Учёные КБГУ создали мембраны, выдерживающие 270 часов стерилизации паром

Учёные Кабардино-Балкарского государственного университета имени Х. М. Бербекова совместно со специалистами Института нефтехимического синтеза РАН разработали половолоконные мембраны для очистки воды. Материал выдержал многократную стерилизацию перегретым паром и после 270 часов испытаний сохранил механические свойства, пористую структуру и скорость фильтрации.

‹›

Результаты исследования опубликованы в журнале Separation and Purification Technology. Мембраны такого типа состоят из множества тонких пористых трубочек: вода проходит через их стенки, а частицы растворённых веществ, бактерии и вирусы задерживаются. Из подобных волокон можно собирать компактные фильтрующие модули.

Сейчас для производства половолоконных мембран часто используют полисульфон, полиэфирсульфон и поливинилиденфторид. При эксплуатации на поверхности фильтров могут образовываться биоплёнки — скопления микроорганизмов, которые затрудняют прохождение воды, увеличивают энергопотребление и сокращают срок службы оборудования.

Для удаления биоплёнок мембраны стерилизуют в автоклаве. Однако повторный нагрев способен деформировать поры: они меняют размер и форму, из-за чего фильтр начинает работать менее эффективно. Поэтому материал должен одновременно обеспечивать очистку воды и переносить регулярную обработку паром под давлением.

Испытания полимеров и мембран

Исследователи синтезировали около 30 вариантов полифениленсульфона — термостойкого полимера. Специалисты изучили химическую структуру и молекулярную массу образцов, после чего выбрали наиболее подходящий материал. В ИНХС РАН из него изготовили половолоконные мембраны и проверили их пористость, прочность, скорость прохождения воды и способность задерживать примеси.

Затем образцы подвергали повторным циклам обработки в автоклаве при температуре 121 °C и давлении 1,3 бар. Общая продолжительность воздействия достигла 270 часов. После испытаний волокна сохранили форму, пористую структуру, скорость фильтрации и способность удерживать загрязнения.

Авторы отмечают, что предельный срок службы мембран в эксперименте определить не удалось: испытания завершились до появления признаков разрушения материала. Полученный результат, по их оценке, указывает на значительный запас устойчивости.

Возможные области применения

Разработка может использоваться для получения безопасной пресной воды в небольших поселениях и труднодоступных районах, где строительство централизованной системы водоподготовки затруднено или экономически нецелесообразно. Мембраны также потенциально подходят для процессов, в которых требуется регулярная стерилизация оборудования: в медицине, фармацевтике, пищевой промышленности и биотехнологиях.

Многократное использование фильтрующих элементов после обработки паром может снизить расходы на замену, уменьшить простои оборудования и сократить объём отходов. По словам исследователей, сочетание эффективности фильтрации и устойчивости к стерилизации создаёт предпосылки для ультрафильтрационного удаления патогенов из воды.

На следующем этапе учёные планируют испытать мембраны на реальных рабочих средах, определить их фактический срок службы и изучить влияние загрязнения, очистки и давления. После этого предстоит разработать мембранный модуль и перейти от лабораторного производства к выпуску крупных партий. Исследование поддержал Российский научный фонд в рамках проекта № 22-19-00711.