Андреева Марина Александровна

Задачей проекта является экспериментальное исследование влияния электрического поля при химическом синтезе полианилина на поверхности гетерогенной сульфокатионитовой мембраны на ее структуру и свойства. В рамках проекта будет получена серия образцов мембран МК-40, модифицированных полианилином в условиях внешнего электрического поля в течение различного времени. Измерение хронопотенциограмм электромембранной системы в ходе модифицирования и установление корреляции между их характером и различными стадиями окислительной полимеризации анилина позволит контролировать процесс формирования слоя полианилина на поверхности гетерогенной мембраны МК-40. Полученные результаты будут иметь фундаментальное значение для понимания влияния внешнего электрического поля на процесс химического синтеза полианилина на поверхности ионообменных мембран и позволят разработать метод модифицирования поверхности мембран полианилином на основании контроля хронопотенциограмм электромембранной системы. Анализ вольтамперных характеристик образцов и их электропроводности позволит найти условия получения материалов с наиболее выраженной асимметрией электротранспортных свойств. Из кривых распределения воды по эффективным радиусам пор и энергиям связи будут рассчитаны характеристики пористой структуры мембран, сопоставление которых с транспортными свойствами позволит установить взаимосвязь структура-свойства для гетерогенных мембран, поверхностно модифицированных полианилином во внешнем электрическом поле, и прогнозировать поведение этих материалов в реальных условиях работы мембранных модулей. Совместно с французской научной группой будет изучена морфология поверхности модифицированных мембран, что позволит выявить влияние внешнего электрического поля на характер распределения полианилина.

Одной из важнейших проблем мембранных технологий, в частности, электродиализа (ЭД), является образование труднорастворимых солей в растворе у поверхности мембраны и в приповерхностном слое самой мембраны. Эта проблема особенно существенна при переработке природных вод, продуктов ферментации биомассы, молочных продуктов, вина и др. Механизмы осадкообразования весьма разнообразны. Недавние исследования, проведенные группой проф. Базинэ (университет Лаваля, Квебек, Канада) показали, что при ЭД растворов, моделирующих минеральный состав молочной сыворотки, происходит образование осадка не только в камерах концентрирования, но и в камерах обессоливания (КО). Механизм осадкообразования в обедненном растворе у поверхности мембран можно связать со взаимодействием ионов магния и/или кальция ионами ОН-, которые генерируются на границе катионообменная мембрана/раствор в интенсивных токовых режимах. Однако детально данный механизм не изучен. Предлагаемый проект направлен на теоретическое и экспериментальное изучение механизма осадкообразования в КО при ЭД растворов, содержащих ионы кальция и магния. Будет исследована роль скорости генерации ионов Н+ и ОН- как на катионообменной, так и на анионообменной мембранах, а также роль скорости течения раствора и других факторов, влияющих на процесс осадкообразования. Будут проведены экспериментальные исследования кинетики осадкообразования при обработке растворов, моделирующих природную воду и минеральный состав молока с использованием гомогенных, гетерогенных и поверхностно модифицированных катионообменных мембран. Будет построена двумерная нестационарная математическая модель переноса ионов через мембрану, учитывающая протолитические реакции в условиях возможного осадкообразования. Данный проект позволит выяснить, какие факторы являются наиболее существенными для процесса осадкообразования. Полученные знания будут служить фундаментальной основой для оптимального выбора мембран, токового и гидродинамического режимов ЭД природных вод и растворов пищевой промышленности.

Задачей проекта является разработка гибридных мембранных материалов на основе перфторированных сульфокатионитовых мембран МФ-4СК и электронных проводников (полианилина и дисперсии платины) для применения в качестве полимерного электролита в низкотемпературном водородно-воздушном топливном элементе. Известно, что эффективность работы низкотемпературного водородно-воздушного топливного элемента во многом определяется свойствами полимерного электролита, в качестве которого традиционно выступают перфторированные мембраны, и катализатора реакции восстановления кислорода. Создание полимера, обладающего как протонной проводимостью, так и каталитической функцией является актуальным направлением современной науки о материалах. При этом применение для данных целей полимерных пленок малой толщины способствует возрастанию эффективности функционирования устройства в целом. В литературе широко представлены работы по модифицированию перфторированных мембран полианилином с целью повышения протонной проводимости материала благодаря собственной протонной проводимости полианилина, однако особенности распределения модификатора в тонких пленках перфторсульфокислоты до сих пор остается недостаточно изученным. Кроме того, перспективным является формирование каталитического слоя на поверхности протонообменной мембраны, модифицированной полианилином, благодаря формированию трехкомпонентной системы: протонный проводник – электронный проводник – катализатор. В рамках данного проекта планируется выполнить разработку метода матричного синтеза полианилина в структуре тонких перфторированных мембран отечественного производства с последующим химическим осаждением дисперсии платины на поверхности мембраны. Для оценки характера распределения модификатора будет выполнено исследование образцов методами, чувствительными к асимметрии структуры мембраны: ИК-спектроскопия поверхностей мембран и мембранная вольтамперометрия в кислых растворах. Сопоставление результатов исследования электротранспортных и структурных характеристик образцов на каждом этапе введения модификаторов позволит оценить влияние свойств исходной матрицы на особенности формирования гибридной мембраны, содержащей оба модификатора. Испытание композитных мембран в условиях работы низкотемпературного водородно-воздушного топливного элемента позволит подтвердить эффективность модифицирования мембран и выбрать образцы с оптимальным набором характеристик для целевого применения в качестве полимерного электролита.