионов (F-, Cl-, I-). Показано, что рассчитанные параметры гидратных оболочек ионов, плотности растворов, коэффициенты диффузии ионов находятся в хорошем соответствии с теоретическими и экспериментальными данными. Модель применима при концентрации соли 0–1 моль/кг в области температур от 300 до 350 К и давлений до 10.1 Мпа. Предложенный потенциал взаимодействия для ионных растворов может быть использован для крупномасштабного моделирования течений жидкости в наноструктурах за счет повышения быстродействия расчетов по сравнению со стандартными моделями растворов. Разработанная модель была применена для молекулярно-динамического моделирования течения водного раствора KCl через заряженную нанопору.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Процессы мембранного разделения смесей широко используются в химической, топливно–энергетической, фармацевтической и пищевой отраслях промышленности. Исследование транспорта ионов в нанопорах и наноканалах мембранах имеет фундаментальное значение в различных областях науки и техники, таких как разделение смесей и получение чистых веществ, электрохимическое преобразование энергии, разработка химических сенсоров. Одним из современных направлений в данной области является разработка «умных» мембран, способных изменять свои транспортные свойства за счет внешнего воздействия. В частности, в качестве такого воздействия может выступать электрическое поле, создаваемое в нанопорах мембран с проводящей поверхностью. В рамках данного проекта проводились исследования, направленные на синтез мембран с проводящим покрытием, изучение их транспортных свойств под действием внешнего электрического поля, а также моделирование соответствующих процессов переноса. На этапах проекта в 2015–2016 гг. был разработан метод синтеза ионоселективных мембран на основе нановолокон оксида алюминия (Nafen). В задачи завершающего этапа в 2017 году входила оптимизация методики получения мембран. Так, в методику синтеза Nafen мембран была включена предварительная фильтрация дисперсий нановолокон через специально разработанную насадку для удаления механических примесей, время сушки Nafen мембран удалось сократить с 96 до 2 часов. Также оказалось, что синтез C-Nafen мембран можно проводить без предварительного отжига. Увеличение рН дисперсий нановолокон Nafen до соответствующего точке нулевого заряда (рН = 9) приводило к увеличению селективности Nafen мембран. На основе анализа литературы было предложено использовать этанол в качестве прекурсора углеродных структур для получения C-Nafen мембран методом CVD. Исследование методом спектроскопии КР показало, что независимо от использованных углеродных прекурсоров (пропан, метан, этанол) в выбранных условиях синтеза формируются сильно разупорядоченные углеродные структуры. Сопоставление селективных свойств C-Nafen мембран, полученных при разном времени CVD и их текстурных параметров показало, что наиболее селективная мембрана отличается большей долей микропор при одинаковой площади удельной поверхности. Таким образом, выбор параметров синтеза Nafen мембран, а также нанесение углеродного слоя методом CVD позволяет регулировать свойства получаемых структур, при этом переход к более дешевым и экологичным условиям синтеза позволяет получать мембраны с сохранением селективности на относительно высоком уровне. Из-за малого размера пор и механической хрупкости Nafen и С-Nafen мембраны затруднительно использовать в баромембранных процессах. В этой связи было предложено рассмотреть принципиальную возможность использования нановолокон Nafen в качестве селективного слоя на макропористой подложке. Разработана методика нанесения селективного слоя из нановолокон Nafen на два типа макропористых подложек: керамику из муллита и кордиеритовые подложки на основе натурального сырья. Анализ морфологии композитных мембран показал, что нановолокна Nafen образуют сетку в более крупных порах положки со средней толщиной 10–20 мкм. Определение проницаемости полученных композитных мембран методом «dead-end» показало, что все полученные материалы приемлемы для использования в баромембранных процессах (в частности, для композитов кордиерит / Nafen проницаемость составляет 1300–3300 л/м2·ч·бар). Измерение разности потенциалов между двумя водными растворами KCl с разной концентрацией, разделенными мембраной, показало, что композитные мембраны на основе