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 15-19-10017
НазваниеЭкспериментальное и теоретическое исследование новых механизмов селективности в активных наномембранах для разделения жидких сред
Руководитель Рыжков Илья Игоревич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" , Красноярский край
Конкурс №7 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований с привлечением молодых исследователей»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии
Ключевые слова разделение растворов, наномембраны, активный ворсистый наноматериал, наноэлектромеханические системы, электрокинетический эффект, массоперенос, физико-химическая гидродинамика, молекулярная динамика, математическое моделирование
Код ГРНТИ30.17.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Как известно, мембранные технологии имеют межотраслевое значение, оказывая влияние на развитие целого ряда российских и мировых научно-технологических приоритетов. Наномембраны, или, согласно западной терминологии, молекулярные сита, позволяют осуществлять разделение многокомпонентных сред, что востребовано в таких отраслях как энергетика, химическая и пищевая промышленность, нефтепереработка, медицина, сельское хозяйство, переработка отходов. Нано- и мембранные технологии отнесены к критическим технологиям Российской Федерации. На сегодняшний день проблема селективного разделения многокомпонентных сред решается посредством традиционных пассивных мембран, принцип работы которых основан на геометрическом соответствии размеров пор и размеров целевых молекул.
В настоящем проекте предлагается выйти за пределы стерического механизма селективности (пассивные наномембраны) и использовать эффекты, связанные с вынужденной поляризацией разделяемых молекул в постоянном и переменном электрическом поле. Данный кулоновский механизм селективности может быть реализован в мембранах, где каждая пора представляет собой не просто отверстие, а наноэлектромеханическую систему. Технология создания таких мембран основана на комбинации процессов самоорганизации (рост углеродных нанотрубок) и самосовмещения и позволяет получать дешёвым способом материал, поверхность которого образована плотно упакованными наноэлектромеханическими системами (НЭМС). В силу указанных особенностей данный материал получил название Активный Нановорсистый Материал (АНВ).
Использование технологии на основе АНВ–материала открывает новые возможности для разделения многокомпонентных сред. Активные наномембраны позволяют непрерывным образом настраивать свои функциональные параметры на целевые молекулы посредством изменения параметров электрического поля в порах. В случае создания в порах переменного электрического поля могут быть использованы кинетические эффекты, связанные с различием характерного времени транспорта через пору для молекул различных типов. Заметим, что поляризованные молекулы испытывают поступательное движение в направлении градиента поля, что позволяет организовывать направленный транспорт вблизи входа в поры. Имеется возможность изменения in situ эффективной геометрии пор в результате кулоновского взаимодействия углеродной нанотрубки и управляющего электрода. Наконец, АНВ–материал может быть использован не только в качестве наномембраны, а как поверхность, собирающая ионы и молекулы компонентов раствора в неоднородном электрическом поле на углеродных нанотрубках – ворсинках с последующей процедурой самоочистки проходящим через углеродную нанотрубку электрическим током.
В рамках проекта предлагается провести комплекс экспериментальных и теоретических исследований механизмов селективности в АНВ–мембранах и поверхностях на основе АНВ–материала. Планируется решение следующих конкретных задач:
1. Исследование механизма разделения компонент растворов на основе АНВ–материала в неоднородном статическом электрическом поле. Эффект осаждения ионов на поверхности и их переход обратно в раствор при приложении/снятии электрического поля был впервые обнаружен авторами проекта и нуждается в дальнейшем исследовании.
2. Изучение кинетического механизма разделения компонент растворов на основе АНВ–мембраны в условиях переменного электрического поля. Этот механизм предложен авторами проекта на уровне гипотезы и нуждается в экспериментальной проверке.
3. Математическое моделирование процессов разделения на основе молекулярной динамики и механики сплошных сред. Это позволит глубже понять физико-химические процессы взаимодействия многокомпонентных растворов с наномембранами и поверхностями на основе АНВ–материала. Разработанные модели будут уточнены путем сопоставления результатов с экспериментальными данными.
