Development and investigation of novel membranes based on polyetherblockamide modified with metal–organic frameworks

Abstract

В последнее время для получения чистой воды для бытовых нужд, медицины, химической и фармацевтической промышленности мембранные процессы приобрели значительную популярность, так как они являются высокоэффективными, экологичными и ресурсосберегающими методами, которые соответствуют принципам устойчивого развития. Мембранные процессы позволяют решать широкий спектр задач по водоочистке, включая удаление взвешенных частиц, бактерий, вирусов, тяжелых металлов, органических соединений (фенол, фурфурол, спирты) и других загрязнителей. С появлением новых мембранных материалов сфера применения этих методов продолжает расширяться. Одним из эффективных и широко распространенных методов является первапорация, так как данный процесс позволяет разделять азеотропные смеси, а также смеси термически нестабильных веществ (ацетон и метанол, смесь эфиров, ацетон и толуол), используя компактное оборудование и низкое энергопотребление, при этом данный метод является хорошей альтернативой традиционным методам разделения жидких смесей. Главной задачей в области мембранных процессов остается создание и изучение новых материалов, обладающих достаточной селективностью разделения и производительностью. Полимерные мембраны со смешанной матрицей (МСМ), которые состоят из полимера и модификатора (неорганического и/или органического), нашли широкое применение в первапорации, так как обладают улучшенными характеристиками по сравнению с немодифицированными мембранами. В данной работе были получены и исследованы новые диффузионные и композиционные мембраны на основе полиэфирблокамида (ПЭБА), модифицированные металлорганическими каркасными структурами на основе гольмия (Ho-MOFs): Ho-1,3,5-H3BTC, Ho-1,2-H2BDC, Ho-1,4-H2BDC. Выбор модификаторов обусловлен уникальными свойствами Ho-MOFs, такими как высокая пористость, хорошая химическая и термическая стабильность, а также регулируемые химические свойства. Разработанные МСМ были охарактеризованы с помощью сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии, термогравиметрическим анализом, измерением углов смачивания и равновесного набухания мембран. Транспортные свойства были исследованы в процессе первапорации смеси вода/изопропанол. Было показано, что введение модификаторов в матрицу ПЭБА привело к существенному улучшению транспортных и физико-химических свойств мембран. Данные мембраны могут быть перспективными для промышленного применения в процессах водоочистки от органических примесей.

Recently, membrane processes have gained considerable popularity for obtaining clean water in domestic, medical, chemical and pharmaceutical industries, as they are highly efficient, environmentally friendly and resource-saving methods in line with the principles of sustainable development. Membrane processes can solve a wide range of water treatment problems, including the removal of suspended solids, bacteria, viruses, heavy metals, organic compounds (phenol, furfural, alcohols) and other contaminants. With the advent of new membrane materials, the scope of these processes continues to expand. One of the most effective and widely used methods is pervaporation, since this process allows the separation of azeotropic mixtures, as well as mixtures of thermally unstable substances (acetone and methanol, a mixture of esters, acetone and toluene), using compact equipment and low energy consumption, while this method is a good alternative to traditional methods of separation of liquid mixtures. The main task in the field of membrane processes remains the creation and study of novel materials with sufficient separation selectivity and productivity. Polymer mixed matrix membranes (MMM), which consist of a polymer and a modifier (an inorganic and/or organic), have been widely used in pervaporation processes because of their improved properties compared to unmodified membranes. In this work, novel dense and supported membranes based on polyether block amide (PEBA), modified by Ho-based metal-organic framework: Ho-1,3,5-H3BTC, Ho-1,2-H2BDC, Ho-1,4-H2BDC were prepared and investigated. The choice of modifiers is due to the unique properties of Ho-MOFs, such as high porosity, good chemical and thermal stability, as well as adjustable chemical properties. The developed MMMs were characterized using scanning electron and atomic force microscopy, thermogravimetric analysis, contact angles measurement and equilibrium swelling of the membranes. The transport properties were investigated in the pervaporation of the water/isopropanol mixture. It was shown that the introduction of modifiers into PEBA led to a significant improvement in the transport and physicochemical properties of membranes. These membranes may be promising for industrial applications in water purification processes from organic contaminants.