кордиерита проявляют катион-селективные свойства. Ионная селективность полученных мембран была исследована потенциометрическим методом. Измерялась разность потенциалов между двумя полуячейками с водными растворами электролитов различной концентрации, разделенными мембраной. Эксперименты проводились на разработанной в рамках проекта установке с конвекцией раствора. Были проведены исследования селективных свойств полученных мембран в водных растворах KCl, NaCl, KBr, NiSO4. Во всех случаях С-Nafen мембрана является анионселективной. При этом наибольшей селективностью мембрана обладает в растворах ионов щелочных металлов. Были проведены исследования селективных свойств полученных мембран в зависимости от концентрации электролита. Сделан вывод о том, что наибольшими селективными свойствами Nafen мембрана обладает при низких концентрациях раствора, в то время как С-Nafen мембран, напротив, обладает наивысшими селективными свойствами при высоких концентрация. Этот эффект объясняется различной природой возникновения селективных свойств в проводящих и диэлектрических мембранах. Были проведены исследования транспортных свойств мембран при различных уровнях pH раствора. Было показано, что для Nafen мембраны с ростом pH значения мембранного потенциала уменьшаются, и наоборот. В то же время, для С-Nafen мембраны селективные свойства слабо изменяются с изменением уровня pH. Это связанно с отсутствием кислотно-основных свойств поверхности углерода. В работе продемонстрирована возможность изменения селективных и проводящих свойств мембран с помощью внешнего электрического поля. Показано, что сопротивление мембраны уменьшается с 22 до 6 кОм при приложении к ее проводящей поверхности внешнего потенциала. Это объясняется увеличением концентрации противоионов в порах мембраны. Экспериментально установлено, что изменение внешнего потенциала в диапазоне от –500 до +500 мВ приводит к изменению селективных свойств мембраны от катиона к аниону. С помощью ТМС модели были найдены значения объемного и поверхностного заряда стенок поры, эквивалентные приложенному потенциалу. Установлено, что значение +174 мВ (относительно AgCl/Ag) соответствует точке нулевого заряда. Наблюдаемый при этом мембранный потенциал (–12.3 мВ) соответствует диффузионному потенциалу незаряженной мембраны. Проведены эксперименты по управляемой диффузии ионов никеля и калия через поляризуемую мембрану. Было показано, что наличие положительного электрического поля внутри пор мембраны приводит к уменьшению диффузионного потока. Проделанные исследования позволяют утверждать, что в рамках данной работы был реализован управляемый транспорт ионов через проводящую керамическую мембрану с углеродным покрытием. Открыт новый механизм формирования мембранного потенциала в мембранах с проводящей поверхностью. Если мембрана разделяет два резервуара с различными концентрациями соли, то диффузия ионов с различной подвижностью приводит к возникновению электрического поля, которое ускоряет более медленный ион и тормозит более быстрый. В рамках проекта было показано, что в мембранах с проводящими порами это электрическое поле поляризует стенки пор, перераспределяя заряд на них. Это вызывает увеличение концентрации катионов (анионов) в области отрицательного (положительного) заряда стенки. В результате на границах мембрана / раствор возникают потенциалы Доннана, которые приводят к существенному увеличению мембранного потенциала (на порядок и более) по сравнению со случаем диэлектрической поры. Эффект был описан теоретически с помощью модели пространственного заряда и подтвержден экспериментально для проводящих C-Nafen мембран в водных растворах KCl и NaCl. Установлено, что эффект усиления диффузионного потенциала растет с уменьшением радиуса поры и концентрации ионов за счет более полного перекрытия двойных электрических слоев. Расчеты показали, что действие электрического поля на нескомпенсированный заряд вблизи выхода из поры приводит к возникновению электроосмотических вихрей (жидкость течет внутрь поры вблизи стенок и в обратном направлении в центре поры). Установлено, что мембранный потенциал проводящих пор имеет высокую чувствительность к разнице между коэффициентами диффузии ионов. Эффект может найти применение при создании микро- и нанофлюидных устройств, синтетических аналогов биологических ионных каналов, биоэлектронных устройств и