Введение к работе
Актуальность темы
Расширение областей применения полимерных композиционных материалов в настоящее время затронуло комплекс технологических процессов, использующих принципы мембранного разделения. Область применения полимерных мембран включает в себя процессы, движимые электрической силой или разностью давлений, топливные элементы, медицинское оборудование и многие другие. Композиционные материалы на полимерной основе, используемые для изготовления мембран, должны обладать рядом свойств: химической и термической стабильностью, прочностью, технологичностью. Использование полимеров дает возможность направленного регулирования структуры и свойств за счет химической модификации или изменения технологии изготовления.
Потребность рынка России в мембранах отечественными производителями покрывается всего на 2-3 %, при этом качество самих мембран ниже импортных аналогов. Разработанные в Саратовском государственном техническом университете гетерогенные катионообменные материалы «Поликон», получаемые методом поликонденсационного наполнения, хорошо зарекомендовали себя в ряде областей, однако, современные наука и производство выдвигают комплекс новых требований как к свойствам самих мембран, так и к армирующим системам. Как показал опыт использования промышленной мембраны МК-40, армирование, производимое с целью придания листу механической прочности, может приводить к расслоению изделия, кроме того, введение ткани в состав материала приводит к снижению электропроводности и транспортных характеристик. Одним из путей решения данной проблемы может служить использование армирующей системы, обладающей, наряду с матрицей, ионообменными свойствами. Достигаемое, таким образом, исключение из состава мембраны инертных (неселективных) компонентов, не вносящих вклад в процессы транспорта ионов, способно значительно повысить функциональные показатели, исключить снижение эксплуатационных характеристик после введения усиливающей ткани в состав композиции. С этой точки зрения исследования, направленные на изучение влияния армирующего материала на комплекс структурных и электротранспортных свойств, выбор оптимальных технологических параметров процесса изготовления мембран, значимы и актуальны.
Цель настоящей работы - разработка гетерогенных катионообмен-ных мембран с комплексом повышенных эксплуатационных характеристик на основе армирующей системы с ионообменными свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
обоснование выбора армирующей системы, обладающей высокой химической и физической совместимостью с фенолсульфокатионитовой матрицей мембраны «Поликон»;
изучение особенностей кинетики процесса поликонденсации, струк-турообразования на поверхности и в структуре новолачных фенолофор-мальдегидных (НФФ) волокон армирующей ткани;
выбор состава разрабатываемой композиционной мембраны, основных технологических стадий и параметров процесса ее изготовления, оценка влияния условий синтеза матрицы на изменение структуры, физико-механических и физико-химических свойств армирующей системы;
анализ эффективности использования разработанных катионообмен-ных композиционных мембран в процессах электродиализа и водоподго-товки.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
доказана высокая поверхностная реакционная способность и совместимость волокнистого наполнителя с ионообменной матрицей катионооб-менных гетерогенных мембран, что проявляется в увеличении смачиваемости волокна, повышении прочностных характеристик и устойчивости к расслоению;
установлено, что использование ткани на основе НФФ волокон при изготовлении катионообменных мембран «Поликон» способствует повышению функциональных свойств (статическая обменная емкость возрастает на 46%), за счет сульфирования армирующей ткани, приобретающей, наряду с матрицей, ионообменные свойства;
- установлено каталитическое влияние новолачных фенолоформальде-
гидных волокон на процессы структурообразования катионообменной мат
рицы в условиях формирования композиционного материала, проявляю
щееся в увеличении тепловых эффектов реакции поликонденсации, смеще
нии максимума тепловыделения в область более низких температур. Дока
зана корреляция между структурными характеристиками и электротранс
портными свойствами композиционных ионообменных мембран, что позво
ляет получать материалы с заданными свойствами.
Практическая значимость работы
Разработаны катионообменные мембраны с повышенным комплексом свойств за счет использования многофункциональной армирующей системы, что позволяет снизить минимальную площадь мембран в пакете электродиализатора на 22 % и повысить эффективность процесса электродиализа за счет снижения энергозатрат.
Работа проводилась при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (проект № 13975 2011-2012) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 10-08-00074-а).
Личный вклад автора в работу состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении полученных результатов, сопоставлении результатов с литературными данными и формулировании выводов.
Достоверность результатов. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением современного оборудования, использованием современных взаимодополняющих методов испытаний.
Положения, выносимые на защиту:
исследование структуры и свойств новолачной фенолоформальде-гидной усиливающей ткани;
результаты исследования взаимодействия в системе армирующая система : катионообменная матрица;
комплексные исследования по оценке взаимосвязи технологии получения со структурными характеристиками, свойствами мембран и возможностью их направленного регулирования.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях, в том числе на: Международной конференции «Ion transport in organic and inorganic membranes» (Краснодар, 2009, 2010, 2011,2012), V Всероссийской студенческой олимпиаде и семинаре «Технология производства химических волокон и композиционных материалов на их основе» (Санкт - Петербург, 2009), Международной конференции РХО им. Д.И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2009), Международной конференции «Композит - 2010» (Саратов, 2010), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), Международной конференции «Desalination for Clean Water and Energy» (Тель-Авив, Израиль, 2010), Пятом Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2010), Международной конференции «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Саратов, 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Международной конференции «Прикладная физико-неорганическая химия» (Севастополь, 2011), Тридцать второй Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта-Киев, 2012), Международной научной конференции и VIII Всероссийской олимпиаде молодых ученых «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2012), Всероссийской молодежной конференции «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии» (Саратов, 2012).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 24 работах, в том числе: 1 патент на изобретение, 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение, 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка использованной литературы.
