II «Ролдугинский» семинар «Неравновесные процессы в современных технологиях» посвящён переносу жидкости и газов через мембранные и пористые материалы
Девятнадцатого января 2026 года в Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук состоялось II заседание междисциплинарного ежегодного Ролдугинского семинара «Неравновесные процессы в современных технологиях».
Семинар был учреждён 18 января 2024 года, в день рождения выдающегося российского физикохимика доктора физико-математических наук профессора В.И. Ролдугина, на заседании Научного совета РАН по физической химии по инициативе лаборатории физикохимии коллоидных систем ИФХЭ РАН. В 2026 году Вячеславу Ивановичу исполнилось бы 75 лет.
На II семинаре были представлены четыре доклада: две теоретические и две экспериментальные работы, посвященные моделированию переноса жидкости и газа через мембраны, изучению микроструктурных характеристик и пористых материалов и надмолекулярной организации полимерных мембранных материалов.
Теоретические исследования движения жидкости и газа в мембранах
Д.ф.-м.н. профессор Анатолий Николаевич Филиппов (РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина) выступил с докладом «Сравнение ячеечной и капиллярной моделей заряженной мембраны».
Он рассказал о ячеечной модели заряженной мембраны, в которой мембрана рассматривается как система одинаковых заряженных пористых шаров, упакованных в тонкий пористый слой. Модель была предложена А.Н. Филипповым в 2018 г., математически описана и проверена на экспериментальных данных. Работы А.Н. Филиппова были опубликованы в 2018–2022 гг.
Сравниваемая с ней капиллярно-пористая модель заряженной мембраны представляет собой совокупность параллельных щелевидных пор, заполненных пористой средой и окруженных слоями чистой жидкости. Работы по этой теме были опубликованы А.Н. Филипповым в 2022–2025 гг.
Используя капиллярно-пористую модель заряженной мембраны и принимая во внимание принципы линейной термодинамики необратимых процессов (принцип взаимности Онзагера), А.Н. Филиппов вывел точные аналитические формулы для электроосмотической проницаемости и потоковой проводимости мембраны в водных растворах электролитов. Расчеты показывают, что электроосмотическая и потоковая проводимости заметно отличаются причем наиболее существенно — для концентраций электролита от 10-4 до 10-2 M, в зависимости от размера пор. Потоковая проводимость всегда меньше электроосмотической.
Обе модели: ячеечная и капиллярно-пористая — подтверждают диссимметрию перекрестных кинетических коэффициентов Онзагера. Сопоставление с экспериментальными данными показало, что модели могут быть использованы для определения структурных и физико-химических параметров макропористых стеклообразных мембран. Такие мембраны применяются в биотехнологии и микрореакционной инженерии. Пористые стёкла (в виде пластин, трубок, дисков и других форм) успешно используются в оптическом приборостроении в качестве активных элементов твердотельных жидкостных лазеров и твердотельных матриц для изготовления микрооптических элементов.
Д.ф.-м.н. профессор Валерий Вячеславович Угрозов (Финансовый университет) сделал доклад «Макромоделирование переноса газа через бислойную мембрану». Работа весьма актуальна, поскольку, в связи с активной разработкой композиционных мембран для газоразделительных и других мембранных технологий, совершенствование теоретических представлений о газопереносе в таких мембранах стало насущной необходимостью.
В ряде экспериментальных работ по газопроницаемости установлено, что коэффициенты проницаемости ряда газов через бислойную мембрану с тонкими селективными слоем (толщиной <1 мкм) могут зависеть от толщины селективного слоя, что не может быть объяснено в рамках традиционной мембранной модели переноса. В.В. Угрозов рассказал о предложенном им впервые подходе, в котором учитывается влияние конечной скорости адсорбции газа на поверхностях селективного слоя.
В.В. Угрозов отметил, что из-за наличия границы между двумя различными слоями бислойной мембраны может возникать дополнительное межслойное (поверхностное) сопротивление, существенно ограничивающее производительность и селективность современных высокоэффективных мембран. Ранее этот фактор не учитывался. В.В. Угрозов продемонстрировал выведенное им уравнение газового потока через бислойную мембрану, согласно которому величина межслойного сопротивления газопереносу определяется величинами скоростей кинетики адсорбции газа на границах мембранных слоев и растворимостью газа в полимерных слоях. Чем выше растворимость газа в слоях, тем меньше межслойное сопротивление и тем больше проницаемость бислойной мембраны. При разделении газов межслойное сопротивление не только влияет на проницаемость мембраны, но и может заметно изменять селективность процесса разделения, причем как улучшить, так и ухудшить.
