Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева (ИНХС) РАН применили принцип работы 3D-принтеров для быстрого получения тестовых образцов половолоконных полимерных мембран. Это позволило сократить расход материалов и время получения образцов, что уменьшило стоимость разработки новых мембран в 30 раз. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда и опубликовано в международном журнале Membranes.
Руководитель гранта РНФ Татьяна Анохина (слева) и исполнитель Алиса Раева
Фото: T.Anokhina et al / Membranes
Руководитель гранта РНФ Татьяна Анохина (слева) и исполнитель Алиса Раева
Фото: T.Anokhina et al / Membranes
Сегодня для разделения жидких и газовых смесей используются мембраны — тонкие «барьеры», которые, подобно молекулярному фильтру, пропускают только нужные вещества. Они могут быть как плоскими, так и половолоконными, в виде тонких полых пористых или непористых капилляров, диаметр которых иногда сопоставим с толщиной человеческого волоса. Основное преимущество половолоконных мембран в том, что их можно очень плотно упаковать в небольшой модуль. Так, модуль диаметром всего 20 см и длиной 1 м может содержать тысячи волокон, а их суммарная полезная площадь сопоставима с площадью двух волейбольных площадок.
Традиционно в промышленности подобные мембраны получают «осаждением путем погружения», при котором вязкий раствор мембранообразующего полимера в органической жидкости «продавливают» через кольцевую щель специальной фильеры в жидкость — осадитель. Растворитель переходит из полимерного раствора в осадитель, полимер осаждается и образует полое волокно.
Для различных разделительных задач (например, для очистки воды или для разделения воздуха) зачастую требуется разработка новых мембран с необходимыми транспортными и разделительными свойствами. Для этого физикохимики тщательно исследуют и выбирают такое сочетание полимеров, органических растворителей и осадителей, которое позволит сформировать мембрану с необходимой структурой и свойствами. Этот подбор осложняется ресурсоемким получением тестовых образцов мембран на многофункциональных исследовательских установках, требующих большого расхода материалов. Зачастую новые полимеры, растворители и осадители дороги в получении, что, в свою очередь, заметно влияет на стоимость разработки новых мембран.
Изображения изготовленных на манипуляторе образцов половолоконных мембран
Фото: T.Anokhina et al / Membranes
Изображения изготовленных на манипуляторе образцов половолоконных мембран
Фото: T.Anokhina et al / Membranes
Именно поэтому ученых из ИНХС РАН (Москва) привлек принцип работы 3D-принтеров, а именно «картезианская кинематика» перемещения печатающей головки, то есть программируемое перемещение положения головки относительно платформы принтера по одной или нескольким из трех осей — X, Y, Z. Этот принцип лег в основу создания манипулятора для получения образцов половолоконных мембран на основе устройства для 3D-печати. Печатающую головку 3D-принтера исследователи заменили на шприц с иглой, а на рабочей платформе закрепили матрицу с емкостями, содержащими различные варианты полимерных растворов и осадителей. Задавая алгоритм движения головки и платформы, иглу последовательно опускали в полимерный раствор, а затем — в осадитель, получая таким образом образцы волокон длиной 35–75 мм. Такой длины уже достаточно для определения транспортных и разделительных свойств будущих мембран.
Данный подход настолько технически прост, что всего за 29 часов авторам удалось изготовить серию представительных образцов половолоконных мембран из 12 формовочных растворов полисульфона, а объемы этих растворов не превышали 1 куб. см.
«Наш метод позволил в кратчайшие сроки подобрать оптимальное сочетание “полимерный раствор—осадитель” для получения мембран с необходимыми характеристиками, что в традиционном варианте заняло бы три недели. Разработанный способ позволяет значительно сократить время изготовления новых мембран и уменьшить объемы используемого полимера, что делает данный подход перспективным для исследования дорогих или новых мембранных материалов»,— прокомментировала руководительница проекта Татьяна Анохина, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории полимерных мембран ИНХС РАН.
Использованы материалы статьи «Express Method of Preparation of Hollow Fiber Membrane Samples for Spinning Solution Optimization: Polysulfone as Example»; Tatyana Anokhina, Alisa Raeva, Sergey Makaev, Ilya Borisov, Vladimir Vasilevsky, Alexey Volkov; журнал Membranes, май 2021