Разделы данной книги написаны ведущими российскими учеными. Представленный материал может рассматриваться как справочное издание и, безусловно, будет полезен специалистам, включая научных сотрудников и технологов, работающих в области разработки различного типа мембран или использующих мембранные технологии в своей работе. С другой стороны, при подготовке монографии авторы пытались представить материал в доступной форме. Поэтому он может одновременно рассматриваться в качестве учебного пособия, предназначенного для преподавателей и студентов, специализирующихся в области химии или химической технологии.
Для составления более полного представления о конкретных достижениях и более глубокого ознакомления с проблематикой в каждом разделе приведены ссылки на оригинальные работы как российских, так и зарубежных исследователей. Материал изложен в форме, доступной для широкого круга читателей, занимающихся научной работой в данной области, использующих ее в практических целях, и просто желающих ознакомиться с некоторыми наиболее значимыми результатами.
| Введение | |
10 |
| Литература |
| 14 |
| 1. Высокомолекулярные ионообменные мембраны (А.Б. Ярославцев) |
| 15 |
| 1.1. Строение ионообменных мембран |
| 16 |
| 1.2. Производство ионообменных мембран |
| 25 |
| 1.3. Ионный перенос в мембранах |
| 28 |
| 1.4. Современные подходы к модификации мембран |
| 43 |
| 1.5. Причины ускорения ионного переноса в гибридных мембранах |
| 49 |
| Литература |
2. Биполярные ионообменные мембраны. Получение. Свойства.
Применение (Н.В. Шельдешов, В.И. Заболоцкий) |
| 70 |
| Введение |
| 70 |
| 2.1. Получение биполярных мембран |
| 73 |
| 2.2. Строение биполярных мембран |
| 77 |
2.3. Процессы, протекающие в биполярных мембранах при прохождении
через них электрического тока |
| 82 |
| 2.4. Электрохимические характеристики биполярных мембран и методы их исследования |
| 95 |
| 2.5. Технологические применения биполярных мембран |
| 100 |
| Литература |
| 115 |
| 3. Трековые мембраны (П.Ю. Апель, СИ. Дмитриев) |
| 126 |
| 3.1. История. |
| 126 |
| 3.2. Фундаментальные основы процесса получения трековых мембран |
| 128 |
| 3.2.1. Образование травимого трека |
| 128 |
| 3.2.2. Выбор химического травителя |
| 130 |
| 3.2.3. Геометрия травления трека |
| 132 |
| 3.2.4. Факторы, от которых зависит избирательность травления треков |
| 134 |
| 3.2.5. Структура травимого трека в нанометровом масштабе |
| 136 |
| 3.2.6. Особые случаи кинетики травления "трековых" нанопор |
| 139 |
| 3.3. Промышленная технология трековых мембран |
| 143 |
| 3.4. Краткая характеристика коммерческих ТМ |
| 147 |
| 3.5. Разработка ТМ из других полимерных материалов |
| 150 |
| 3.6. Модификация структуры и свойств поверхности ТМ |
| 151 |
| 3.6.1. Асимметричные трековые мембраны |
| 151 |
| 3.6.2. Модификация поверхности |
| 152 |
| 3.7. Структурные и эксплуатационные параметры трековых мембран. |
| 153 |
| 3.8. Применения трековых мембран |
| 157 |
| Литература |
| 163 |
4. Неорганические среднетемпературные мембраны с протонной проводимостью
(В.Г. Пономарева) |
| 169 |
| 4.1. Протонные проводники со структурной разупорядоченностью МxНm(XO4)p |
| 169 |
| 4.1.1. Транспортные свойства кислых солей семейства
МxНm(XO4)p |
| 169 |
| 4.1.2. Характер связей МxНm(XO4)p
и влияние размера ионов |
| 170 |
| 4.1.3. Механизм протонного транспорта |
| 174 |
| 4.2. Использование протонных мембран в среднетемпературных топливных элементах |
| 182 |
| 4.3. Композиционные твердые электролиты |
| 187 |
