— Мы синтезировали около 30 образцов ПФСФ, варьируя 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 четырех-пяти 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.