электрохимических сенсоров. Результаты опубликованы в одном из самых престижных мировых журналов в области физики – Physical Review Letters, а также в журнале Journal of Membrane Science. Для описания транспорта ионов в синтезированных мембранах разработан ряд моделей на основе уравнений Навье-Стокса, Нернста-Планка и Пуассона. Впервые выполнено обобщение модели пространственного заряда (SC модель) на случай пор с проводящей поверхностью, а также проводящих пор с постоянным полным зарядом. Ранее данная модель использовалась только для пор с постоянной плотностью заряда. Разработан ряд новых аналитических подходов и вычислительных алгоритмов для интегрирования уравнений модели. Выполнена программная реализация модели с графическим интерфейсом пользователя для трех конфигураций: 1) диффузия ионов через мембрану под действием градиента концентрации 2) транспорт ионов через мембрану под действием градиента потенциала 3) фильтрация ионов (соли) через мембрану под действием градиента давления. Реализованы функции определения параметров мембраны (поверхностный заряд или потенциал, радиус поры, коэффициенты диффузии ионов) путем подгонки теоретических кривых к экспериментальным данным. Показано, что результаты полностью согласуются с расчетами на основе уравнений Навье-Стокса, Нернста-Планка и Пуассона. С помощью разработанных моделей и программных средств выполнена обработка экспериментальных данных по мембранному потенциалу и ионной проводимости Nafen и C-Nafen мембран. Теоретически установлены закономерности влияния внешнего потенциала, приложенного к проводящей поверхности поры, на равновесный мембранный потенциал, ионную проводимость и задержание ионов при нанофильтрации через мембрану на основе модели пространственного заряда. Показано, что при изменении внешнего потенциала от положительного к отрицательному селективность мембраны меняется от аниона к катиону, что сопровождается соответствующим изменением мембранного потенциала. Эти результаты согласуются с экспериментальным данными, полученными для C-Nafen мембран. В проводящих порах существенное влияние на мембранный потенциал оказывает диффузионный потенциал за счет эффектов поляризации. Расчет ионной проводимости нанопор показал, что она растет с ростом концентрации электролита, однако этот рост более значителен для незаряженной проводящей поры по сравнению с диэлектрической порой за счет эффекта поляризации. Увеличение абсолютной величины потенциала (или плотности заряда) на стенке приводит к росту проводимости за счет увеличения концентрации носителей заряда (противоионов) внутри поры. В рамках проекта эти результаты были подтверждены экспериментально для C-Nafen мембран. Моделирование нанофильтрации ионов солей (NaCl и KCl) показало, что задержание соли, требуемая разность давлений и мембранный потенциал возрастают с увеличением потенциала на стенке поры. Учет конечного размера ионов приводит к бóльшим значениям рассматриваемых характеристик за счет образования слоя плотно упакованных ионов вблизи стенки. С ростом радиуса поры и концентрации соли на входе задержание, разность давлений и мембранный потенциал снижаются за счет менее плотного перекрытия двойных электрических слоев. Разработана математическая модель кинетики химических реакций в процессе химического осаждения из газовой фазы (CVD) на основе стационарных уравнений Навье-Стокса, уравнения сохранения энергии и уравнений переноса и диффузии компонент смеси с учетом реагирования в газовой фазе. Для расчета кинетики разложения этанола использовался кинетический механизм Маринова (57 газовых компонент и 383 реакции). Расчетная область воспроизводит внутреннюю геометрию реальной печи, используемой для осаждения углерода методом CVD. Определены основные реакции, по которым идет разложение этанола. Установлены зависимости концентраций основных газовых компонент около мембраны от температуры и давления в печи, а также расхода и состава поступающих в печь газов. Полученные зависимости были использованы при выборе режимов синтеза углеродного покрытия на мембранах. Ссылки на информацию в сети Интернет о проекте: http://www.sbras.info/articles/sciencestruct/razdelyai-i-vlastvui http://www.sib-science.info/ru/institutes/gid-dlya-11082017 http://newslab.ru/photo/753873 http://krsk.sibnovosti.ru/science/347319-molodye-uchenye-sozdayut-v-krasnoyarskoy-laboratorii-umnye-nanofiltry