Polymerní membrány
Membránové vědy a technologie jsou v dnešní době považovány za významný nástroj pro řešení některých důležitých globálních problémů, jakými jsou například problémy s nedostatkem pitné vody, odstraňování ekologických zátěží, apod. Hlavními výhodami membránových technologií oproti tradičním řešením (jako např. destilace, absorpce...) jsou: až 10krát nižší spotřeba energie, nízké investiční i provozní náklady, malé rozměry, minimální ekologické zatížení. Nejrozšířenějšími membránovýcmi technologiemi jsou odsolování mořské vody technologií reversní osmózy, úprava pitné vody a čištění odpadních vod technologiemi mikrofiltrace, ultrafiltrace, elektrodialýzy. V lékařství se významně uplatňuje čištění krve pomocí hemodialýzy. Dynamicky se rozvíjí také membránová separace plynů.
Výzkum je zaměřen na přípravu různých typů membrán na bázi nových polymerních i kompozitních materiálů pro využití v membránových technologiích jakými jsou membránové separace plynů, elektrodialýza, alkalická elektrolýza vody, palivové články a enantioselektivní separace opticky aktivních látek. Výzkum je dále zaměřen na charakterizaci nově připravených materiálů, a to jak z hlediska vnitřní struktury, termických a mechanických vlastností, tak i transportních (separačních) vlastností.
Membránová separace plynů
Membránové separace plynů jsou relativně mladou membránovou technologií, jejíž současný dynamický rozvoj je ovlivněn výsledky intenzivního materiálového výzkumu. Významné místo v membránových separacích plynů zaujímají polymerní materiály. Díky přítomnosti volného objemu mezi makromolekulami jsou tyto materiály schopny separovat plyny na molekulární úrovni (menší molekuly pronikají volným objemem snáze než molekuly větší). Také silové interakce molekul plynů s makromolekulami polymeru mohou mít významný vliv na propustnost a separační účinnost membrán. Takové membrány pak mají schopnost dělit plyny na základě jejich odlišné rozpustnosti v polymerním materiálu.
V našem oddělení se věnujeme syntézou nových materiálů na bázi polymerů a (nano)kompozitů vhodných pro účinnou separaci plynů. Velká pozornost je věnována syntéze nových typů polyimidů (patřících do skupiny tzv. "high-performance" polymerů), které se vyznačují nejenom výbornými transportními vlastnostmi pro plyny, ale také výbornou mechanickou, chemickou a termickou odolností. U nově připravených materiálů jsou charakterizovány strukturní parametry, termické, mechanické a chemické stability, morfologie a transportní vlastnosti pro vybrané plyny.
Vybrané materiály, které splňují určité podmínky nezbytné pro další možné aplikace, jsou připravovány v ultratenkých vrstvách, které jsou mechanicky podporovány speciálními porézními podložkami. Takto vzniklé kompozitní membrány se vyznačují řádově většími propustnostmi pro plyny, neboť tloušťka funkční vrstvy (bariéry) je natolik malá, že ji plyny snadno překonají. Poněvadž ultra-tenké vrstvy jsou náchylné k tvorbě defektů je potřeba postup přípravy řádně optimalizovat. Pokud tyto kompozitní membrány neobsahují defekty a jejich separační účinnosti jsou přijatelné, lze takovéto membrány aplikovat do membránového modulu, kterým lze separovat větší objemy plynných směsí. Mezi typické plynově-separační procesy patří výroba dusíku ze vzduchu nebo recipročně obohacování vzduchu kyslíkem (projekt Oxygenerátor ÚMCH-MemBrain), zušlechťování bioplynu (separace CH4/CO2 v rámci projektu MEMOSEP), separace (bio)vodíku (projekt i-AlgMemB) nebo zachytávání CO2 ze spalin tepelných elektráren, tepláren a dalších zdrojů (projekt MEMSEP).
Příklad využití membránové separace biovodíku v rámci komplexního systému fermentor - fotobioreaktor v rámci projektu "Towards the sustainable production of valuable chemicals from microalgae based on the sequestration of refused-CO2 in a novel, circular-loop gas separation membrane bioreactor system" (i-AlgMemB).
|
Bakoniy P. et al.; Feasibility study of polyetherimide membrane for enrichment of carbon dioxide from synthetic biohydrogen mixture and subsequent utilization scenario using microalgae. Int. J. Energy Res. 2020, 1–8. |
Membrány pro palivové články, elektrolyzéry a lithium iontové baterie
Polymerní membrány nesoucí iontovýměnnou skupinu jsou klíčovou komponentou palivových článků a elektrolyzérů, a to jak kyselých, tak alkalických, kde nahrazují korozivní kapalné elektrolyty a zároveň mají funkci diafragmy, která nedovolí míšení plynů na katodě a anodě. V současné době též probíhá bouřlivý vývoj v oblasti membránových polymerních elektrolytů jako náhrada nebezpečných kapalných elektrolytů v lithium-iontových bateriích. Naše oddělení se taktéž podílí na jejich vývoji.
V nedávné době byly vyvinuty polymery pro přípravu ionexových membrán, které se dají použít i jako pojivo, které má za úkol spojit částice katalyzátorů používaných v palivových článcích a elektrolyzérech. Tento postup zvyšuje účinnost těchto zařízení.
Nahoře —poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide); dole — blokový kopolymer polystyrene-block-poly(5 ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene (PSEBS) kvarternizované trimethylaminem a 1,4-diazabicyklo[2.2.2]oktanem.
