Адрес e-mail:

Результаты работ третьего этапа ПНИ (ФЦП № 14.587.21.0052 от 12.02.2018 г., Уникальный идентификатор научных исследований (проекта) RFMEFI58718X0052)

В лаборатории функциональных органических и гибридных материалов МФТИ завершен третий этап работ по созданию инновационных материалов нового поколения с улучшенными характеристиками на основе полиэлектролитов с высокой плотностью отрицательного заряда, имеющими потенциал для применения в высокотехнологичных процессах очистки и выделения металлов.

 

Исследования выполнены в рамках проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 12 февраля 2018 года № 14.587.21.0052 (RFMEFI58718X0052) с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». Проект выполняется в сотрудничестве с иностранным партнером – Институтом химии и материалов, НЦНИ, Университет Париж-Восток.

 

На третьем этапе проекта были проведены испытания эффективности абсорбции экспериментальных образцов абсорбентов ионов натрия на основе полианионов. Испытания проводились для образов селективных мембран на основе блок-сополимера полистирола и поли(триметилен-дикарбоксилата) (Образец № 1), блок-сополимера полистирола и полималеиновой кислоты (Образец № 2), блок-сополимера полистирола и полиитаконовой кислоты (Образец № 3), блок-сополимера полистирола поли(бут-1-ен-2,4,4-трикарбоновой) кислоты (Образец № 4). По результатам испытаний изменения массы образцов  абсорбентов составили 9,5, 6,3, 6,5 и 7,2%, а  концентрации Na+ в растворах фильтратов после осаждения составили 0,0002, 0,0004, 0,0004, 0,0003 г/мл для образов № №1-4, соответственно.  Все образцы выдержали циклическое осаждение ионов натрия в течении 60 циклов.

Была разработана лабораторная методика in situ исследования формирования структуры комплекса полианионами с ионами натрия на основе которой была исследована структуры комплекса полианиона с ионами натрия. Было сделано предположение, что  термическая стабильность кристаллической фазы микрочастиц напрямую связана с эффективностью формирования хелатного комплекса, обеспечивающего селективное связывание ионов металлов.

Затем был проведен анализ распределения ионов натрия по объему абсорбента в процессе опреснения. Анализ поверхности мембраны методом АСМ позволил установить, что фаза полиэлектролита, связывающая ионы натрия, распределена по объёму неравномерно. В пленке толщиной 5 мкм объемная доля нанодоменов поли(триметилен-дикарбоксилата) натрия составляет 22%, а на поверхности она достигает 60%.

Была разработана лабораторная методика исследования механизма опреснения морской воды с использованием экспериментальных образцов абсорбентов ионов натрия на основе полианионов, на основании которой исследован механизм опреснения морской воды с использованием экспериментальных образцов абсорбентов ионов натрия на основе полианионов. С использованием ИК-спектроскопии показано, что механизм работы абсорбентов на основе полианионов основан на их способности обратимо и селективно связывать ионы натрия из раствора с помощью электростатического взаимодействия и дальнейшего образования хелатного комплекса. Кристаллическая структура полианиона определяет фиксированный размер полости, который и объясняет селективность поли(триметилен дикарбоксилата) по отношению к ионам щелочных металлов.

Иностранным партнером на третьем этапе были проведено исследование химической стабильности экспериментальных образцов абсорбентов ионов натрия на основе полианионов. Было разработано и создано устройства для фотокаталитической деградации органических загрязнителей. Фотореактор представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд, в центр которого помещается погружная лампа, которая имеет непосредственный контакт с реакционной смесью, состоящей из водного раствора органических загрязнителей и наночастиц оксида цинка. Эффективная для деградации концентрация органических загрязнителей не должна превышать 10 мг/л Была также исследована кинетика фотокаталитической деградации органических загрязнителей в процессе фильтрации воды.. Определены константы скорости деградации, которые составили 0.016 и 0.004 мин-1 для свободных и иммобилизованных в полимерную матрицу частиц оксида цинка, соответственно.

По результатам исследования эффективности абсорбции экспериментальных образцов абсорбентов ионов натрия был выбран образец мембраны, наиболее подходящий для использования в устройствах для очистки и обессоливание воды – образец на основе блок-сополимера полистирола и поли(триметилен-дикарбоксилата). Индустриальным партнером ПАО «Плазмек» был разработан прототип компактного устройства для опреснения воды на основе абсорбентов ионов натрия. Устройство фильтра имеет в своем строение мембрану на основе блок-сополимера полистирола и поли(триметилен-дикарбоксилата). Устройство способно обессоливать и очищать воду с контролем давления непосредственно в месте ее забора.

