ИСТИНА

Представлены результаты теоретического и практического исследования процессов массопереноса через мембраны, образованные из слоев квазидвумерных соединений, обладающих гидрофильной (оксид графена, слоистые карбиды титана, дисульфид молибдена) и гидрофобной поверхностью (графен, нанолисты CdTe в оболочке олеиновой кислоты). Изучены механизмы транспорта в данных системах и показана возможность реализации процессов разделения компонентов по механизмам конфигурационной диффузии, транспорта с переносчиками и капиллярной конденсации в межслоевом пространстве в зависимости от межплоскостного расстояния и химичсекого состава поверхности нанолистов. С использованием данных классов мембран показана возможность эффективного разделения в парах H2O/N2, H+/H2O, H2/CH4, NH3/H2, C4H10/CH4 и др. В ходе работ достигнуты рекордные показатели проницаемости и селективности тонких (50-200 нм) селективных слоев модифицированного оксида графена по парам воды (P(H2O) ~100 м3/(м2•бар•ч); S(H2O/N2) > 5•104), а также продемонстрирована высокая производительность мембран в процессах осушения газов (более 30 м3/(м2•ч) по сырьевому газу) и первапорационного опреснения (до 10 кг/(м2•ч) при 60 °C) [1]. Для установления особенностей транспорта воды в нанощелях использованы методы in situ и in operando мониторинга межслоевого расстояния с применением синхротронного излучения. Обнаружено, что механизм транспорта изменяется по мере сорбции пенетранта и увеличения межплоскостного расстояния, что связано с изменением энтропийного фактора и активационного барьера диффузии [2]. На величину активационного барьера также значи-тельно влияет плотность функциональных групп на поверхности нанолистов. Показано, что транспорт молекул воды через сильно окисленный оксид графена (C/O ≈ 1.8) проходит зна-чительно легче, чем через восстановленную форму (C/O ≈ 2.1) и существенно затрудняется при интеркаляции ионов в межслоевое пространство. Энергии активации транспорта экспе-риментально определены на основе температурных зависимостей проницаемости и ширины нанощели в процессах транспорта паров и первапорациии подтверждены теоретически с по-мощью полуэмпирических моделей. Показано, что контролируемое изменение межплоскост-ного расстояния с помощью молекул-спейсеров или фиксация размеров щели между наноли-стами с помощью интеркалированных ионов или молекул, а также изменения химического состава оксида графена позволяет создавать мембранные материалы с заданными транспорт-ными характеристиками. Кроме того, изменение межслоевого расстояния с помощью внеш-них воздействий (с помощью температурно-контролируемой адсорбции или конфигурации спейсеров) позволяет регулировать производительность таких мембран непосредственно в процессе эксплуатации, что открывает путь к созданию новых классов “умных” мембранных материалов. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, грант № 23-13-00195. Список литературы: 1. Gurianov K.E. et al. Pervaporation desalination with graphene oxide membranes: The influence of cation type and loading // Desalination. 2023. V. 547. N. 116238. 2. Eliseev Aк.A. et al. Temperature controlled swelling of graphene oxide for switchable dehumidification membranes //Journal of Membrane Science 2024. V. 690 (122213).