Вопросы для кандидата химических наук, преподавателя ФГБОУ ВО
«Кубанский государственный университет» Кириченко Ксении
Андреевны по проекту: «Изменение структуры и свойств слоистых полимерных покрытий при селективном электродиализном обессоливании воды для ирригации».
Ксения Андреевна, расскажите о проекте, в чем заключается его
новизна?
Наш проект направлен на изучение свойств и стабильности при
эксплуатации покрытий, проницаемых только для определенных
ионов. Для создания этих покрытий обрабатываемый материал
поочередно опускают в растворы, содержащие полимеры различных
свойств, к примеру, поликатионы и полианионы, в результате чего
полимеры закрепляются на поверхности материала, формируя слоистое
покрытие. Метод очень простой, и в 2010х научная группа, состоящая
из каталонских и из мичиганских исследователей, опубликовала
работы, в которых при использовании этого метода достигалась
селективность к переносу калия по сравнению с переносом магния, не
достижимая другими распространенными методами. Этот результат
является перспективным для ряда областей применения, и
опубликование таких данных простимулировало проведение целого
ряда исследований.
Посвященных слоистым полимерным покрытиям работ довольно
много, но при этом публикаций, описывающих стабильность
достигаемой селективности в процессе эксплуатации, гораздо меньше,
и они сфокусированы на агрессивных условиях эксплуатации, в
основном на стабильность в растворах с высокой минерализацией. Нам
же в ходе предыдущих исследований по этой тематике рецензенты
очень часто задавали вопрос о том, успешно ли формируются такие
покрытия в принципе и стабильны ли они в ходе даже более мягкой
эксплуатации. На основании этого и была сформирована цель проекта
– исследование стабильности полимерных покрытий в ходе
эксплуатации модифицированных ионообменных мембран.
Для изучения стабильности покрытий и определения оптимального с
точки зрения физико-химических и других характеристик мы изучили
три варианта состава полимерных покрытий, два из которых,
полиаллиламин плюс полистиролсульфонат натрия и полиэтиленимин
плюс полистиролсульфонат натрия, соответствуют наиболее
популярным полимерным системам с точки зрения числа
опубликованных работ, а третий, поли[диаллилдиметиламмония
хлорид] плюс полистиролсульфонат натрия, является новым и ранее не
исследованным для такой цели, он выбран на основании теоретической
возможности обработки с помощью материалов с такими покрытиями
растворов с большей щелочностью. Помимо изучения стабильности, новизна нашего исследования состоит также в том, что мы переходим от сравнительно простых растворов, которые обычно используют для проверки селективности и которые содержат всего три вида ионов, к более сложным системам,
имитирующим минеральный состав природной воды. Здесь в нашем
исследовании появляется региональная специфика, и мы имитируем
минеральный состав, характерный для лиманов, используя для это
раствор пяти солей, содержащий суммарно семь ионов соли.
Что такое слоистые полимерные покрытия и где они используются?
Какие проблемы могут возникнуть при использовании селективного
электродиализа для обработки воды с слоистыми полимерными
покрытиями?
Слоистое полимерное покрытие – это сформированная на поверхности
какого-либо материала система тонких слоев полимеров, при этом в
покрытии чередуются два полимера, свойства которых значительно
различаются. Если для формирования покрытия взять два полимера,
один из которых является поликатионом, к примеру, полиаллиламин, а
второй полианионом, таким, как полистиролсульфонат натрия, можно
получить покрытие, за счёт сил электростатического отталкивания
проницаемое для однозарядных ионов и практически не проницаемое
для полизарядных ионов. Сейчас основная часть работ по исследованию систем полимерных слоев рассматривает их применение при добыче лития из природных рассолов, потому что в них литий присутствует в смеси с магнием, но есть и работы из областей водоподготовки, обработки сточных вод и
генерации энергии.
Мы рассматриваем случай, когда такое покрытие формируют на
поверхности монополярных ионообменных мембран – материалов,
изначально предназначенных для переноса только одного сорта ионов,
либо катионов, либо анионов. В результате модифицирования
ионообменной мембраны путем формирования на ее поверхности
слоистого полимерного покрытия получается материал, селективно
проницаемый либо для однозарядных катионов, либо для
однозарядных анионов. Такие мембраны можно использовать в
селективном электродиализе, в котором из многокомпонентного
раствора необходимо удалить ионы какого-то типа, к примеру, удалить
повышающие соленость ионы натрия, но при этом сохранить важные
для роста и развития живых организмов ионы магния и кальция.
