Конкурентный перенос ионов в электро-баромембранных процессах

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 19-19-00381

НазваниеКонкурентный перенос ионов в электро-баромембранных процессах

Руководитель Никоненко Виктор Васильевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" , Краснодарский край

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова Мембраны: ионообменные, обратноосмотические, нанофильтрационные, ультрафильтрационные, трековые; электродиализ; баромембранные процессы; разделение

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие мембранных технологий является необходимым условием для безопасного и устойчивого развития общества, в частности для обеспечения населения водой и энергией [Elimelech M., Phillip W.A. The future of seawater desalination: energy, technology, and the environment // Science. – 2011. – V. 333. – P. 712-717; Logan B.E., Elimelech M. Membrane-based processes for sustainable power generation using water // Nature. – 2012. – V. 488. – P. 313-319]. В настоящее время одной из наиболее важных проблем мембранных технологий, тормозящих их более широкое применение для обессоливания морской и других природных вод, обезвреживания и переработки промышленных и бытовых стоков, получения хлора и соды и др. является осадкообразование на поверхности и в объеме мембран. Эффективным решением этой проблемы может быть использование подхода (метатезисный электродиализ, селектродиализ), в котором процесс переработки растворов строят таким образом, чтобы избежать концентрирование многозарядных катионов и анионов в одном растворе. Важнейшим этапом в таком подходе является разделение одно- и многозарядных ионов при их переносе через мембраны. Отметим, что решение такой же задачи является также необходимым для выделения лития из морской и промышленных вод. Кардинальная проблема здесь состоит в том, что рост селективности разделения мембран сопровождается снижением их проницаемости/производительности и наоборот. Проект направлен на разработку нового процесса разделения одно- и многозарядных ионов, обеспечивающего значительную селективность при достаточно высокой производительности. Идея состоит в одновременном наложении на мембрану градиентов электрического потенциала и давления, причем электрическая сила должна действовать на разделяемые ионы в направлении, противоположном их конвективному переносу. Поскольку электрическая сила, действующая на ион, пропорциональна его заряду, многозарядные ионы будут сильнее тормозиться. С учетом того, что в мембранах с наноразмерными порами с заряженными стенками степень задержки многозарядных ионов существенно больше (благодаря электростатическому взаимодействию и диэлектрическому исключению), ожидается, что в электро-баромембранном процессе можно будет добиться практически полного исключения переноса многозарядных ионов через мембрану. В литературе известно применение одновременно ионообменных и нанофильтрационных/ультрафильтрационных мембран в электродиализе, известно, что наложение электрического поля на перенос ионов и воды под действием перепада давления способно увеличить производительность и селективность баромембранного процесса. Однако предлагаемый в данном проекте процесс, в котором электрическое поле используется для торможения переноса многозарядных ионов под действием перепада давления, является новым. Планируется рассмотреть несколько перспективных схем, основанных на одновременном применении градиентов электрического потенциала и давления. Будут использованы коммерческие ионообменные, обратноосмотические, нанофильтрационные, ультрафильтрационные и трековые мембраны. Публикации последних лет доказали высокую эффективность трековых мембран с цилиндрическими порами для электродиализного разделения ионов по величине заряда и размеру иона [Wang P., Wang M., Liu F., Ding S., Wang X., Du G., Liu J., Apel P., Kluth P., Trautmann C., Wang Y. Ultrafast ion sieving using nanoporous polymeric membranes // Nature Communications. – 2018. – V. 9 (1). – Art. № 569; Wen Q., Yan D., Liu F., Wang M., Ling Y., Wang P., Kluth P., Schauries D., Trautmann C., Apel P., Guo W., Xiao G., Liu J., Xue J., Wang Y. Highly selective ionic transport through subnanometer pores in polymer films // Advanced Functional Materials. – 2016. – V. 26 (32). – P. 5796-5803]. Впервые будут использованы для целей разделения трековые мембраны с конусообразными порами с заряженными стенками. Узкая часть поры будет представлять лишь незначительный барьер для переноса однозарядных ионов, но весьма существенный для многозарядных. Проект предполагает проведение экспериментальных и теоретических исследований для выяснения деталей механизма разделения (в частности, эффекта одновременного наложения градиентов потенциала и давления, сопряжения переноса ионов через мембрану и диффузионный слой) и поиска оптимального сочетания параметров пор для достижения эффективного разделения ионов по величине заряда. Будут построены математические модели для каждого вида процесса на основе уравнений Нернста-Планка-Пуассона и Навье-Стокса. Моделирование позволит найти теоретические оптимальные параметры пор, обеспечивающих эффективное разделение ионов при высокой производительности процесса. Полученные результаты будут верифицированы с помощью эксперимента.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сарапулова В., Шкоркина И., Мареев С., Письменская Н., Кононенко Н., Ларше К., Даммак Л., Никоненко В. Transport characteristics of Fujifilm ion-exchange membranes as compared to homogeneous membranes AMX and CMX and to heterogeneous membranes MK-40 and MA-41 Membranes, Том 9, выпуск 7, номер статьи 84 (год публикации - 2019)
10.3390/membranes9070084

