Порожный Михаил Владимирович

Кафедра физической химии

Доцент

Научно-исследовательская часть

Старший научный сотрудник

Преподаваемые дисциплины:

Безопасность жизнедеятельности; Производственная практика (Преддипломная практика);,

Основные публикации

Characterization and cleaning of anion-exchange membranes used in electrodialysis of polyphenol-containing food industry solutions; comparison with cation-exchange membranes 2018 г.: Дата публикации:
08 февраля 2019
This paper concerns the mechanisms of aging of ion-exchange membranes (IEMs) during their use in electrodialysis (ED) of food industry solutions containing polyphenols (PPs), as well as their cleaning. The study focuses on anion-exchange membranes (AEMs); their behavior is compared with that of cation-exchange membranes (CEMs). First, physicochemical static characteristics, structural, morphological and tensile strength parameters are determined for new AEMs and two batches of used AEMs at different duration of their use in industry, subjected to regular “Cleaning In Place”. Second, non-aggressive and economic ex-situ static cleaning methods involving the application of NaCl at 35 g L−1, a reconstituted seawater and a water-ethanol mixture acidified with H2SO4 were examined. During the cleaning process, the evolution of physicochemical parameters, such as ion-exchange capacity (IEC), electrical conductivity (κm) and contact angle (θ), were followed. It is shown that the application of NaCl solution has a negligible effect on IEC and κm; when soaking the membranes in the reconstituted seawater, κm even slightly decreases; however, there is a significant increase in these parameters when soaking the membranes in the acidified water-ethanol solution. As for the mechanism of fouling, PPs are the main responsible constituents. Apparently, they form dense colloidal nanoparticles not permeable for ions within membrane meso- and macropores, not penetrating into micropores. A modification of the microheterogeneous model under this assumption allows an adequate description of membrane conductivity and explains the fact that the membrane pore size increases with the duration of membrane utilization, while the apparent volume fraction of the inter-gel solution (f2app) decreases. CEMs are found less prone to fouling. The soaking of CEMs in the water-ethanol solution leads to an increase in IEC and f2app by 33% and 60%, respectively, as well as to doubling κm and decreasing θ by 23%, after a 120 h. treatment.
Ссылка:
Ссылка на публикацию

Operando micro-Raman study of the actual water content of perfluorosulfonic acid membranes in the fuel cell 2017 г.: Дата публикации:
15 июля 2017
Operando μ-Raman spectroscopy is used to probe the water distribution across Nafion® and Aquivion™ membranes in the operating fuel cell. The through-plane water concentration profile is obtained with μm resolution at the middle of the active surface, both at the gas distribution channel and at the under-lands areas. Depth-resolved measurements carried out at room temperature show that the water content of both membranes increases with the increase of the feed gas relative humidity and decreases with the increase of stoichiometry. At given relative humidity and stoichiometry conditions, the water content first increases at the fuel cell start-up and, then, decreases progressively with the increase of the current density delivered by the cell. The water loss is due to the concomitant rise of pressure drops and of the cell inner temperature, the latter giving the larger contribution. Pressure drops are related to the increase of the feed gases fluxes while temperature rise is due to increasing ohmic losses and heat from the electrochemical reaction. Compared to Nafion, Aquivion exhibits larger water content, but similar dehydration rate as a function of ohmic losses, and larger water accumulation at the under-lands area compared to channel.
Ссылка:
Ссылка на публикацию

Mathematical modeling of concentration dependences of electric conductivity and diffusion permeability of anion-exchange membranes soaked in wine 2017 г.: Дата публикации:
15 июня 2017
The formation of organic colloidal particles in the pores and on the surface (fouling) of membranes used in the food industry is a significant constraint on the further development of membrane technology. A model to describe the effect of these particles on electric conductivity and diffusion permeability has been proposed. It is based on a microheterogeneous two-phase model constructed in terms of the concepts of nonequilibrium thermodynamics and effective medium theory. The model takes into account the presence of two phases: (i) the gel phase comprising a polymer matrix and fixed ions whose charge is compensated for by mobile ions and (ii) the electrically neutral solution filling the intergel spaces. Each of the phases is characterized by intrinsic thermodynamic and kinetic parameters. The model takes into account changes in the values of these parameters caused by the formation of organic nanoparticles in meso- and macropores (fouling). It is assumed that the formation of colloidal particles in the intergel solution leads to a decrease in the ion mobility. In addition, these particles are capable of deprotonating a portion of the fixed ions and thereby decreasing the exchange capacity of the membrane. A high degree of hydration of these particles is responsible for an increase in the volume fraction of intergel spaces. Selection of relevant model parameters provides good agreement between calculation and experimental results.
Ссылка:
Ссылка на публикацию

