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 23-29-00473
НазваниеНовые высокоэффективные мембранные материалы из композитов полимер/металлорганическая каркасная структура для водоочистки в процессах первапорации и нанофильтрации
Руководитель Кузьминова Анна Игоревна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург
Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии
Ключевые слова первапорация, нанофильтрация, мембраны со смешанной матрицей, металлорганические каркасные структуры, термопластичный эластомер полиэфирблокамид, ионное наслаивание, полиэлектролиты
Код ГРНТИ61.00.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Водоочистка применяется для получения чистой воды для различных задач: для бытовых нужд, для медицины, химической, фармацевтической промышленности и др. В процессах водоочистки удаляют нежелательные примеси из пресной воды, такие как биологические загрязнения, нежелательные химические вещества, различные взвешенные твёрдые частиц и др. Технологический процесс очистки воды заключается в применении физических методов, например, таких как седиментация, дистилляция, фильтрация, обратный осмос и др., химических методов, например таких как, ионный обмен, флокуляция и др, а так же биологических методов, которые заключаются в использовании различных организмов. В последнее время мембранные методы находят широкое применение в процессах водоочистки, так как это высокоэффективные, экологичные, ресурсосберегающие методы, которые отвечают всем принципам процессов устойчивого развития и имеют большое количество преимуществ, по сравнению с традиционными методами водоочистки. Применяемые в данном проекте мембранные процессы, такие как первапорация и нанофильтрация, позволят решить ряд задач для водоочистки, например с помощью первапорации можно удалять такие загрязняющие вещества, как фенол, фурфурол, спирты и др., а с помощью нанофильтрации красители, ионы тяжелых металлов, соли и др. Однако, для эффективного применения данных процессов требуются высокоэффективные мембранные материалы с заданными свойствами. Данный проект посвящен разработке мембран из термопластичных эластомеров полиэфирблокамидов, модифицированных металлорганическими каркасными структурами (MOF) и полиэлектролитами. Использование термопластичных эластомеров полиэфирблокамидов обусловлено тем, что, варьируя соотношение блоков, можно получать полимеры и, соответственно, полимерные мембраны с различными свойствами, так же данные полимерные материалы могут быть подвергнуты химической модификации.
В проекте будет проведена объёмная модификация для первапорационных и нанофильтрационных мембран металлорганическими каркасными структурами (FeBTC, CuBTC, UiO-66, UiO-66(NH2)-УК, UiO-66(NH2)-УК-ЭДТА, MIL-140A, MIL-140A-УК, MIL-140A-УК-ЭДТА и др.) и поверхностная модификация для композиционных первапорационных и нанофильтрационных мембран путем нанесения наноразмерных слоёв полиэлектролитов методом ионного наслаивания.
Использование металлорганических каркасных структур приведет к модификации внутренней структуры и поверхности мембран, что будет отражено на транспортных свойствах благодаря изменению свободного объема и поверхности из-за пористой структуры, контролируемых химических свойств, контролируемому размеру окна модификаторов, а также других свойств. Применение поверхностной модификации для нанесения пар полиэлектролитов позволит регулировать поверхностные свойства разработанных мембран, что придет к улучшению транспортных характеристик и сорбционных свойств поверхности. Транспортные свойства мембран будут изучены в процессах первапорации и нанофильтрации для удаления фенола, фурфурола, спиртов, ионов тяжелых металлов, красителей, солей и др. из их водных растворов для процессов водоочистки. Выбор данных мембранных процессов связан с их востребованностью для водоочистки в связи с рядом преимуществ, таких как высокоэффективность, экологичность, ресурсосбережение по сравнению с традиционными методами водоочистки.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Кузьминова А., Дмитренко М., Саломатин К., Везо О., Кириченко К., Егоров С., Безрукова М., Карякина А., Еремин А., Попова Е., Пенькова А., Селютин А.
Holmium-Containing Metal-Organic Frameworks as Modifiers for PEBA-Based Membranes
Polymers, 15, 18, 3834 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15183834
2. Кузьминова А., Карякина А., Дубовенко Р., Михайловская О., Дмитренко М., Пенькова А. Transport properties of membranes based on poly(ester-block-amide) modified with metal-organic frameworks Сборник конференции Ion transport in organic and inorganic membranes-2023, стр. 150 (год публикации - 2023)
3. Карякина А.С., Кузьминова А.И., Дубовенко Р.Р., Дмитренко М.Е., Пенькова А.В. Новые первапорационые мембранные материалы из композитов полиэфирблокамид/металлорганическая каркасная структура Тезисы докладов Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах», стр.265 (год публикации - 2023)
4. Кузьминова А.И., Карякина А.С., Дубовенко Р.Р., Дмитренко М.Е., Пенькова А.В. Новые мембранные материалы на основе полиэфирблокамида, модифицированного металлорганическими каркасными структурами ПРОГРАММА ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ЕСТЕСТВЕННЫМ И ГУМАНИТАРНЫМ НАУКАМ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ «НАУКА СПБГУ – 2023», стр. 1-2 (год публикации - 2023)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Мембранные процессы находят широкое применение во многих областях промышленности за счет своей эффективности, по сравнению с традиционными методами разделения и концентрирования. Синтез новых модификаторов для создания новых высокоэффективных мембранных материалов с заданными свойствами является актуальной задачей. В рамках второго года выполнения проекта, согласно заявленному плану, была осуществлена разработка и характеризация новых нанофильтрационных (диффузионных и композиционных) мембран из композитов полимер/металлоорганическая каркасная структура. В качестве полимерной матрицы был использован термопластичный эластомер полиэфирблокамид (ПЭБА, Pebax-2533), а в качестве модификаторов полимерных нанофильтрационных мембран металлорганические каркасные структуры (MOF): MIL-140A, MIL-140A-УК, MIL-140A-УК-ЭДТА, Ho-1,3,5-H3btc, ZIF-67, ZIF-8. Дополнительное изменение транспортных свойств мембран было осуществлено методом ионного наслаивания, в котором на поверхность селективного слоя были нанесены полиэлектролитные слои (поли(натрий 4-стиролсульфонат) (полианион, ПСС), полиакриловая кислота (полианион, ПАК), полиэтиленимин (поликатион, ПЭИ), полидиметилдиаллиламмония хлорид (поликатион, ПДАДМАХ)). Полученные мембраны и синтезированные MOFs были охарактеризованы различными физико-химическими методами анализа (микроскопией, спектроскопией, измерением углов смачивания и др.). Транспортные свойства полученных мембран были оценены в процессе нанофильтрации красителей из воды и этанола, а также ионов тяжелых металлов из воды. Было получено, что введение ZIF-8 и ZIF-67 в матрицу ПЭБА приводит к увеличению проницаемости воды и этанола и коэффициентов задержания красителей и ионов тяжелых металлов. Оптимальными концентрациями были выбран 10 масс.% MOFs по отношению к массе ПЭБА.