2. Бутыльский Д., Чупрынина Д., Ксю Т., Письменская Н. Membrane specific permselectivity in mixed solutions Ion transport in organic and inorganic membranes-2019: Conference Proceedings, Sochi, 20-25 May 2019, с. 75 (год публикации - 2019)

3. Сколотнева Е., Мареева Д., Мареев С., Ларше К., Даммак Л., Никоненко В. Applicability of approximate equations for calculation of the chronopotentiometric transition time in membrane systems with a diffusion layer of finite length Ion transport in organic and inorganic membranes-2019: Conference Proceedings, Sochi, 20-25 May 2019, с.320-321 (год публикации - 2019)

4. Никоненко В.В., Мареев С.А., Бутыльский Д.Ю., Чупрынина Д., Леме Н., Базинэ Л., Михайлин С. Конкурентный перенос ионов натрия и кальция через катионообменные мембраны. Влияние параметров электрического поля Мембраны-2019: Сборник тезисов докладов, 21-25 октября, г. Сочи, с. 101-102 (год публикации - 2019)

5. Никоненко В. Electroconvection in membrane systems: experiment, modelling and applications to electrodialysis 13th International Symposium on Electrokinetics, Cambridge, MA, United States, June 12-14, 2019 (год публикации - 2019)

6. Бутыльский Д., Мареев С., Чупрынина Д., Ксю Т., Джианг Ч., Письменская Н., Никоненко В. Competitive transport of sodium and calcium ions through cation-exchange membranes International conference PERMEA 2019 Membrane Conference of Visegrád Countries, 26-29 августа 2019 года, Венгрия, Будапешт, с. 96 (год публикации - 2019)

7. Шкоркина И., Сарапулова В., Письменская Н. Study of transport properties of Fujifilm ion exchange membranes fabricated via electrospinning method International conference PERMEA 2019 Membrane Conference of Visegrád Countries, 26-29 августа 2019 года, Венгрия, Будапешт, с. 55 (год публикации - 2019)

8. Леме Н., Михайлин С., Мареев С., Бутыльский Д., Никоненко В., Базинэ Л. How demineralization by electrodialysis under high frequency pulsed electric field can be more efficient than in continuous current condition? International conference PERMEA 2019 Membrane Conference of Visegrád Countries, 26-29 августа 2019 года, Венгрия, Будапешт, с. 97 (год публикации - 2019)

9. Евдоченко Е., Кэмп Дж., Феммер Р., Ксю Ю., Никоненко В., Весслинг М. Unraveling the effect of charge distribution in a polyelectrolyte multilayer nanofiltration membrane on its ion transport properties Journal of Membrane Science, Том 611, номер статьи 118045 (год публикации - 2020)
10.1016/j.memsci.2020.118045

