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

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 способны 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 наномембранные 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.

Мембраны — это определенные барьеры, с помощью которых можно разделять жидкости и смеси на компоненты. 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. Например, 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 установленный 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. Так мы получаем универсальную мембрану взамен нескольким различным мембранам с фиксированными свойствами.

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 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 эстонских нановолокон оксида алюминия Nafen. Каждое волокно имеет диаметр 10 – 15 нанометров и форму 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. 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 нужным диаметром.

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.

- 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.

Элина Файзуллина,

главный специалист по связям с общественностью

Красноярского краевого фонда науки.