Основная задача предлагаемой программы состоит в разработке мембран новых поколений с целенаправленно формируемой структурой, что позволит при выборе определенных режимов разделения повысить проницаемость и избирательность мембран по целевым компонентам с достижением стабильности функциональных характеристик мембран. При этом предполагается также осуществить широкий поиск новых возможностей мембранных технологий как по разработкам новых мембранных процессов для решения актуальных прикладных проблем, так и по оптимизации технологических схем существующих процессов.
Концептуальная основа данной программы - выход на сильно неравновесные режимы массо- и электромассопереноса через селективные мембранные слои с усилением роли внешних управляющих факторов (градиенты давления, температуры, электрического потенциала; контролируемое изменение состава среды; нестационарность воздействий) в процессах разделения. В этих условиях эффективность разделения в высшей степени оказывается зависящей от особенностей структуры мембран на различных пространственных масштабах, как это имеет место в самых эффективных - биологических мембранах. Такой подход к проблемам мембранного разделения в отличие от традиционных сегодня квазиравновесных подходов открывает принципиально новые возможности для повышения проницаемости и избирательности целевых компонентов при их переносе через мембрану. Для этого прежде всего требуется разработка новых подходов к синтезу мембранных материалов, к формированию мембранных слоев, к их модификациям.
Фактически речь идет о конструировании мембран на молекулярном уровне, о целенаправленном формировании "путей переноса" целевых компонентов (ионов, молекул, коллоидных частиц нанометровых размеров) с учетом всей совокупности определяющих их перемещение факторов - лигандного окружения, сольватных оболочек, действующих сил. В настоящее время эти идеи уже частично реализованы при разработках ряда отечественных мембран (ионообменных, первапорационных) на основе жесткоцепных полимеров. Ведутся исследования по конструированию обратноосмотических, некоторых типов газоразделительных, ультрафильтрационных мембран (трековых, с заряженной поверхностью). По ряду показателей создаваемые мембраны превысят уровень лучших зарубежных мембран соответствующего целевого назначения.
Принципиально новые возможности мембранного разделения могут быть достигнуты при формировании бездефектных мембранных слоев субмикронной толщины. В этом случае, как следует из теоретических результатов наших ученых, могут быть достигнуты аномально высокие значения избирательности переноса по целевым компонентам при общем высоком уровне проницаемости. Фактически речь идет о технике нанометровых масштабов для мембранного разделения, аналогичной наноэлектронике. Трудности практической реализации такой техники очевидны, и требуются значительные средства для постановки таких работ. В предлагаемом проекте программы такие работы планируются лишь в поисковом плане, для выявления возможных принципов новых технологий. При выделении финансирования можно было бы открыть конкурс на проведение таких работ, как и ряда других принципиальных для мембранной технологии пионерских исследований.
Таковыми, например, могут стать работы по использованию указанных выше внешних управляющих воздействий на перенос целевых компонентов, вплоть до реализации их активного переноса. Обычно такая ситуация реализуется при ионном транспорте (при концентрировании ионов в условиях электродиализа). В данной программе проблема ставится шире. Как показано нашими исследователями, в мембранных системах может реализовываться активный перенос и нейтральных, в частности, паровых компонентов (процесс "электропервапорации"). Фундаментальные и поисковые работы в этом направлении также могут привести к новым принципиальным результатам, к открытию новых мембранных процессов.
Впервые в государственную программу по мембранному направлению вводятся разделы по разработке химических мембранных сенсоров. Создание мембранных барьерных слоев на поверхности чувствительных элементов таких устройств позволяет существенно повысить селективность сенсоров и расширить тем самым возможности их эффективного применения в разнообразных производствах, при мониторинге состояния природной среды. В отличие от стандартных подходов к проблеме химических сенсоров в планируемых работах впервые для повышения чувствительности и избирательности сенсоров используются динамические методы анализа ("фликкер-шумовая спектроскопия").
В Программу включен также ряд традиционных для мембранной проблематики работ, в которых процессы переноса анализируются с квазиравновесных позиций. О молекулярном дизайне при синтезе мембран говорить пока сложно, однако все представленные в Программе проекты отвечают самым высоким профессиональным требованиям как по разрабатываемым новым мембранным материалам (полимерным органическим, керамическим и др.) с высокими функциональными показателями (химическая и термическая стойкость, стабильность свойств), так и по идеям интенсификации процессов мембранного разделения, по характеру предлагаемых новых мембранно-каталитических процессов, по разработкам мембранных реакторов и других комбинированных систем.
