Илья Рыжков: «Мы одни из первых в России начали создавать мембраны, управляемые электрическим полем»

18 января 2019

Красноярский край — один из самых индустриально развитых регионов России. Благодаря уникальным природным ресурсам в крае преобладают такие отрасли промышленности, как цветная металлургия, электроэнергетика, деревообработка и химическая промышленность. Особенно важным научным направлением для развития производственных отраслей в регионе является разработка новых методов разделения смесей и получения чистых веществ.

При поддержке Красноярского краевого фонда науки и Российского фонда фундаментальных исследований ученые Лаборатории процессов переноса и наноматериалов Института вычислительного моделирования СО РАН разработали технологию создания нанопористых мембран с управляемой селективностью. Новые мембраны в перспективе могут облегчить операции промышленной очистки и извлечения ценных металлов в цветной металлургии.

Для понимания и прогнозирования мембранных процессов исследователи применяют математическое моделирование, создают специальные программы и алгоритмы расчетов. Сочетание экспериментальных и теоретических методов на стыке физики, химии и математики позволяет получать результаты, востребованные широким кругом специалистов.

Что такое «умные» мембраны, почему нано- и мембранные технологии отнесены к критическим технологиям РФ, где их применяют, а также зачем нужно описывать мембранные процессы математическими моделями рассказал руководитель проекта, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИВМ СО РАН Илья Игоревич Рыжков.

— Илья Игоревич, что представляют собой мембранные технологии, и почему они стали объектом ваших исследований?

В природе практически все вещества встречаются в виде смесей с другими веществами. Однако во многих областях человеческой деятельности (пищевой, химической, фармацевтической, топливно-энергетической и других отраслях промышленности) часто возникает потребность в получении чистых веществ.

Например, чтобы морская вода была пригодна для питья, ее необходимо очистить, а также обессолить, то есть снизить концентрацию ионов солей. В металлургии требуется отделить железо, медь или другие ценные металлы от примесей. Эти задачи могут решить мембранные технологии.

Мембрана – это определенный барьер, с помощью которого можно отделять одни вещества от других с помощью различных механизмов. Самым простым механизмом разделения является эффект «сита»: через мембрану проходят только те компоненты, размер которых меньше, чем диаметр отверстий в мембране. Другим механизмом является электрический. Он основан на различии зарядов поверхности мембраны и целевых компонентов. К примеру, если поверхность поры заряжена положительно, то она будет пропускать через себя преимущественно отрицательно заряженные ионы.

Ценность мембранных технологий в том, что они обеспечивают непрерывность разделения смесей, не требуют больших затрат энергии, легко масштабируются, а также прекрасно сочетаются с другими промышленными процессами.

— Чем отличаются получаемые вами мембраны от уже существующих на рынке?

Большинство коммерчески доступных мембран, которые сегодня используются в промышленности, обладают фиксированным размером пор и/или несут на себе заданный заряд. Поэтому для разделения требуемых веществ приходится подбирать мембрану с определенным размером пор и зарядом.

Мы создаем так называемые «умные» мембраны, селективностью которых можно управлять. Стенки наших мембран проводят электрический ток, что позволяет прямо в процессе эксплуатации настраивать их на нужные ионы. Это позволяет заменить несколько мембран с различными свойствами одной универсальной мембраной.

Если мембрану зарядить отрицательно, то через неё будут проходить в основном положительно заряженные ионы (катионы), а в случае положительного заряда – отрицательные ионы (анионы). Этот механизм будет работать, если размер пор мембраны лежит в нанометровом диапазоне: от одного до нескольких десятков нанометров. Процессы разделения веществ с помощью наномембран носят название нано- и ультрафильтрация. Они позволяют выделять из растворов одно- и многовалентные ионы, вирусы, белки, молекулы органических веществ и др.

Важно отметить, что нано- и мембранные технологии имеют межотраслевое значение и отнесены к критическим технологиям Российской Федерации. Наноматериалы сегодня востребованы не только в области очистки, но и для создания электрохимических сенсоров и анализаторов, топливных элементов, а также микро- и нанофлюидных устройств.

— Расскажите о процессе получения мембран.

Мы создаем мембраны из оксида алюминия Nafen. Каждое волокно имеет диаметр 10 – 15 нанометров, а поставляются они в виде больших пучков (длиной до нескольких см).

Первое, что необходимо сделать для получения мембраны – это поместить пучки в воду и отделить нановолокна друг от друга с помощью магнитной мешалки и ультразвуковой обработки. В результате образуется взвесь (коллоидный раствор) нановолокон в воде.