| 4.3.1. Межфазное поверхностное взаимодействие |
| 189 |
4.3.2. Транспортные, структурные и термодинамические свойства композитов
на основе МxНm(XO4)p |
| 189 |
4.3.3. Композиционные протонные мембраны на основе NH4PO3 и
фосфосиликатных гелей для топливных элементов |
| 199 |
| 4.4. Высокотемпературные протонные электролиты |
| 202 |
| Литература |
| 208 |
| 5. Жидкие мембраны (Е.В. Юртов, М.Ю. Королева) |
| 219 |
| 5.1. Основные принципы мембранной экстракции |
| 220 |
| 5.2. Разновидности процессов переноса вещества через жидкую мембрану |
| 221 |
| 5.3. Экстрагенты-переносчики |
| 223 |
| 5.4. Методы мембранной экстракции |
| 227 |
| 5.4.1. Свободные жидкие мембраны |
| 227 |
| 5.4.1.1. Диффузионные ячейки со свободными жидкими мембранами |
| 227 |
| 5.4.1.2. Пертракторы |
| 228 |
| 5.4.1.3. Методы со свободными жидкими мембранами и диспергированием фаз |
| 231 |
| 5.4.1.4. Практическое использование свободных жидких мембран |
| 233 |
| 5.4.2. Импрегнированные мембраны |
| 234 |
| 5.4.2.1. Стабильность импрегнированных мембран |
| 235 |
| 5.4.2.2. Матрицы для импрегнированных мембран |
| 238 |
| 5.4.2.3. Диффузионные ячейки и аппараты с импрегнированными мембранами |
| 238 |
| 5.4.2.4. Практическое использование импрегнированных жидких мембран |
| 241 |
| 5.4.3. Мембранная экстракция во множественной эмульсии |
| 244 |
| 5.4.3.1. Стабильность эмульсионных жидких мембран |
| 245 |
| 5.4.3.2. Техника мембранной экстракции во множественной эмульсии. |
| 249 |
| 5.4.3.3. Аппаратурное оформление мембранной экстракции во множественной эмульсии |
| 251 |
| 5.4.3.4. Практическое использование мембранной экстракции во множественной эмульсии |
| 253 |
| Литература |
| 255 |
| 6. Расчетные методы описания процессов переноса в мембранах (В.И. Ролдугин) |
| 264 |
| 6.1. Неравновесная термодинамика мембранных процессов |
| 264 |
| 6.1.1. Общие соотношения |
| 264 |
| 6.1.2. Термоосмос и механокалорический эффекя |
| 267 |
| 6.1.3. Диффузионный осмос и обратный осмос |
| 269 |
| 6.1.4. Электроосмос и ток течения |
| 271 |
| 6.2. Режимы переноса компонентов через мембраны |
| 272 |
| 6.3. Фильтрация жидкости и газа |
| 275 |
| 6.4. Обратноосмотическое разделение компонентов в капиллярах |
| 281 |
| 6.5. Течение газов и газовых смесей в широких порах |
| 286 |
| 6.6. Свободномолекулярное течение в цилиндрическом капилляре |
| 289 |
| 6.7. Неупорядоченная пористая среда |
| 294 |
| 6.8. Влияние поверхностных сил на течение газа в капиллярах |
| 296 |
| 6.9. Модель запыленного газа ("dusty-gas" model) |
| 301 |
| 6.10. Непористые мембраны |
| 304 |
| 6.10.1. Транспортные уравнения |
| 304 |
| 6.10.2. Коэффициент диффузии |
| 307 |
| 6.11. Композиционные мембраны |
| 308 |
| 6.11.1. Проницаемость композиционных материалов |
| 308 |
| 6.11.2. Перколяционный переход |
| 311 |
| 6.12. Метод молекулярной динамики |
| 312 |
| Литература |
| 314 |
7. Моделирование явлений переноса в системах с ионообменными мембранами
(В.В. Никоненко, Н.Д. Письменская, G. Pourcelly, С. Larchet) |
| 317 |
| 7.1. Основные механизмы переноса и подходы к описанию транспорта в мембранах |
| 317 |
| 7.2. Описание переноса в мембранах с позиций термодинамики неравновесных процессов |
| 319 |
| 7.2.1. Сопряжение сил и потоков. Уравнения Онзагера |
| 319 |
| 7.2.2. Уравнения Кедем-Качальского и практические коэффициенты переноса |
| 322 |
| 7.2.3. Другие подходы к описанию переноса в мембранах |
| 326 |
| 7.2.4. Уравнение Нернста-Планка. Учет конвективного переноса |
| 327 |
| 7.3. Структурно-кинетические модели заряженных мембран |