По результатам работы в целом были разработаны предложения и рекомендации по использованию результатов проекта и внедрению разработанной технологии в химической промышленности, а также проведено обобщение результатов проекта, проверка их соответствия требованиям к работам и результатам, оценка результативности проекта и эффективности результатов.

 

Основной областью применения, в которой могут быть использованы результаты проекта– водоподготовка и получение пресной воды. Фильтрация воды наиболее востребована в следующих отраслях промышленности: фармацевтическое производство, текстильная промышленность, производство молочной продукции изготовление и переработка бумаги, металлургия, нефтехимическая промышленность. Разработанное портативное устройство для очистки и обессоливания воды может быть использовано в чрезвычайных ситуациях.

Внедрение абсорбентов на основе полиэлектролита с высокой плотностью заряда, а также наночастиц оксида цинка, в устройства для очистки и обессоливания воды имеет следующие перспективы: эффективная очистка воды от посторонних включений, сокращение себестоимости очищенной жидкости, качественная дезинфекция, сокращение расходов электроэнергии, выгодная стоимость очистного оборудования.

Разработанные в рамках проекта нанопористые мембраны на основе селективного дикарбоксилата могут быть использованы в устройствах для обессоливания воды в качестве компонентов фильтра. Продукт может быть представлен в двух формах - пленочные мембраны и порошок, что позволяет расширить линейку продукции, а также подбирать необходимый вид продукта, в зависимости от удобства использования. Разработанные и изученные в ходе проекта наночастицы оксида цинка могут быть использованы в качестве фильтрующих агентов для органических примесей в воде. Наночастицы оксида цинка могут быть добавлены в абсорбенты на основе селективного дикарбоксилата, а также быть индивидуальным продуктом, которые имеет потенциал к коммерциализации в качестве модуля для фильтров многоэтапной очистки воды.

На третьем этапе индустриальным партнером был разработан прототип компактного устройства для опреснения морской воды на основе абсорбентов ионов натрия, которое способно расширить рынок компактных установок для очистки и обессоливания воды. Подобное устройство обладает двумя основными особенностями - наличие контролируемого давления в процессе очистки воды, а также возможность обессоливать и очищать воды непосредственно в месте забора воды. Эти особенности являются конкурентными преимуществами разработанного устройства.

Кроме того, исполнителями проекта на третьем этапе была подана заявка на патент на изобретение "Устройство для опреснения и очистки воды на основе селективного дикарбоксилатного полиэлектролита". Коммерциализация предполагает продажу или передачу РИД заинтересованным партнерам, занятым в производстве фильтров для очистки воды и комплектов жизнеобеспечения в экстремальных ситуациях.

 

По результатам проекта были опубликовано 5 статей:

 

1.     K.N. Grafskaia, D.V. Anokhin, A.F. Akhkiamova, D.A. Ivanov // Study of thermal properties of self-assembly formed by wedge-shaped amphiphilic molecules. Key Engineering Materials, V. 816, pp 139-145 (DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.816.139)

2.     Gorbunova M.A., Shukhardin D.M., Lesnichaya V.A., Badamshina E.R., Anokhin D.V. // Optimisation of mechanical and thermal properties of polyurethane ureas thermoplastic elastomers with shape memory for medical applications. Key Engineering Materials, V. 816, pp 187-191 (DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.816.187)

3.     N. Illy, D. Urayeneza, A. V. Maryasevskaya, L. Michely, S. Boileau, B. Brissault, E. A. Bersenev, D. V. Anokhin, D. A. Ivanov, J. Penelle // Synthesis and Solid-State Properties of PolyC3 (Co)polymers Containing (CH2-CH2-C(COOR)2) Repeat Units With Densely Packed Fluorocarbon Lateral Chains Macromolecules, online publication (DOI: 10.1021/acs.macromol.9b01559)

4.     M.A Gorbunova, V.A Lelecova, D.M Shukhardin, G.V Malkov, D.V Anokhin, E.R Badamshina Study of the effect of crystallization conditions on the structure of polyurethane block copolymer based on poly-ε-caprolactone diol and isophoron diisocyanate // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. (2020), V. 848, p. 012047. https://doi.org/10.1088/1757-899X/848/1/012047

5.     E. A. Bersenev, A. V. Maryasevskaya, E. V. Komov, D. V. Anokhin, D. A. Ivanov // Exploring of complexation in novel family of polyelectrolytes with unexpected solubility behaviour. Key Engineering Materials (принята в печать)

Подано две заявки на патент РФ и представлено 4 доклада на российских конференциях

 

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2021 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Противодействие коррупции | Сведения о доходах

Политика обработки персональных данных МФТИ

Техподдержка сайта | API

Использование новостных материалов сайта возможно только при наличии активной ссылки на https://mipt.ru

МФТИ в социальных сетях