4. Создание прототипов устройств разделения компонент на основе АНВ–материала и АНВ–мембраны. На основе исследованных закономерностей механизмов разделения растворов на нано- и микро- уровне планируется создание экспериментальных прототипов соответствующих установок, проведение экспериментов, определение перспектив коммерциализации полученных результатов и их использования в промышленности.
Достижимость решения поставленных задач и возможность получения запланированных результатов обеспечивается наличием хорошего научного задела в области изучения наноструктур, технологии их производства, а также математического моделирования процессов массопереноса в различных средах. Проект объединяет специалистов в области экспериментальной и теоретической физики, математического моделирования.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Рыжков И.И., Минаков А.В., Лебедев Д.В., Хартов С.В., Симунин М.М., Шиверский А.В. Моделирование транспорта ионов вблизи наноструктурированных поверхностей и в нанопорах Тезисы XVI всероссийской конференции по математическому моделированию и информационным технологиям, с. 49-50. (год публикации - 2015)
2. Симунин М.М., Хартов С.В., Шиверский А.В., Зырянов В.Я., Фадеев Ю.В., Воронин А.С. Структуры на основе графитизированных нанотубуленов с общим электродом в матрице пористого анодного оксида алюминия для задачи формирования переключаемых электрическим полем мембран Письма в журнал технической физики, Т. 41, вып. 21, c. 52-59 (год публикации - 2015)
3. Zalizniak V.E. An Efficient Water Model for Large Scale Molecular Dynamics Simulations Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, V. 8, N 4. p. 487-496 (год публикации - 2015)
4. Симунин М.М., Лебедев Д.В., Ромашкин А.В., Шиверский А.В., Хартов С.В., Рыжков И.И. Особенности синтеза углеродных нанотрубок в порах анодного оксида алюминия Тезисы VI всероссийской молодежной научно-технической конференции "Наукоемкие химические технологии-2015", с. 113 (год публикации - 2015)
Публикации
1. Рыжков И.И., Минаков А.В. Finite ion size effects on electrolyte transport in nanofiltration membranes Journal of Siberian Federal University: Mathematics & Physics (год публикации - 2017)
2. Рыжков И.И., Минаков А.В., Лебедев Д.В., Хартов С.В. The study of ion transport mechanisms in selective nanopores Book of abstracts PERMEA & MELPRO 2016, P. 62 (год публикации - 2016)
3. Лебедев Д.В., Шиверский А.В., Симунин М.М., Солодовниченко В.С., Парфенов В.А., Быканова В.В., Хартов С.В., Рыжков И.И. Синтез мембран на основе нановолокон оксида алюминия и исследование их ионной селективности Мембраны и мембранные технологии / Petroleum Chemistry (год публикации - 2017)
4. Лебедев Д.В., Шиверский А.В., Солодовниченко В.С., Симунин М.М., Хартов С.В., Парфенов В.А., Рыжков И.И. Синтез мезопористых мембран на основе нановолокон оксида алюминия Тезисы докладов XIII Всероссийской научной конференции с международным участием «Мембраны – 2016», C. 176-178 (год публикации - 2016)
5. Лебедев Д.В., Шиверский А.В., Симунин М.М., Хартов С.В., Ромашкин А.В., Рыжков И.И. Ion-selective membranes based on aluminum oxide fibers Ion transport in organic and inorganic membranes, Conference proceedings, С. 170-172 (год публикации - 2016)
6.
Рыжков И.И., Минаков А.В.