| 330 |
| 7.3.1. Разделение фаз в мембране и описание переноса в отдельной фазе |
| 330 |
| 7.3.2. Континуальные модели |
| 332 |
| 7.3.3. Теория перколяции |
| 334 |
| 7.3.4. Гетерофазные модели. Микрогетерогенная модель |
| 335 |
| 7.4. Перенос ионов в мембранных системах в условиях концентрационной поляризации |
| 339 |
| 7.4.1. Индуцированный протеканием тока градиент концентрации. Предельная плотность тока |
| 340 |
| 7.4.2. Скачок потенциала в мембранной системе |
| 345 |
| 7.5. Интенсивные токи. Нарушение локальной электронейтральности |
| 347 |
| 7.5.1. Задача Рубинштейна |
| 347 |
7.5.2. Структура области пространственного заряда. Условие квазиравномерного
распределения плотности заряда (КРЗ) |
| 350 |
| 7.6. Зависимость эффективной толщины диффузионного слоя от плотности тока |
| 355 |
| 7.7. Описание концентрационной поляризации в рамках двумерных моделей. |
| 358 |
| 7.7.1. Предельная плотность тока и толщина ДПС. Уравнения Левека.. |
| 358 |
| 7.7.2. Учет зависимости коэффициента диффузии от концентрации |
| 362 |
| 7.7.3. Случай длинных электродиализных каналов |
| 364 |
| 7.7.4. Допредельные режимы ЭД |
| 364 |
| 7.7.5. Описание ЭД в сверхпредельных токовых режимах. Электроконвективные вихри
| | 365 |
| 7.8. Механизмы сверхпредельного массопереноса
| | 367 |
| 7.8.1. Каталитическая генерация ионов Н+ и ОН-,
эффект экзальтации предельного тока
| | 367 |
| 7.8.2. Сопряженная конвекция раствора |
| 369 |
| 7.8.3. Условия развития гравитационной конвекции и электроконвекции |
| 372 |
7.9. Взаимосвязь между электрохимическим поведением мембран и свойствами их поверхности.
Свойства, определяющие интенсивность развития электроконвекции |
| 374 |
| 7.9.1. Гидрофильно/гидрофобный баланс поверхности |
| 375 |
| 7.9.2. Электрическая неоднородность поверхностного слоя мембраны |
| 380 |
| 7.9.3. Роль стоксовского радиуса противоионов |
| 381 |
7.10. Управление предельным и сверхпредельным массопереносом путем
модифицирования поверхности мембран |
| 383 |
| 7.10.1. Ослабление генерации ионов Н+ и ОН- |
| 384 |
| 7.10.2. Варьирование степени гидрофобности и электрической неоднородности поверхности |
| 387 |
| 7.10.3. Профилирование поверхности мембран |
| 389 |
| 7.10.4. Пути совершенствования ИОМ для обессоливания разбавленных растворов |
| 390 |
| Литература |
| 393 |
8. Методы исследования и характеризация синтетических полимерных мембран
(Н.А. Кононенко, Н.П. Березина) |
| 402 |
| 8.1. Мембранное материаловедение и подходы к характеризации синтетических мембран |
| 403 |
8.2. Исследование электропроводящих свойств мембранных материалов.
Мембранная кондуктометрия |
| 405 |
| 8.3. Электротранспорт воды в мембранных системах |
| 412 |
Селективность мембран. Взаимосвязь селективных и электроосмотических
свойств ионообменных мембран |
| 415 |
| 8.5. Диффузионная проницаемость мембранных материало |
| 421 |
| 8.6. Поляризационные явления в электромембранных системах. Мембранная вольтамперометрия |
| 427 |
| 8.7. Физические методы исследования структурной организации мембран |
| 431 |
| 8.8. Характеристики пористой структуры мембран |
| 436 |
| Заключение |
| 447 |
| Литература |
| 448 |
9. Каталитические процессы в мембранных реакторах
(Н.Л. Басов, М.М. Ермилова, В.И. Лебедева, Н.В. Орехова) |
| 456 |
| 9.1. История развития мембранного катализа |
| 457 |
| 9.2. Типы мембранных катализаторов |
| 457 |
| 9.2.1. Монолитные мембранные катализаторы |
| 459 |
| 9.2.2. Пористые мембранные катализаторы. Цеолитные мембраны |
| 459 |
