Oddělení Polymerní membrány

  Výzkum Pracovníci

Přístrojové vybavení

Publikace

 

Výzkum    
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. 

 

Membránové technologie

Membránové vědy a technologie jsou v dnešní době považovány jako 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. 

 

 

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 interacke molukul 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 tlouštka 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.

   

 

 

 

Palivové články    
  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. 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.
     
V membránovém oddělení se dlouhodobě věnujeme výzkumu iontovýměnných membrán. Tyto membrány mohou být použity jako pevný elektrolyt v membránových palivových článcích. V našem  oddělení byly v minulosti vyvinuty heterogenní iontovýměnné membrány, které nyní komerčně vyrábí ve společnosti Mega a.s., především však pro elektrodialýzu.
Dále jsou u nás vyvíjeny membrány homogenní. Dřívějsí výzkum byl zaměřen především na katexové homogenní membrány na bázi sulfonovaných aromatických polymerů jako je poly (fenylenoxid) a poly(eter eter keton), připravovaných z roztoků. Nyní se zabýváne přípravou alifatických kopolymerů nesoucích kationaktivní funkční skupiny, které přináší některé výhody oproti sulfonovaným polymerům při použití jako elektrolytu v palivových článcích, především zvýšenou životnost.

 

Elektrodialýza

Při elektrodialýze se využívá elektrického stejnosměrného pole mezi dvěma elektrodami k transportu ve vodě disociovaných složek solí (iontů) přes vodivé membrány. Kladně nabité ionty (kationty) mají tendenci se pohybovat k záporně nabité elektrodě (katodě). Naopak záporně nabité ionty (anionty) putují ke kladně nabité elektrodě (anodě).
V elektrodialyzačním zařízení jsou mezi oběma elektrodami střídavě umístěny kationaktivní a anionaktivní membrány, které tvoří diluátové (D) a koncentrátové (K) komory. Záporně nabité kationaktivní membrány (CM) umožňují transport  kladně nabitých kationtů a zadržují záporně nabité anionty a naopak, kladně nabité anionaktivní membrány (AM) umožňují transport záporně nabitých aniontů a nepropouštějí kladně nabité kationty. Díky tomuto principu dochází v diluátových komorách k odstraňování iontů z roztoku (diluát ) a v koncentrátových ke zvýšení  obsahu iontů v roztoku (koncentrát).


 

 

Molekulární charakterizace polymerů & analýza nízkomolekulárních sloučenin

Jedním ze základních předpokladů kvalitního výzkumu polymerních materiálu je dostatečná znalost jejich molekulárních charakteristik. I když je monomer, ze kterého je polymer připraven a který se odráží v jeho názvu, tvořen identickými molekulami, mohou se tyto spojovat mnoha různými způsoby v závislosti na reakčním mechanismu a podmínkách. Vlastnosti výsledného polymeru silně závisí na způsobu, jak jsou monomerní jednotky ve výsledném polymeru pospojovány, obzvláště na počtu pospojovaných jednotek, tj. na molekulové hmotnosti. Nejen, že existují vzorky daného polymeru, např. polystyrenu, s různou molekulovou hmotností a tedy odlišnými vlastnostmi, ale v jednom vzorku nacházíme makromolekuly s různou molekulovou hmotností. Pravděpodobnost, že ve vzorku nalezneme molekulu s určitou molekulovou hmotností (tzv. distribuce molekulových hmotností) je charakteristická pro daný vzorek.

V oddělení existuje silná skupina, která se zabývá určováním distribuce molekulových hmotností polymerů různými separačními metodami (rozměrově vylučovací chromatografie, frakcionace v tokovém poli, hmotnostní spektrometrie), a to nejen pro potřeby oddělení ale i celého ústavu. Kromě práce servisní povahy se skupina intenzívně věnuje i metodickému rozvoji, včetně aplikace uvedených metod k určování stupně rozvětvení polymerních molekul či distribuce složení kopolymerů.

            I pro polymerní chemii je nezbytnou analýza nízkomolekulárních sloučenin. Nejde jen o identifikaci monomerů a ověření stupně jejich čistoty. Polymerní materiály obsahují kromě základních polymerů i nízkomolekulární látky, které významně ovlivňují jejich užitné vlastnosti, ať jsou to změkčovadla či stabilizátory. Průnikem metod charakterizace polymerů a analýzy nízkomolekulárních látek je pyrolýza, tj. řízená tepelná degradace polymeru, následovaná analýzou produktů plynovou chromatografií s hmotnostní detekcí.

 

BIOpolymerní POstdoktorandská Laboratoř a vzdělávácí centrum  - BIOPOL

Centrum polymerních materiálů a technologií Otty Wichterla - CPMTOW

Centrum biomedicinálních polymerů - CBMP

Centrum polymerních senzorů - CPS

Polymery pro energetiku - EnergoLab


Ústav makromolekulární chemie AV ČR v.v.i.

Heyrovského nám. 2
162 06 Praha 6
tel:+420 296 809 111
fax:+420 296 809 410

Strategie 21