Выполнение работ в рамках единой программы с совместными обсуждениями, с координацией усилий различных групп ученых позволит не только выработать общие позиции участников по концептуальным основам программы, но и обеспечит высокий научно-технический уровень всех прикладных разработок, создаст условия для их практической реализации.
Решению проблем широкомасштабной реализации мембранной технологии будут способствовать следующие факторы:
- государственная поддержка мембранной науки и технологии, зафиксированная в указах Президента Российской Федерации, постановлениях и распоряжениях Правительства и его Комиссии по научно-технической политике;
- наличие в России квалифицированных исследователей, технологов, техников и рабочих, имеющих большой опыт по разработке, созданию и реализации в промышленности мембран, мембранной техники и технологии;
- высокая конкурентоспособность российских мембран, мембранных элементов и аппаратов, а также наличие их промышленных производств, которые при необходимости могут быть легко расширены;
- высокая степень подготовки для промышленной реализации. К настоящему времени изготовлены и испытаны на реальных средах головные образцы мембранного оборудования для очистки сточных вод, часть которого уже поставляется заказчикам, в т.ч. для регенерации отработанных моющих растворов и смазочно-охлаждающих жидкостей, разделения водомасляных эмульсий, стоков масложиркомбинатов, трюмовых вод судов, балластных вод танкеров, нефтесодержащих вод от очистки акваторий портов и платформ для добычи нефти в море и др. Производительность этих установок находится в диапазоне 150-6000 л. в час. Созданные станции комплексной очистки сточных вод от красителей и ПАВ обеспечивают 95% степень оборотного использования воды при диапазоне производительности от 5 до 50 куб. м.в час. Установки для очистки сточных вод гальванических производств обеспечивают 98% очистку от солей тяжелых металлов с диапазоном производительности от 1 до 25 куб. м. в час;
- утверждение Правительством ряда федеральных целевых программ, в которых значительное место отведено решению экологических и социальных проблем, где мембраны и мембранная технология могут внести существенный вклад в их реализацию ("Возрождение Волги", "Питьевая вода России", "Использование, восстановление и охрана водных ресурсов бассейна реки Оби", "Национальная технологическая база", "Защита окружающей природной среды и населения от диоксинов и диоксиноподобных токсикантов на 1996 -1997 годы" и др.);
- наличие региональных экологических и социальных программ, где уже в настоящее время используется мембранная технология (Москва, Владимир, Саратов, Нижний Новгород и др.).
В то же время, в связи с общим спадом производства, сложностями с оплатой мембранных установок промышленными предприятиями (проще и дешевле эти воды, более или менее разбавляя, сбрасывать), наблюдается резкое падение спроса на мембранную технику, хотя она сейчас в 2-3 и более раз дешевле импортных аналогов при одинаковом качестве. К этому необходимо добавить отсутствие какой-либо регулирующей системы закупки импортных мембран, мембранных элементов и установок; очень часто при наличии высококачественных отечественных аналогов, закупается импортная продукция (иногда по демпинговым ценам), забывая при этом, что расходы на заменяемые узлы и элементы установок через год-два будут сопоставимы с их полной стоимостью. С этим явлением ряд отечественных организаций столкнулись уже в 80-х годах, когда наши автомобильные заводы закупили ультрафильтрационное оборудование для регенерации грунтов после их нанесения на различные окрашиваемые автомобильные детали. Тогда НПО "Полимерсинтез", г. Владимир в соответствии с рядом постановлений Правительства разработал и создал производства ультрафильтрационных элементов, которые с успехом заменили импортные аналоги. Вообще говоря, сколько либо серьёзная реализация мембранной техники и технологий в настоящее время без поддержки государства или регионов в настоящее время проблематична. Там, где органы государственной власти уделяют этому вопросу достаточное внимание, налицо и соответствующий результат. Например, во Владимире при поддержке местной администрации практически во всех детских лечебных учреждениях, родильных домах, ряде клиник и школ установлены мембранные установки для получения высококачественной питьевой воды.