Ученые создали мембрану для получения особо чистого кислорода

Российские ученые из Института металлургии и материаловедения (ИМЕТ) РАН разработали новую двухслойную мембрану с ускоренным переносом кислорода. Она может использоваться в микро- и наноэлектронике, фармацевтической промышленности и области биотехнологий. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья об исследовании опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Разделение смеси газов, в том числе воздуха, является важной частью химической промышленности. Благодаря этому процессу получают, например, чистый кислород, который в сжиженном виде используется в качестве окислителя ракетного топлива, а также служит реагентом для синтеза целого комплекса веществ. Получают чистый жидкий кислород путем разделения воздушной смеси на ее составляющие, в основном на азот и кислород. Провести разделение воздуха можно тремя методами: криогенным, адсорбционным и мембранным. Криогенный метод основан на разности температур перехода компонентов воздушной смеси из газообразного состояния в жидкое. В адсорбционном методе используются способность некоторых веществ – сорбентов – избирательно поглощать газы из окружающей среды. Мембранный метод основан на выборочном пропускании различных газов через мембрану. Эффективность такого метода получения кислорода и чистота газа целиком зависят от характеристик мембраны.

Сотрудники ИМЕТ РАН разработали и получили двухслойный композитный мембранный материал на основе оксидов меди и ванадия, а также изучили его транспортные свойства. Этот материал состоит из плотного внешнего слоя (с высокой проводимостью ионов кислорода и электронов) и внутреннего слоя, в котором происходят окислительно-восстановительные реакции и барботирование кислорода (пропускание газа через жидкую среду). Внешний слой мембраны выступает в роли разделителя, внутренний – выполняет транспортную функцию, то есть переносит молекулы кислорода в реакционную среду. Ранее ученые уже получали расплавно-оксидные мембраны, однако они не обладали достаточной рентабельностью для внедрения в промышленное производство. Эту проблему исследователи решили в новой разработке.

Получение мембраны проходило в два этапа. На первом этапе формировался керамический композитный материал, состоящий из оксидов меди и ванадия. На втором этапе его подвергали нагреву выше температуры 816 °С, обдувая внешнюю сторону образца воздухом, а внутреннюю – гелием. В таком режиме образец выдерживали полчаса, после чего получался двухслойный материал, в котором внешний и внутренний слои содержали как твердую, так и жидкую фазы.

«Мы получили новый мембранный материал, обладающий высокой избирательной проницаемостью по кислороду. Принцип работы этого мембранного материала основан на ускоренном диффузионно-барботационном переносе кислорода. Разработанный нами мембранный материал имеет значительный инновационный потенциал для применения в технологии разделения газов», – говорит руководитель гранта, заведующий лабораторией функциональной керамики, доктор физико-математических наук Валерий Белоусов.