Публикации

1. Сарапулова В., Письменская Н., Бутыльский Д., Титорова В., Ван Я., Сюй Т., Чжан Я., Никоненко В. Transport and electrochemical characteristics of CJMCED homogeneous cation exchange membranes in sodium chloride, calcium chloride, and sodium sulfate solutions Membranes, Том 10, выпуск 8, номер статьи 165 (год публикации - 2020)
10.3390/membranes10080165

2. Сарапулова В.В., Пасечная Е.Л., Титорова В.Д., Письменская Н.Д., Апель П.Ю., Никоненко В.В. Electrochemical properties of ultrafiltration and nanofiltration membranes in solutions of sodium and calcium chloride Membranes and Membrane Technologies, Том 2, выпуск 5, стр. 332-350 (год публикации - 2020)
10.1134/S2517751620050066

3. Кислый А.Г., Бутыльский Д.Ю., Мареев С.А., Никоненко В.В. Model of competitive ion transfer in an electro-baromembrane system with track-etched membrane Membranes and membrane technologies, Том 3, выпуск 2, стр. 131-138 (год публикации - 2021)
10.1134/S2517751621020062

4. Бутыльский Д.Ю., Игнатенко В., Мареев С.А., Кислый А., Письменская Н.Д., Апель П.Ю., Никоненко В.В. Selective extraction of singly charged ions using a new method of electrobaromembrane separation On-line International Conference on Membrane Processes MELPRO: Book of Abstracts, 8-11 ноября 2020 года, Прага, Чешская Республика, с. 99 (год публикации - 2020)

5. Никоненко В., Бутыльский Д., Мареев С., Кислый А., Письменская Н., Апель П. Higly selective separation of cations with the same charge by a new membrane method using simultaneosly applied electric and pressure fields International web conference «Membrane Process Modeling»: Book of abstracts, 3-4 December 2020, Stavropol, Russia, с. 14-15 (год публикации - 2020)

6. Бутыльский Д.Ю., Мареев С.А., Горобченко А., Игнатенко В., Письменская Н.Д., Апель П.Ю., Никоненко В.В. A new approach to the membrane separation of the ions of the same sign of charge by simultaneously applying electric and pressure fields International Congress on Membranes & Membrane Processes 2020 Online ICOM: 7-11 December 2020, O2E.01 (год публикации - 2020)

Публикации

1. Бутыльский Д.Ю., Письменская Н.Д., Апель П.Ю., Саббатовский К.Г., Никоненко В.В. Highly selective separation of singly charged cations by countercurrent electromigration with a track-etched membrane Journal of Membrane Science, Том 635, номер статьи 119449 (год публикации - 2021)
10.1016/j.memsci.2021.119449

2. Евдоченко Е., Кэмп Дж., Дункель Р., Никоненко В.В, Весслинг М. Charge distribution in polyelectrolyte multilayer nanofiltration membranes affects ion separation and scaling propensity Journal of Membrane Science, Том 636, номер статьи 119533 (год публикации - 2021)
10.1016/j.memsci.2021.119533

3. Бутыльский Д.Ю., Никоненко В.В., Мареев С.А. Высокоселективное разделение однозарядных катионов методом противоточной электромиграции Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2021): материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения Я.А. Угая, 4-7 октября 2021 г., г. Воронеж, с. 444-446 (год публикации - 2021)

4. Кислый А., Бутыльский Д., Мареев С., Никоненко В. Modeling of selective separation of singly charged cations by countercurrent electromigration International conference "Ion transport in organic and inorganic membranes-2021": Conference Proceedings, 20-25 сентября 2021 г., г. Сочи, с. 143-144 (год публикации - 2021)

5. Никоненко В., Бутыльский Д., Мареев С., Гиль В., Чупрынина Д., Апель П. Selective extraction of lithium from aqueous solutions by countercurrent electromigration International conference "Ion transport in organic and inorganic membranes-2021": Conference Proceedings, 20-25 сентября 2021 г., г. Сочи, c. 222-223 (год публикации - 2021)