Mathematical modeling of transport properties of proton-exchange membranes containing immobilized nanoparticles 2016 г.: Дата публикации:
14 сентября 2016
Immobilization of inorganic nanoparticles (like ZrO2, TiO2and SiO2) allows essential improvement of proton-exchange membrane properties pertinent for fuel cell applications. We propose a model for describing the effect of nanoparticles on the membrane electrical conductivity, diffusion permeability and permselectivity. The basis is the microheterogeneous two-phase model, which, in turn, is built on the irreversible thermodynamics and effective medium approach. The model considers the presence of three different domains, each of them characterized by their own parameters (such as the diffusion coefficients): charged gel, electrically neutral solution filling the intergel spaces, and nanoparticles. The nanoparticles are localized in the meso- and macropores, which form the intergel solution. The comparison of calculations with literature experimental data shows a good agreement. With increasing content of nanoparticles, the membrane conductivity passes through a maximum, while diffusion permeability decreases and permselectivity increases. The effect is due to the fact that the nanoparticle replaces the electrically neutral solution, which occupies the inner part of macro- and mesopores.
Ссылка:
Ссылка на публикацию

Конференции

VIII Всероссийская конференция с международным участием «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах — ФАГРАН-2018» 2018 г.: 08 октября 2018
Воронеж, 8 - 11 октября 2018

MELPRO 2018 2018 г.: 13 мая 2018
Prague, Czech Republic, 13-16 May 2018

Ion transport in organic and inorganic membranes 2018 г.: 21 мая 2018
International conference, Sochi, 21-26 May 2018

Ion transport in organic and inorganic membranes 2017 г.: 23 мая 2018
International conference, Sochi, 23-28 May 2017

Fundamental problems of solid state ionics 2016 г.: 27 июня 2016
13th International Meeting, Chernogolovka, 27 June - 01 July 2016

PERMEA & MELPRO Conference 2016 2016 г.: 15 мая 2016
Prague, 15-19 May 2016

Проекты

Влияние электрической неоднородности поверхности ионообменных мембран на их электрохимические характеристики при протекании интенсивного электрического тока 2017 г.: Номер проекта:
17-08-01538 А
Роль:
исполнитель
Использование интенсивных токовых режимов является одним из перспективных направлений развития электромембранной технологии, поскольку в таких режимах экономится наиболее дорогой компонент системы – ионообменные мембраны. Интенсификация электроконвекции путем модифицирования свойств поверхности мембран представляется в этой связи перспективным подходом, который развивается в нескольких ведущих мировых лабораториях. В недавней (2016 г.) работе группы проф. Mani (Стэндфордский университет, США) установлено, что наличие непроводящих участков на поверхности гомогенной мембраны приводит к росту индуцированных током электроконвективных вихрей; при этом сопротивление системы при заданном токе/скачке потенциала снижается, а предельная плотность тока повышается. Аналогичный эффект наблюдается и при частичной гомогенизации электрически неоднородной поверхности. Таким образом, становится актуальной фундаментальная задача определения влияния электрической неоднородности поверхности на электрохимические свойства как самих ионообменных мембран, так и всей электродиализной системы в целом. Предлагаемый проект направлен на теоретическое и экспериментальное изучение процесса переноса ионов через мембраны с электрически неоднородной поверхностью. Будут проведены экспериментальные исследования свойств серийно выпускаемых гомогенных и гетерогенных, поверхностно модифицированных мембран, а также специально приготовленных «модельных» катионообменных мембран с хорошо определенными проводящими и непроводящими участками поверхности. Впервые с помощью новой экспериментальной установки, основанной на методе сканирующей электрохимической микроскопии, будут получены трехмерные карты распределения потенциала в канале электродиализатора при протекании электрического тока. Полученные данные помогут точно определить степень проводимости отдельных участков поверхности мембраны и выявить факторы, влияющие на развитие электроконвекции. Будет построена двумерная нестационарная математическая модель переноса ионов в канале электродиализатора, учитывающая электрическую неоднородность поверхности ионообменной мембраны. Данный проект позволит выяснить, какие факторы являются наиболее существенными для переноса ионов в процессе электродиализа. Полученные знания будут служить фундаментальной основой для оптимизации свойств поверхности серийно-выпускаемых мембран.