Palivový článek je elektrochemické zařízení, které přeměňuje přímou cestou chemickou energii v energii elektrickou. Jedná se o druh galvanického článku, k jehož elektrodám jsou přiváděny palivo (k anodě) a okysličovadlo (ke katodě). Na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O2-), a ty pak reagují s H+ ionty (z vodíku z anody) na vodu. Palivové články mohou operovat nepřetržitě, pokud se nepřeruší přívod paliva a okysličovadla k elektrodám. Na našem pracovišti se zabýváme membránovými typy vodíko-kyslíkových a přímých metanolových palivových článků.
Separace enantiomerů chirálními membránami
Přes velký pokrok v asymetrických syntézách a separačních metodách zůstává příprava chirálních látek stále důležitou výzvou. V současné době narůstá tendence používat enantiomerně čistá léčiva namísto racemátů, což umožňuje odstranění zbytečné zátěže organismu nežádoucím enantiomerem. Proto je řada původně racemických léčiv postupně reformulována jako čisté enantiomery. V průběhu více než půlstoletí zkušeností s průmyslovou separací enantiomerů byla pro tento proces vyvinuta řada efektivních technik. Nicméně důležitým omezením jejich praktického využití je obvykle vysoká výrobní cena. Jednou z možností, jak tento problém obejít, je zavádění nových metod, jež jsou průmyslově využitelné. Velmi slibně se v této souvislosti jeví enantioseparace na polymerních membránách. Její hlavní výhoda spočívá zejména v tom, že aplikace membránových technologií má, jak se již ukázalo v řadě minulých případů, příznivý dopad na výrobní náklady.
Nedávno jsme publikovali práci zabývající se syntézou membrán z polystyren-block-poly(ethylen-ran-butylen)-block-polystyrenu (PSEBS) nesoucími kovalentně vázaný (S)-(−)-α-methylbenzylamin jako chirální selektor. V testech na preferenční sorpci tyto membrány vykazovaly schopnost separovat racemický tryptofan a ibuprofen.
|
Otmar, M. et al.; Preparation of PSEBS membranes bearing (S)-(–)-methylbenzylamine as chiral selector. Eur. Polym. J. 2020, 122, 109381. |
Také jsme popsali chirální templátování polykarbonátových membrán (−)-α-pinenem pomocí modifikované techniky ALD (atomic layer deposition). V průběhu výzkumu byl vyvinut funkční protokol pro přípravu membrán s enantioselektivními vlastnostmi touto metodou. Klíčovým faktorem umožňujícím vznik zřetelné enantioselektivity je depozice vrstvy oxidu hlinitého před templátovacím procesem na membráně. Tento typ membrán vykazoval významně větší sorpci (−)-α-pinenu ve srovnání s (+)-α-pinenem a racemátem.
|
Brožová, L. et al.; Chiral Templating of Polycarbonate Membranes by Pinene Using the Modified Atomic Layer Deposition Approach. Langmuir 2020, 36, 12723–12734. |
Projekty:
- Pokročilé materiály pro baterie (MAT4BAT) EU FP7, NMP3-LA-2013-608931
- Nová generace alkalických membránových elektrolyzerů s vylepšenými komponenty a materiály (NEWELY), HORIZON 2020, H2020-JTI-FCH-2019-1-875118
- Membránová separace oxidu uhličitého ze spalin a jeho následné využití (MEMSEP), TAČR TK02030155
- Separace enantiomerů chirálními membránami GAČR 20-06264S
- Pokročilá nanostrukturovaná sestava membrány a elektrod se zdokonaleným přenosem hmoty a náboje pro elektrolýzu vody s protonově výměnnou membránou, GAČR 20-06422J
- Nový typ oběžného membránového bioreaktoru pro udržitelnou výrobu látek z řas, MŠMT (program V4-Korea Joint Research Projects) 8F17005
- Polymery pro energetiku – Energolab, byl spolufinancován z Evropského fondu pro regionální rozvoj prostřednictvím Operačního Programu Praha – Kompetence (OPPK), CZ.2.16/3.1.00/24504.
- Vývoj membrán a membránových modulů pro separaci plynů (MEMOSEP), MPO FV10061
Spolupráce:
- Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
V rámci evropských a českých projektů jsou vyvíjeny a studovány nové vodivé polymerní membrány pro palivové články a elektrolýzu vody.
- Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i.
Jsou připravovány a charakterizovány nové polymerní membrány pro separaci enantiomerů
- University of Pannonia, Veszprém, Maďarsko
Společný výzkum, výroba a čištění biovodíku membránovými procesy, včetně mikrobiální elektrolýzy.
- HZG, Geesthacht, SRN
Spolupráce v oblasti kompozitních membrán pro separaci plynů
- MemBrain s.r.o., Stráž pod Ralskem, Česká Republika
je naším strategickým partnerem ve výzkumu membrán se zaměřením na membrány pro separaci plynů, zušlechťování bioplynu, iontovýměnné membrány a mnoho dalších výzkumných aktivit.
- Mega a.s., Stráž pod Ralskem, Česká Republika
je výrobcem heterogenních iontovýměnných membrán RALEX pro elektrodialýzu, elektroforézu a membránovou elektrolýzu. Předmětem spolupráce jsou společné projekty v oblasti materiálového výzkumu a technologie výroby membrán.