В КБГУ продолжают исследования мембран для очистки воды: они выдерживают 270 часов в автоклаве и сотни циклов стерилизации
Ученые из Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова и Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН создали мембраны из полифениленсульфона, которые выдерживают многократную паровую стерилизацию в автоклаве. После 270 часов обработки материал сохраняет производительность и способность задерживать загрязнения. Рассказываем, как проходили исследования и какие перспективы открывает научная работа.
Ультрафильтрационные мембраны используют для очистки воды от взвешенных частиц, бактерий и вирусов. Материал применяют на станциях водоподготовки, в пищевой промышленности, фармацевтике и лабораториях. Основную проблему эксплуатации связывают с тем, что при фильтрации мембрана постепенно забивается. Ее приходится регулярно стерилизовать.
Ученые КБГУ подобрали полимер, который выдерживает интенсивную обработку паром — полифениленсульфон (ПФСФ). Этот материал известен высокой термической и гидролитической устойчивостью и используется для изготовления медицинских контейнеров, лотков, а также рукояток инструментов. Такие изделия можно многократно стерилизовать в автоклаве.
— Мы синтезировали около 30 образцов ПФСФ, варьируя его условия, растворители, молекулярно-массовые характеристики и химическую структуру концевых групп. В результате выбрали полимер, из которого удалось получить высокопроницаемые половолоконные мембраны, — комментирует ведущий научный сотрудник Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий КБГУ Илья Борисов.
По его словам, дальнейшие исследования посвятили оптимизации состава формовочного раствора, получению мембранных модулей и проверке их стабильности при частой паровой стерилизации.
Как разработали мембраны
Исследования начались в 2022 году и велись в двух научных центрах. В КБГУ занимались синтезом полифениленсульфонов, изучением их химической структуры и основных физико-химических характеристик. ИНХС РАН отвечал за превращение полимера в работающую мембрану и оценку ее эксплуатационных свойств.
После получения высокопроницаемых образцов ученые разбирались, как на них влияет циклическая обработка в автоклаве. Каждый цикл включал нагрев в течение 40 минут, после чего начиналась выдержка при рабочей температуре — около 4–5 часов. После отключения автоклава система охлаждалась, а затем цикл повторяли. Суммарная продолжительность выдержки в условиях паровой обработки достигла 270 часов.
В ходе экспериментов ПФСФ-мембраны сохранили рабочие характеристики, исходную производительность и высокую задерживающую способность. Это отличает полимер от других материалов — полисульфона, полиэфирсульфона и поливинилиденфторида, которые тоже популярны в водоочистке. Интерес ученых к ПФСФ связан с потенциальным совмещением его устойчивости к стерилизации с преимуществами полимерных половолоконных мембран. Речь о малой массе, высокой удельной площади фильтрации и возможности получения компактных модулей.
— При длительном воздействии паром преимущества ПФСФ становятся особенно заметны, — отмечает Илья Борисов. — Однако устойчивой к нагреву и охлаждению нужно сделать не только мембрану, но и другие элементы, которыми половолоконные мембраны закрепляются и герметизируются внутри модуля. Иначе срок службы всей системы будет определяться уже не мембраной, а наиболее слабым элементом конструкции.
Срок службы и перспективы
Ученые не зафиксировали момента, когда мембрана теряет работоспособность, поэтому пока нельзя назвать точный срок ее службы. Он будет зависеть не только от стерилизации, но и от состава фильтруемой жидкости, загрязнения мембраны, режима ее очистки и регенерации. Если сравнить эксперимент с реальной 20-минутной процедурой автоклавирования, ПФСФ выдержал воздействие пара, эквивалентное 810 стандартным циклам по суммарному времени.
Полифениленсульфон относится к дорогим инженерным полимерам, но при оценке важно учитывать стоимость эксплуатации за весь срок службы. При этом материал отличается долговечностью: по прогнозам авторов, он может оказаться экономически выгоднее в расчете на полный период использования.
— Одним из наиболее важных направлений мы считаем получение безопасной пресной воды, особенно в удаленных и труднодоступных районах, где строительство полноценной централизованной системы водоподготовки затруднено или экономически нецелесообразно. Ультрафильтрационные мембраны позволяют удалять из пресной воды взвешенные частицы и вредоносные микроорганизмы, снижая риск инфекционных заболеваний, связанных с употреблением загрязненной воды, — подчеркивает Борисов.
Второе перспективное направление — фармацевтика, биотехнология, пищевая промышленность и медицина. В таких системах многократная обработка горячим паром помогает обеззаразить оборудование без применения дополнительных химических дезинфицирующих реагентов и повторно использовать мембранный модуль.
Группа соавторов продолжает исследования и сосредоточена на нескольких направлениях. Ученым предстоит выяснить, сколько циклов «фильтрация — очистка — стерилизация» выдерживает материал до заметного ухудшения характеристик. В планах провести испытания на реальных средах и разработать мембранный модуль, элементы которого обладают ресурсом, сопоставимым с ресурсом ПФСФ-мембраны. Это позволит масштабировать технологию и перейти к производству крупных партий для реальных заказчиков.