Theoretical study of electrolyte transport in nanofiltration membranes with constant surface potential / charge density
Journal of Membrane Science, V. 520, P. 515-528 (год публикации - 2016)
10.1016/j.memsci.2016.08.004
7. Lebedev D.V., Shiverskiy A.V., Khartov S.V., Simunin M.M., Fadeev Y.V., Ryzhkov I.I. Электрохимическое исследование емкости новых материалов на основе активных нановорсистых покрытий Тезисы докладов IX Всероссийской конференции по электрохимическим методам анализа «ЭМА–2016», С. 38 (год публикации - 2016)
8. Симунин М.М., Хартов С.В., Шиверский А.В., Немцев И.В., Лебедев Д.В., Рыжков И.И. Использование наноуглеродных покрытий в электрохимических процессах Сборник тезисов V Всероссийской научной молодежной школы-конференции «Химия под знаком СИГМА», С. 83-84 (год публикации - 2016)
9. Рыжков И.И., Минаков А.В., Лебедев Д.В. Моделирование транспорта ионных растворов в нанофильтрационных мембранах Материалы XIX Всероссийского семинара «Моделирование неравновесных систем-2016», С. 81-84 (год публикации - 2016)
10. Зализняк В.Е., Золотов О.А., Рыжков И.И. Эффективная молекулярно-динамическая модель ионных растворов для крупномасштабных расчетов Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2017)
11. Shiverskiy A.V., Khartov S.V., Simunin M.M., Lebedev D.V., Fadeev Y.V., Nemtsev I.V., Voronin A.S., Minakov A.V., Ryzhkov I.I. Template synthesis of carbon nanofiber arrays for electrochemical applications Proceedings of 24th International Symposium “Nanostructures: Physics and Technology”, C. 51-52 (год публикации - 2016)
12. Рыжков И.И., Шиверский А.В., Солодовниченко В.С., Симунин М.М., Хартов С.В., Парфенов В.А., Рыжков И.И. Экспериментальное и теоретическое исследование ионной селективности мембран на основе нановолокон оксида алюминия Тезисы докладов XIII Всероссийской научной конференции с международным участием «Мембраны – 2016», C. 179-181 (год публикации - 2016)
Публикации
1. Рыжков И.И., Лебедев Д.В., Быканова В.В., Солодовниченко В.С., Шиверский А.В., Симунин М.М. Ion Transport In Carbon Coated Alumina Nananofiber Membranes: Mathematical Modelling And Experiment Conference Proceedings "Ion transport in organic and inorganic membranes", pp. 319-321 (год публикации - 2017)
2. Рыжков И.И., Минаков А.В., Лебедев Д.В., Солодовниченко В.С., Быканова В.В. Modelling of charged species transport in nanofiltration membranes with constant surface potential charge density Book of Abstracts of '6th International Conference on Organic Solvent Nanofiltration, Saint Petersburg, Russia, 04-06.06.2017', стр. 51 (год публикации - 2017)
3. Солодовниченко В.С., Шиверский А.В., Симунин М.М., Лебедев Д.В., Быканова В.В., Рыжков И.И. Ion-selective and electrochemical properties of carbon coated alumina nanofiber membranes Conference Proceedings "Ion transport in organic and inorganic membranes", pp. 215-216 (год публикации - 2017)
4.
Рыжков И.И., Лебедев Д.В., Солодовниченко В.С., Шиверсикий A. В., Симунин М.М., Парфенов В.А., Быканова В.В., Хартов С.В.