Проблемы при использовании таких покрытий могли бы возникать при
их повреждении в ходе эксплуатации, что потребовало бы производить
их регенерацию или заменять используемые мембраны, что
нежелательно, потому что стоимость ионообменных мембран
составляет большую часть стоимости электродиализной установки,
поэтому исследование этого вопроса и было одной из тем проекта.
Кроме того, проблемы могут возникать, если технология будет
использована для подготовки питьевой воды или обработки продуктов,
потому что необходимо будет проверять также безопасность
возможных примесей или результатов разрушения полимеров, которые
могут переноситься в обрабатываемый раствор, этот вопрос тоже был
учтен при оценке перспективности использования рассмотренных
полимерных систем.
Какие потенциальные перспективы открывает использование селективного электродиализного обессоливания в будущем?
Использование селективного электродиализа перспективно там, где
нужно разделять и обрабатывать многокомпонентные растворы.
Помимо удаления однозарядных ионов из раствора, исследованию
которого посвящен наш проект, и выделения лития из его природных
рассолов, которое является основным направлением промышленного
применения процесса на сегодняшний день, селективный
электродиализ можно использовать для роста других отраслей
применения. Это устранение из растворов солей жёсткости; обработка
пищевых продуктов, в которых одновременно присутствуют
представляющие ценность органические ионы и примесные
неорганические ионы, примером чего является обессоливание
молочной сыворотки; стабилизация вод горнодобывающей
промышленности, в ходе которой нужно отделять поток раствора,
содержащий кальций и однозарядные анионы, от потока раствора,
содержащего сульфаты и однозарядные анионы, иначе в аппарате
начнет осаждаться гипс; и ряд более экзотических идей, включающий,
к примеру, добычу того же лития, но не из рассолов озёр, а из морской
воды.
Какие результаты достигнуты на данном этапе реализации проекта?
На данном этапе мы протестировали три варианта состава покрытия,
формируемого на мембране для повышения селективности по
отношению к переносу однозарядных ионов, для того, чтобы
определить лучшее с точки зрения физико-химических характеристик и
допустимости использования его компонентов. В ходе этого мы
обнаружили, что при сравнении в идентичных условиях более
безопасный, но менее изученный научным сообществом вариант
покрытия обладает и преимуществами с точки зрения физико-
химических свойств. Также мы обнаружили, что вариант,
использование которого в целях создания селективных мембран не
описано в научной литературе, демонстрирует субоптимальные
физико-химические характеристики, что может указывать на то, что
отсутствие публикаций по теме связано с большой научной проблемой
опубликования только положительных результатов и отсутствия
интереса к отрицательным. Из совсем недавних результатов мы выбрали оптимальную систему и провели пробное обессоливание имитата минерального состава природной солоноватой воды Краснодарского края, на данный момент ожидаем результатов анализа состава растворов.
Какой предположительно ожидаете эффект от результатов реализации
проекта для научно-технического и социально-экономического
развития Краснодарского края?
Мы ожидаем, что развитие технологии селективного электродиализа и
в частности демонстрация стабильности системы полимерных
покрытий в ходе эксплуатации может в перспективе обеспечить доступ
к питьевой воде высокого качества потребителям, находящимся в
районах без доступа к качественной питьевой воде, но с доступом к
излишне соленой воде. Кроме того, такая технология применима для
оптимизации водоподготовки для объектов с интенсивным режимом
орошения, таких как теплицы, поскольку в ходе селективного
электродиализа можно удалить ионы натрия, аммония, нитрат- и
хлорид-ионы, которые в том числе способны приводить к засолению
почв, и сохранять в растворе необходимые ионы кальция, магния,
сульфат- и фосфат-ионы.
Что бы Вы посоветовали молодым учёным, которые только вливаются
в научную жизнь Краснодарского края?
Уделяйте время на регулярный
просмотр новых публикаций в вашей отрасли. Проверяйте elibrary и
патентные базы, проверяйте, если есть доступ, по базам Scopus и Web
of Science, проверяйте, что есть на сайтах издательств – в нашем случае
это sciencedirect, аффилированный с Elsevier, это сайты MDPI и
Springer Link. Это и поможет вовремя увидеть, не делаете ли вы повтор
уже известных исследований, и подсказывает, что для грантовых
заявок в раздел «Современное состояние исследований» написать, и в
принципе является отправной точкой поиска новых идей. А ещё можно
посмотреть не только «что» коллеги публикуют, но и «где», и найти
новый журнал, для которого ваши исследования попадают в основные
направления статей.
____________________________________________
Подписывайтесь на наши информационные ресурсы: