Мембраны и мембранные технологии

Проведено комплексное исследование гемосовместимости и газопроницаемости 1,2-дизамещенных полиацетиленов: поли(1-триметилсилил-1-пропина) и поли(4-метил-2-пентина). Полимеры были синтезированы из мономеров 1-триметилсилил-1-пропина и 4-метилпентина-2 на каталитических системах NbCl₅ и NbCl₅/n-Bu₄Sn с образованием гомополимеров, содержащих 50 и 55% цис-звеньев, соответственно. Проведено сравнение полученных полиацетиленов и широко применяемого в настоящее время в качестве сплошного тонкопленочного покрытия половолоконных мембран для экстракорпоральной оксигенации крови (ЭКМО) термопластичного полиолефина поли(4-метил-1-пентена). Исследованные полимеры показали высокую гемосовместимость в экспериментах по оценке морфофункционального статуса клеток крови и культивированию мезенхимальных мультипотентных стромальных клеток костного мозга тканевых доноров. По показателям гемосовместимости поли(4-метил-2-пентин) превосходил поли(1-триметилсилил-1-пропин) и был сопоставим по уровню с поли(4-метил-1-пентеном). Показано, что исследованные полиацетилены значительно более проницаемы по кислороду и углекислому газу, чем поли(4-метил-1-пентен): поли(1-триметилсилил-1-пропин) – в 320 и 400 раз соответственно, поли(4-метил-2-пентин) – в 60 и 90 раз. Такие показатели могут позволить значительно снизить площадь контакта мембран с кровью и уменьшить размеры оксигенаторов. Поскольку при высокой газопроницаемости поли(4-метил-2-пентин) обладает не уступающей поли(4-метил-1-пентену) гемосовместимостью, этот полимер может быть рекомендован в качестве перспективного материала селективного слоя мембран для применения в технологии ЭКМО.

В работе получены пленочные мембраны сетчатой структуры путем термообработки пленок, приготовленных из раствора, бром-содержащего поли(1-триметилсилил-1-пропина) [ПТМСП] и полифункционального амина полиэтиленимина [ПЭИ] в роли сшивающего агента. Идентификация сшитых продуктов проводилась на основании ИК-спектров, данных элементного анализа и устойчивости продуктов реакции к растворителю (CCl₄), в котором растворяется бромированный ПТМСП. Согласно ИК-спектрам, реакция сшивания протекает по реакционно-способной связи C-Br в бромированном ПТМСП с участием аминогрупп ПЭИ при температуре выше 90°С. Сшивка бромированного ПТМСП придает ему устойчивость к органическому растворителю. Увеличение доли ПЭИ в смеси коррелирует с ростом доли вступивших в реакцию атомов брома. Для сшитых с ПЭИ пленок бромированного ПТМСП изучены транспортные параметры по индивидуальным газам и в смеси метан/н-бутан (98.4 мол. % метана и 1.6 мол. % н-бутана).В ряду ПТМСП – бромированный ПТМСП-Br – ПТМСП-Br/ПЭИ (до сшивки) – ПТМСП-Br/ПЭИ (после сшивки) проницаемость по индивидуальным газам снижается. Сшитый ПТМСП в смеси метан/н-бутан демонстрирует высокие коэффициенты проницаемости н-бутана (P_н-C4H10 = 12 000 баррер) и селективность выделения н-бутана из смеси с метаном (α_н-C4H10/CH4 = 13).

Впервые для задачи получения высокопроизводительных ультрафильтрационных плоских мембран были синтезированы и исследованы полифениленсульфоны (ПФСФ) с хлорными и гидроксильными концевыми группами. Синтез ПФСФ проводили в диметилацетамиде при различном соотношении мономеров 4,4′-дигидроксидифенила и 4,4-дихлордифенилсульфона. Методами ЯМР, ГПХ и ДСК исследованы два образца с преимущественным содержанием гидроксильных (ПФСФ-ОН) и хлорных (ПФСФ-Cl) концевых групп. Были также определены числа осаждения растворов полимеров в N-метил-2-пироллидоне (НМП), механические свойства и гидрофильность полимерных материалов. Оба образца ПФСФ имеют значения прочности на разрыв на уровне 16 МПа. Методом осаждения в воде растворов ПФСФ в НМП с добавками ПЭГ-400 получены плоские пористые асимметричные мембраны с мезопористым (диаметр пор порядка 7 нм) тонким внешним слоем и пальцевидными макропорами в подложечном слое. Увеличение доли гидроксильных концевых групп повышает гидрофильность полимера. Это, в свою очередь, позволило получить плоские мембраны на основе ПФСФ-ОН с проницаемостью по воде 66.1 л/м²·ч⋅бар, что в 1.5 раза выше проницаемости мембраны ПФСФ-Cl. При этом обе мембраны демонстрируют коэффициент задерживания BlueDextran (M_w = 70 000 г моль^–1) на уровне 99.9%.

В работе изучены структурные и транспортные (электропроводность и диффузионная проницаемость) катионо- и анионообменных мембран с различной дисперсностью частиц ионообменной смолы. Экспериментальные катионообменные мембраны МК-40 и анионообменные мембраны МА-41 с варьируемым размером частиц ионообменной смолы от <20 мкм до <71 мкм были изготовлены на ООО “ИП “Щекиноазот” (Россия). Сравнительный анализ структурных характеристик мембран методом РЭМ выявил анизотропию свойств поверхности и среза. Внутренняя фаза мембраны характеризуется большими величинами доли и размеров ионообменника, макропористости. Проведено сравнение концентрационных зависимостей удельной электропроводности и диффузионной проницаемости экспериментальных мембран. Анализ значений модельных транспортно-структурных параметров показал, что при уменьшении размера частиц ионообменника наблюдается возрастание проводимости гелевой фазы от 0.39 до 0.47 См/м и от 0.15 до 0.26 См/м для катионо- и анионообменных мембран, а также перераспределение путей переноса тока в мембране. Выявлено увеличение вклада переноса по каналу внутреннего равновесного раствора, при этом числа переноса противоионов изменяются незначительно. Информация об изменении структуры транспортных каналов в мембранах с разным размером частиц ионообменника, полученная на основе анализа модельных параметров, согласуется с данными независимых исследований морфологии их поверхности и среза методом РЭМ.

В работе изучены структурные и транспортные (электропроводность и диффузионная проницаемость) катионо- и анионообменных мембран с различной дисперсностью частиц ионообменной смолы. Экспериментальные катионообменные мембраны МК-40 и анионообменные мембраны МА-41 с варьируемым размером частиц ионообменной смолы от <20 мкм до <71 мкм были изготовлены на ООО “ИП “Щекиноазот” (Россия). Сравнительный анализ структурных характеристик мембран методом РЭМ выявил анизотропию свойств поверхности и среза. Внутренняя фаза мембраны характеризуется большими величинами доли и размеров ионообменника, макропористости. Проведено сравнение концентрационных зависимостей удельной электропроводности и диффузионной проницаемости экспериментальных мембран. Анализ значений модельных транспортно-структурных параметров показал, что при уменьшении размера частиц ионообменника наблюдается возрастание проводимости гелевой фазы от 0.39 до 0.47 См/м и от 0.15 до 0.26 См/м для катионо- и анионообменных мембран, а также перераспределение путей переноса тока в мембране. Выявлено увеличение вклада переноса по каналу внутреннего равновесного раствора, при этом числа переноса противоионов изменяются незначительно. Информация об изменении структуры транспортных каналов в мембранах с разным размером частиц ионообменника, полученная на основе анализа модельных параметров, согласуется с данными независимых исследований морфологии их поверхности и среза методом РЭМ.