| 9.2.3. Композиционные мембранные катализаторы |
| 462 |
| 9.2.4. Системы катализатор - мембрана |
| 463 |
9.3. Основные преимущества использования мембранных
катализаторов в реакциях с участием водорода |
| 464 |
| 9.4. Мембранные катализаторы реакций гидрирования |
| 465 |
| 9.4.1. Гидрирование в реакторах с монолитными металлическими мембранами |
| 465 |
| 9.4.1.1. Парофазное гидрирование |
| 466 |
| 9.4.1.2. Жидкофазное гидрирование |
| 472 |
| 9.4.2. Гидрирование на композиционных мембранных катализаторах |
| 474 |
| 9.5. Мембранные катализаторы реакций дегидрирования |
| 477 |
| 9.5.1. Дегидрирование на монолитных мембранах на основе палладия |
| 477 |
| 9.5.2. Системы катализатор - мембрана |
| 479 |
| 9.5.3. Сопряжение реакций в мембранных реакторах |
| 480 |
| 9.5.4. Мембранные микрореакторы |
| 481 |
9.6. Возможность применения мембранного катализа в основных
промышленных процессах производства водорода |
| 484 |
| 9.6.1. Дегидрирование углеводородов |
| 485 |
| 9.6.2. Паровой риформинг спиртов |
| 489 |
| 9.6.3. Переработка метана в мембранных реакторах |
| 493 |
| 9.6.3.1. Паровая конверсия метана |
| 495 |
| 9.6.3.2. Углекислотная конверсия метана |
| 496 |
| 9.6.3.3. Парциальное окисление метана |
| 497 |
| 9.6.3.4. Окислительное сочетание метана |
| 498 |
| 9.6.3.5. Неокислительное сочетание метана |
| 498 |
| 9.7. Заключение |
| 501 |
| Литература |
| 502 |
10. Нанокомпозитные полимерные протонообменмые мембраны
для топливных элементов (Ю.Л. Добровольский) |
| 510 |
| 10.1. Протонообменные мембраны |
| 513 |
| 10.2. Модификация протонообменных мембран наноразмерными компонентами |
| 519 |
| 10.3. Заключение |
| 534 |
| Литература |
| 534 |
| 11. Нанофильтрация органических сред (СМ. Царьков, А.А. Юшкин, А.В. Волков) |
| 539 |
| 11.1. Введение |
| 539 |
| 11.2. Принцип метода и основные характеристики |
| 540 |
| 11.3. Модельные подходы |
| 542 |
| 11.4. Мембранные материалы и мембраны для НФОС |
| 545 |
| 11.4.1. Эластомеры |
| 545 |
| 11.4.2. Стеклообразные полимеры |
| 548 |
| 11.4.2.1. Низкопроницаемые стеклообразные полимеры |
| 548 |
| 11.4.2.2. Высокопроницаемые стеклообразные полимеры |
| 550 |
| 11.4.3. Неорганические материалы |
| 551 |
| 11.5. Модификации мембран |
| 551 |
| 11.5.1. Мембраны со смешанной матрицей |
| 551 |
| 11.5.2. Плазмохимическая обработка мембран |
| 552 |
| 11.6. Области применения |
| 553 |
| 11.6.1. Нефтехимическая промышленность |
| 553 |
| 11.6.2. Пищевая промышленность |
| 555 |
| 11.6.3. Гомогенный катализ в органическом синтезе.. |
| 559 |
| 11.6.4. Выделение ионных жидкостей |
| 568 |
| 11.6.5. Фармакология |
| 570 |
| Литература |
| 572 |
| 12. Разделение жидкостей методом первапорации (И.Л. Борисов, В. А. Кирш, В. В. Волков) |
| 580 |
| 12.1. Принцип метода |
| 580 |
| 12.2. Общие закономерности выбора полимеров для первапорационных мембран |
| 585 |
| 12.3. Модельные подходы |
| 589 |
| 12.4. Основные разделительные задачи |
| 595 |
| 12.4.1. Разделение водно-органических смесей |
| 596 |
| 12.4.1.1. Выделение воды из органических растворителей и их смесей |
| 596 |
| 12.4.1.2. Выделение органических компонентов из водных сред |
| 598 |
| 12.4.2. Разделение смесей органических веществ |
| 600 |
| 12.5. Промышленные применения первапорации |
| 601 |
| 12.5.1. Производители первапорационных мембран и мембранных установок |
| 602 |
| 12.5.1.1. Гидрофильные мембраны |
| 603 |
| 12.5.1.2. Гидрофобные мембраны |
| 604 |
| 12.5.1.3. Органоселективные мембраны |
| 605 |
| Литература |
| 609 |