В.В. Угрозов также рассказал об определении параметров газопроницаемости — коэффициентов сорбции и диффузии газа в мембранных слоях из экспериментальной кинетической кривой сорбции газа бислойной мембраной с помощью метода моментов, в основе которого лежит принцип равенства моментов, полученных аналитически из модели кинетики сорбции и рассчитанных из экспериментальной кинетической кривой сорбции. В работе впервые для расширения возможностей метода моментов предложено использовать моменты кинетической кривой любого, а не только целого порядка. Впервые получена аналитическая формула для вычисления моментов кинетической кривой сорбции любого неотрицательного порядка, позволяющая вычислить коэффициент диффузии.
Экспериментальное исследование поведения несмачивающей жидкости внутри пористого материала
К.ф.-м.н. доцент Антон Анатольевич Белогорлов (НИЯУ МИФИ) в докладе «Исследование процесса «заполнение — вытекание» в системе «несмачивающая жидкость — нанопористый материал» методами жидкостной порометрии и малоуглового рассеяния нейтронов» рассказал о явлении гистерезиса и невытекания несмачивающей жидкости из цилиндрических пор. Явление невытекания, при котором несмачивающая жидкость не полностью вытекает из пористого тела при сбросе избыточного давления, может быть использовано для демпфирования ударных воздействий, аккумулирования механической энергии, для выделения лекарственных веществ в фармацевтике. Также на нём может быть основано создание пассивных систем защиты, например, термического ключа для ядерных энергетических установок.
В докладе представлены результаты исследования гистерезиса, невытекания, распределения пор по размерам, методами, основанными на жидкостной порометрии. Обсуждены оригинальные подходы к изучению релаксации несмачивающей жидкости в порах, определения функции распределения пор по размерам невытекшей жидкости, а также релаксации частично заполненных пор. Кроме того, А.А. Белогорлов рассказал о применении метода малоуглового рассеяния нейтронов для определения степени заполнения пористого материала.
Синхротронные исследования полимерных материалов для мембранных технологий и биомедицины
Д.х.н. профессор Дмитрий Анатольевич Иванов (МГУ, НТУ «Сириус», ФИЦ ПХФ и МХ РАН) в докладе «Синхротронные методы исследования надмолекулярной структуры сополимерных систем для мембранных технологий и биомедицины» рассказал, что синхротронные источники излучения позволяет детально анализировать процессы структурообразования полимерных систем.
Дмитрий Анатольевич рассказал о разрабатываемых в его лаборатории перспективных полимерных материалов для биомедицины и энергетики. Он подчеркнул, что имитация мягких тканей человеческого тела — сложная задача. При малых деформациях они являются сверхмягкими, но их прочность резко увеличивается (для кожи — в 800 раз) при деформациях средних. Щеточные (гребнеобразные) сополимеры, боковые цепи которых отталкиваются друг от друга, являются таким сверхмягким материалом, механику которого можно подгонять под биологические ткани. Д.А. Иванов продемонстрировал результаты исследования гелирования щеточных сополимеров на синхротронном источнике.
Д.А. Иванов также продемонстрировал, как структурный анализ может быть полезен в изучении функционировании протонообменных мембран типа Нафион.
«В I Ролдугинском семинаре приняли участие более 70 человек, — подвёл итог семинара его председатель, заведующий лабораторией физикохимии коллоидных систем ИФХЭ РАН кандидат химических наук Иван Сенчихин. — В этом году участников тоже немало. Все доклады активно обсуждались. Это свидетельствует об интересе научного сообщества к мероприятию. На странице лаборатории физикохимии коллоидных систем ИФХЭ РАН представлен список статей В.И. Ролдугина, и, если коллеги желают ознакомиться с той или иной работой, наша лаборатория готова в этом помочь. Также мы, с разрешения присутствующих, разместим на сайте института видеозапись заседания, что даст возможность большему числу людей ознакомиться с сегодняшней работой семинара».
Текст: Ольга Макарова.
Источник: ИФХЭ РАН
.