Таким образом, на втором году были синтезированы металлорганические каркасные структуры, которые были использованы в качестве модификаторов для создания композиционных нанофильтрационных мембран со смешанной матрицей на основе полиэфирблокамида. Разработанная композиционная мембрана, модифицированная 10 масс.% ZIF-67 имела проницаемость в 70 раз больше, чем исходная мембрана на основе ПЭБА.
Публикации
1.
Кузьминова А.И., Дмитренко М.Е., Степанова А.С., Карякина А.С., Селютин А.А., Су Р., Пенькова А.В.
Novel Mixed-Matrix Pervaporation Membrane Based on Polyether Block Amide Modified with Ho-Based Metal–Organic Framework
Polymers, 16, 23, 3245 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16233245
2. Кузьминова А.И., Карякина А.С., Саломатин К.А., Степанова А.С., Дубовенко Р.Р., Дмитренко М.Е., Селютин А.А., Пенькова А.В. Разработка новых непористых мембран на основе полиэфирблокамида, модифицированного металлорганическими каркасными структурами ПОЛИМЕРЫ - 2024 Сборник тезисов Девятой Всероссийской Каргинской конференцияи. Москва, 2024 Издательство: ООО "Месол", стр. 360, eLIBRARY ID: 68571802 (год публикации - 2024)
3. Степанова А.С., Кузьминова А.И., Дмитренко М.Е., Пенькова А.В. МОДИФИКАЦИЯ МЕМБРАН НА ОСНОВЕ ПОЛИ(ЭФИР-БЛОК-АМИДА) ПУТЕМ ВВЕДЕНИЯ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ КАРСКАСНЫХ СТРУКТУР Сборник тезисов III Международной научной конференции СНО СПБГУ (год публикации - 2024)
4. Кузьминова А.И., Карякина А.С., Степанова А.С., Дмитренко М.Е., Дубовенко Р.Р., Пенькова А.В. DEVELOPMENT AND INVESTIGATION OF NOVEL MEMBRANES BASED ON POLY(ESTER-BLOCK-AMIDE) MODIFIED BY HOLMIUM-BASED METALORGANIC FRAMEWORKS Сборник тезисов Международной конференции «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах», стр. 157-158 (год публикации - 2024)
5. Степанова А.С., Кузьминова А.И., Дмитренко М.Е., Дубовенко Р.Р., Пенькова А.В. NOVEL POLY(ESTER-BLOCK-AMIDE) MEMBRANES FOR REMOVING OF HEAVY METAL IONS BY NANOFILTRATION Сборник тезисов Международной конференции «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах», стр. 298-299 (год публикации - 2024)
6. Кузьминова А.И., Карякина А.С., Дмитренко М.Е., Егоров С.С., Мазур А.С., Пенькова А.В. Novel membranes based on poly(ester-block-amide) modified with Ho - MOFs. MAGNETIC RESONANCE AND ITS APPLICATIONS 21th International School-Conference, Schola Spinus. Saint Petersburg, 2024 Издательство: ООО "Издательство ВВМ", 21th International School-Conference, Schola Spinus. p.251, eLIBRARY ID: 67227192 (год публикации - 2024)
7. Степанова А.С., Кузьминова А.И., Дмитренко М.Е., Дубовенко Р.Р., Пенькова А.В. NOVEL NANOFILTRARION MEMBRANES BASED ON POLY(ESTER-BLOCK-AMIDE) MODIFIED BY METAL-ORGANIC FRAMEWORKS Сборник тезисов конференции XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “Mendeleev 2024”, стр. 253 (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
Полученные результаты имеют большое экономическое значение в связи с тем, что изучаемые мембранные процессы являются экологическими, с низким потреблением энергии и не требуют больших материальных затрат. Посредством применения разработанных мембран возможна экологичная и эффективная очистка растворителей, красителей, выделение тяжелых металлов, концентрирование и фракционирование жидких смесей. Также, данные мембранные методы с использованием разработанных мембран могут быть использованы не только индивидуально, но и в сочетании с другими процессами разделения, что приведет также к улучшению промышленных технологических схем.