Явление осадкообразования в камерах обессоливания электродиализатора с ионообменными мембранами 2017 г.: Номер проекта:
17-08-01442 А
Роль:
исполнитель
Одной из важнейших проблем мембранных технологий, в частности, электродиализа (ЭД), является образование труднорастворимых солей в растворе у поверхности мембраны и в приповерхностном слое самой мембраны. Эта проблема особенно существенна при переработке природных вод, продуктов ферментации биомассы, молочных продуктов, вина и др. Механизмы осадкообразования весьма разнообразны. Недавние исследования, проведенные группой проф. Базинэ (университет Лаваля, Квебек, Канада) показали, что при ЭД растворов, моделирующих минеральный состав молочной сыворотки, происходит образование осадка не только в камерах концентрирования, но и в камерах обессоливания (КО). Механизм осадкообразования в обедненном растворе у поверхности мембран можно связать со взаимодействием ионов магния и/или кальция ионами ОН-, которые генерируются на границе катионообменная мембрана/раствор в интенсивных токовых режимах. Однако детально данный механизм не изучен. Предлагаемый проект направлен на теоретическое и экспериментальное изучение механизма осадкообразования в КО при ЭД растворов, содержащих ионы кальция и магния. Будет исследована роль скорости генерации ионов Н+ и ОН- как на катионообменной, так и на анионообменной мембранах, а также роль скорости течения раствора и других факторов, влияющих на процесс осадкообразования. Будут проведены экспериментальные исследования кинетики осадкообразования при обработке растворов, моделирующих природную воду и минеральный состав молока с использованием гомогенных, гетерогенных и поверхностно модифицированных катионообменных мембран. Будет построена двумерная нестационарная математическая модель переноса ионов через мембрану, учитывающая протолитические реакции в условиях возможного осадкообразования. Данный проект позволит выяснить, какие факторы являются наиболее существенными для процесса осадкообразования. Полученные знания будут служить фундаментальной основой для оптимального выбора мембран, токового и гидродинамического режимов ЭД природных вод и растворов пищевой промышленности.

Формирование коллоидных наночастиц в порах ионообменных мембран при их контакте с вином и молочными продуктами. Экспериментальное и теоретическое исследование 2016 г.: Номер проекта:
16-48-230919 р_а
Роль:
исполнитель
Краснодарский край является одним из немногих регионов России, где мембранные технологии развиты на мировом уровне и используются для переработки молочных продуктов, вина и водоподготовки. В данном проекте исследуются процессы, которые происходят при контакте ионообменных мембран (ИОМ) с этими продуктами. Известно, что при электродиализной переработке молочных продуктов и вина свойства мембран меняются, в частности, вследствие образования в их порах и на поверхности коллоидных наночастиц. Наночастицы заполняют часть порового пространства и это приводит к существенному изменению свойств мембраны. Происходит изменение водосодержания мембраны, степень ее набухания, изменяется ее электропроводность и селективность к переносу противоионов, меняется гидрофильно-гидрофобный баланс поверхности. Изменение структуры и свойств мембран приводит к существенному изменению их эксплуатационных характеристик. В ходе проекта будут проведены эксперименты по регистрации изменения указанных выше свойств мембран после их контакта с растворами, моделирующими вино и молочную сыворотку, а также после контакта с натуральными продуктами. Будет выяснено, каким образом происходит эволюция структуры и свойств мембран во времени в условиях отсутствия и протекания электрического тока. Эксперименты будут проведены с использованием гомогенных мембран (АМХ и СМХ производства Астом, Япония) и гетерогенных мембран (МК-40, МА-40) отечественного производства. Для оценки изменения свойств будут использованы методы статической характеризации (емкость, водосодержание), а также электрохимические методы (электропроводность, диффузионная проницаемость, вольтамперометрия, хронопотенциометрия). Будет проведена модификация известной микрогетерогенной модели с целью получения математического описания типа «структура-свойства», в которой будет учтено присутствие коллоидных частиц в порах ионообменной мембраны. Будет проведено моделирование изменения свойств мембран, происходящих при увеличении числа и размера коллоидных частиц в мезопорах ИОМ. Полученные результаты будут представлять интерес для проведения обоснованного выбора ИОМ при их использовании в электродиализе растворов пищевой промышленности (молоко, вино, соки). Кроме этого, данное фундаментальное исследование даст основу для возможной модификации ИОМ с целью улучшения их потребительских свойств, в частности, продления времени жизни в ЭД аппаратах. Наконец, исследование будет представлять интерес для нацеленной модификации ИОМ путем иммобилизации наночастиц, использования таких мембран топливных элементах.