ИСТИНА

Определение ключевых параметров, определяющих скорость массопереноса в каналах двумерных слоистых соединений и разработку мембранных материалов для реализации практически важных задач разделения, включая процессы первапорации, газоразделения и обессоливания.

The project is aimed to elaboration of basic principles for controlling mass-transfer in 2D-layered membranes and development of membrane materials for practically important separation tasks including pervaporation, gas conditioning, and reverse osmosis desalination. The transfer of matter through stacked nanoflakes occurs through two channels: intralayer transport, governed by the nanoslit width, and the interlayer transport, determined by the concentration of defects and the size of the flakes. While the structure of flakes is considered stable, the size of the nanoslit in van der Waals systems is affected by the external conditions and can vary from 0.6 to >2.0 nm (up to 6 nm) depending on the operating regime (pressure, temperature, humidity, environment). That, in turn, significantly influences mass transfer. However, due to the novelty of the systems, those correlations have not been comprehensively studied yet. To elaborate the key correlations between the microstructure and diffusion parameters of membranes, we intend to use 2D-layered systems with varied nanoflake sizes, defect density and surface energy (hydrophilicity). Those will include graphene oxides (with various oxidation levels), modified graphene oxides, layered carbides of MXene family, layered double hydroxides, layered dichalcogenides. Gas-tight membranes based on ultrathin (down to 20-200 nm) selective layers of nanoflakes would be formed via spin coating technique, pressure assisted filtration and spray coating technique using porous polymer and inorganic substrates. The permeability of formed composite membranes will be studied towards gases (H2, He, CH4, N2, C2H6, O2, CO2, SF6, etc.), vapors (H2O, CnH2n+2, CnH2n+1OH, CnH2nO, etc.), liquids (H2O, CnH2n+2, CnH2n+1OH, CnH2nO, etc.) and solution components (alkali and alkali earth ions) would be investigated at various conditions. We suggest the use of 2D-layered systems will allow varying the contributions of intra- and interlayer transport, governing permeability and selectivity of membranes. At once, the low thickness of the selective layers will provide high performance of membranes required for industrial applications (>10 nm3·m-2·bar-1·h-1 for H2O and CnH2n+2). To establish the dynamically varied d-spacing we intend routine use of grazing incidence X-ray diffraction, including in-situ and in-operando experiments, reproducing the operating conditions of membranes. We assume this experimental data will allow to develop a comprehensive model for the description of mass-transfer in nanoslits and to predict membrane performance depending on the process conditions. The project includes prediction, development and testing of modified membranes with the improved performance.

1. Bottom-up и top-down методики формирования суспензий нанолистов различного химического состава, включая оксид графена и восстановленный оксид графена, слоистые карбиды переходных металлов, а также халькогениды переходных металлов 2. Образцы суспензий нанолистов различного химического состава. 3. Методики формирования бездефектных селективных слоев на поверхности пористой мембраны путем фильтрации суспензии под давлением, нанесения суспензии на вращающуюся подложку или же распыления суспензий. 4. Образцы мембран с селективным слоем, сформированным из нанолистов различного состава. 5. Результаты исследования микроструктуры полученных нанолистов и селективных слоев на основе данных нанолистов. 6. Методика экспериментального определения межслоевого расстояния в слоистых мембранах методом малоугловой и широкоугловой дифракции при скользящем падении пучка в режимах in situ и in operando 7. Результаты исследования равномерности упаковки нанолистов в селективных слоях мембран, сформированных различными способами. Результаты исследования процессов интеркаляции различных соединений в межслоевое пространство (в том числе в режиме in situ) 8. Результаты исследования зависимости межслоевого расстояния от степени окисленности структур на основе оксида графена. 9. Результаты предварительного исследования мембран на основе нанолистов в процессах газоразделения, жидкостного разделения, первапорации и капиллярной конденсации

Коллектив участников проекта занимается изучением мембранных материалов с 2005 года. За это время авторами заявки были изучены механизмы переноса газов в промежуточном режиме, в режиме капиллярной конденсации и при реализации критического потока в наноканалах различной размерности. Также изучены процессы течения жидкости в одномерных наноканалах. Предложены подходы к формированию мембран на основе различных нанолистов, как, например, оксид графена, карбид титана или теллурид кадмия. Руководитель (https://istina.msu.ru/profile/aaeliseev/) и ответственные исполнители проекта (https://istina.msu.ru/profile/Dmitrii_Petukhov/) в ходе своей научной работы опубликовали более ста статей по тематике исследования мембран и мембранной технологии, половина из которых опубликована в высокорейтинговых журналах входящих в первый квартиль.

Выполняемый проект направлен на разработку модели транспорта вещества в двумерных наноканалах, позволяющей прогнозировать разделительные характеристики двухмерных слоистых мембран при различных условиях проведения процесса разделения. Помимо научной ценности данного результата, он откроет пути для технологического использования двумерных мембран в различных задачах разделения. Поскольку данные мембраны имеют уникально высокое соотношение проницаемости и селективности, то мы предполагаем перспективность их применения в промышленных процессах осушения, опреснения и производства биоэтанола. В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты: 1. Разработаны методы синтеза стабильных суспензий нанолистов и двумерных селективных слоев на их основе. 2. Получены данные о микроструктуре сформированных селективных слоев, в том числе данные об упорядоченности упаковки нанолистов в слое, также будет проведена количественная оценка дефектов в сформированных слоях. 3. Будет установлена корреляции между размером пенетранта и межслоевым расстоянием в двумерных слоистых мембранах. Проведена оценка ширины нанощелей, доступных для диффузии различных молекул. 4. Определены основные взаимоотношения между межслоевым расстоянием в слоистых мембранах и их производительностью/разделительными характеристиками. Эксперименты для определения данных взаимосвязей будут проводиться в режиме эксплуатации мембарн. 5. Определена производительность двумерных мембран в процессах разделение водно-спиртовых смесей, обезвоживания органических растоврителей, обратного осмоса и нанофильтрации. 6. Будет предложена модель переноса газов и жидкостей в двумерных наноканалах. 7. Будут предложены пути модификации мембран для стабилизации величины межплоскостного расстояния. Что позволит повысить долговременную стабильность мембран. 8. Будут даны рекомендации по применению сформированных мембран в различных технологических процессах. Все это позволит предложить новый класс мембранных материалов, перспективных для промышленного использования. Высокая востребованность полученных результатов определяется большим объемом рынка мембранных материалов (около 17 млрд. $) в 2021 году, а также непрерывным ростом данного рынка и постоянным внедрением мембранных технологий в новые и новые технологические процессы. Кроме того, разработанные мембраны могут быть использованы при решении глобальных вызовов, стоящих перед человечеством – в частности решение проблемы дефицита пресной воды или снижение атмосферных выбросов технологических процессов.