Коллоидный раствор

Далее этот раствор фильтруется через подложку, на которой формируется мембрана в виде круглого диска. Диск подвергается тепловой обработке (спеканию) с целью обеспечения его механической прочности. Так мы получаем мембрану с порами нужного диаметра.

Мембрана после спекания

Чтобы мембрана проводила электрический ток, мы формируем на нановолокнах слой углерода с помощью химического осаждения из газовой фазы в трубчатой печи. При температуре 900° С в печь подаются пары этанола вместе с инертным газом (азот или аргон), при этом происходит разложение паров спирта на составляющие. Углерод из продуктов реакции осаждается на волокнах мембраны, в результате чего она становится проводящей. Заряжая мембрану отрицательно или положительно, мы можем управлять транспортом ионов через поры, что позволит использовать ее для разделения смесей и получения чистых веществ.

Все этапы создания мембраны занимают порядка двух дней.

Покрытая углеродом мембрана

— На что ориентирован Ваш проект, поддержанный Красноярским краевым фондом науки и Российским фондом фундаментальных исследований?

Поддержанный проект ориентирован на математическое моделирование процессов транспорта ионов в нанопористых мембранах.  Математическое моделирование необходимо для адекватного описания новых типов мембран с проводящей поверхностью и процессов управляемого разделения ионных растворов.

Наши модели основаны на движении ионов под действием разности концентраций (диффузия), разности давлений (конвекция) и электрического поля (электромиграция). Параметрами моделей являются тип ионов (например, ионы калия, натрия, хлора, никеля и др.), их заряд, диаметр и длина пор, заряд поверхности мембраны, а также ряд других свойств.

Таким образом, математическое моделирование позволяет понять, как происходит транспорт ионов в проводящих мембранах, а также прогнозировать их поведение при изменении ключевых показателей, например, диаметра пор или заряда их поверхности.

— В каком виде будут представлены математические модели? Кто может стать их пользователем?

Изначально модели представлены в виде дифференциальных уравнений и граничных условий к ним. Решения мы получаем в виде формул или таблиц с расчетными данными. Для проведения вычислений нами разрабатываются специальные программы на языке С++ с интерфейсом пользователя. С помощью наших программ можно рассчитывать различные зависимости – равновесный мембранный потенциал, ионную проводимость и задержание ионов по заданным значениям параметров, а также просматривать/ сохранять/загружать экспериментальные и расчетные данные.

Программы спроектированы таким образом, чтобы их могли использовать как члены коллектива проекта, так и широкий круг специалистов в области мембранных технологий.

Проводятся ли в России и мире аналогичные научные исследования? Что, на Ваш взгляд, способствует успешному развитию проекта?

— В нашей стране управляемым транспортом ионов c помощью проводящих мембран никто не занимается. Мы являемся первой научной группой, которая начала создавать такие мембраны.

За рубежом это направление развивается в течение последних 15 лет. В настоящее время наш коллектив ведет совместную научную работу с Европейским центром передовых технологий в области водоподготовки WETSUS (Леуварден, Голландия) в части разработки математических моделей транспорта ионов в мембранах. В рамках международного сотрудничества мы работаем с ведущими специалистами в области мембранных технологий, что позволяет проводить исследования на мировом уровне.

Несомненно, большую роль в реализации нашего проекта играет поддержка Красноярского краевого фонда науки и Российского фонда фундаментальных исследований, благодаря которой мы имеем возможность приобретать необходимое дорогостоящее оборудование.

Еще одним важным фактором, который обеспечивает успешное развитие не только проекта, но и нашего направления в целом — это привлечение заинтересованных молодых специалистов. Наш коллектив на более чем 60% состоит из студентов, аспирантов и молодых ученых. Есть большая вероятность, что молодежь останется работать у нас и в будущем, но уже в качестве высококвалифицированных специалистов.

— Кто может стать потенциальным заказчиком результатов Вашего исследования?

Результаты проекта могут быть востребованы на таких предприятиях края, как НПП «Радиосвязь», ОАО «Красцветмет», АО «ПО «Электрохимический завод», АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» и ГМК «Норильский никель».

Мы уже проводили обсуждение возможных направлений сотрудничества со специалистами Красноярского завода цветных металлов имени В.Н. Гулидова. Актуальной задачей для них является выделение ценных, а также токсичных веществ из растворов, получаемых в гидрометаллургических процессах.

Мы планируем провести ряд экспериментов в этом направлении, и, возможно, в ближайшем будущем наши мембраны станут более эффективным и бюджетным инструментом переработки гидрометаллургических растворов.

Наши исследования в области проводящих мембран также могут найти применение при создании микро- и нанофлюидных устройств, синтетических аналогов селективных ионных каналов в биологических клетках и электрохимических сенсорах.