Experimental and Modelling Study of Ionic Selectivity in Carbon Coated Alumina Nanofiber Membranes
Chemical Engineering Transactions, №4, V. 60, pp. 253-258 (год публикации - 2017)
10.1134/S096554411704003X
5. Симунин М.М., Шиверский А.В., Солодовниченко В.С., Воронин А. С., Лебедев Д.В., Хартов С.В. Рыжков И.И. Features of carbon layers synthesis on the aluminium oxide surface Book of Abstracts "Advanced Carbon Nanostructures" (год публикации - 2017)
6. Солодовниченко В.С., Шиверский А.В., Симунин М.М., Лебедев Д.В., Быканова В.В., Рыжков И.И. Synthesis of ion–selective ceramic membranes based on alumina nanofibers Conference Proceedings "Ion transport in organic and inorganic membranes", pp. 351-352 (год публикации - 2017)
7. Солодовниченко В.С.,Лебедев Д.В., Быканова В.В., Шиверский А.В., Рыжков И.И., Азарова Т., Прозорович В., Кривошапкина Е., Иванец А. Synthesis And Charaterization Of Composite Alumina–Mullite And Alumina–Cordierite Membranes Conference Proceedings "Ion transport in organic and inorganic membranes", pp. 349-350 (год публикации - 2017)
8. Шиверский А.В., Симунин М.М., Солодовниченко В.С., Воронин А.С., Рыжков И.И. Пиролитическое осаждение углерода на поверхности нановолокон оксида алюминия Программа и тезисы докладов «Четвертого семинара по проблемам химического осаждения из газовой фазы», Новосибирск, 2017, стр. 66 (год публикации - 2017)
9. Солодовниченко В.С., Шиверский А.В., Симунин М.М., Лебедев Д.В., Быканова В.В., Рыжков И.И. Carbon-coated alumina nanofibers as a precursor for ion-selective membranes Book of Abstracts "Advanced Carbon Nanofractions" (год публикации - 2017)
10. Симунин М.М., Шиверский А.В., Солодовниченко В.С., Воронин А.С., Рыжков И.И. Особенности синтеза углеродных слоёв на поверхности оксида алюминия Программа и тезисы докладов «Четвертого семинара по проблемам химического осаждения из газовой фазы», Новосибирск, 2017, стр. 46 (год публикации - 2017)
11.
Солодовниченко В.С., Лебедев Д.В., Быканова В.В., Шиверский А.В., Симунин М.М., Парфенов В.А., Рыжков И.И.
Carbon Coated Alumina Nanofiber Membranes for Selective Ion Transport
Advanced Engineering Materials, №12, V. 19, pp. 1700244 (год публикации - 2017)
10.1002/adem.201700244
12. Лебедев Д. В., Солодовниченко В. С., Симунин М. М., Рыжков И. И. Влияние электрического поля на транспорт ионов в нанопористых мембранах с проводящей поверхностью Мембраны и мембранные технологии / Petroleum Chemistry (год публикации - 2018)
13. Солодовниченко В.С., Шиверский А.В., Симунин М.М., Лебедев Д.В., Быканова В.В., Рыжков И.И. Формирование углеродных слоев на поверхности нановолокон оксида алюминия Сборник тезисов Второй российской конференции "ГРАФЕН: МОЛЕКУЛА И 2D-КРИСТАЛЛ", стр. 29 (год публикации - 2017)
14. Шиверский А.В., Симунин М.М., Солодовниченко В.С., Лебедев Д.В., Воронин А.С., Фадеев Ю.В., Хартов С.В., Рыжков И.И. Синтез графитовых слоев на поверхности сапфира при пиролизе этанола Сборник тезисов Второй российской конференции "ГРАФЕН: МОЛЕКУЛА И 2D-КРИСТАЛЛ", стр. 100 (год публикации - 2017)
15.
Рыжков И. И., Лебедев Д.. В., Солодовниченко В. С., Минаков А. В., Симунин М. М.
On The Origin Of Membrane Potential In Membranes With Polarizable Nanopores
Journal of Membrane Science (год публикации - 2018)
10.1016/j.memsci.2017.11.073
16.
Рыжков И. И., Лебедев Д.. В., Солодовниченко В. С., Шиверский А.В., Симунин М. М.
Induced-Charge Enhancement of the Diffusion Potential in Membranes with Polarizable Nanopores
Physical Review Letters, V. 119, pp. 226001 (2017) (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevLett.119.226001
17. Рыжков И. И., Вяткин А. С., Минаков А. В. Theoretical study of electrolyte diffusion through polarizable nanopores Journal of Siberian Federal University: Mathematics & Physics (год публикации - 2018)