Начало мембранным исследованиям в Институте было положено еще в 60-е годы, когда В.М.Грязновым с сотрудниками была предложена концепция осуществления химических реакций в системе «катализатор – мембрана» (Диплом об открытии N 97, 1971), развитие которой привело к таким важным направлениям современной мембранной науки как “Мембранный катализ” и “Мембранные реакторы”. Согласно этой концепции, скоростью и селективностью процесса можно эффективно управлять, отводя определенные продукты реакции через селективную (а, возможно, и каталитически активную) мембрану или вводя через нее реагенты.

Другим важным открытием, сделанным в то же время и на многие годы определившим развитие мембранной науки и технологии, явился синтез поливинилтриметилсилана (ПВТМС) и создание на его основе первой в мире промышленной газоразделительной мембраны. Эти работы были осуществлены под руководством С.Г.Дургарьяна (1931-1987) и Н.С.Наметкина. (1916-1984). Исследование свойств ПВТМС показало, что значительная газопроницаемость может быть присуща не только высокоэластическим, но и стеклообразным мембранным материалам. На примере ПВТМС удалось убедиться, как резко химическая структура полимера влияет на проницаемость и другие важные для мембранного разделения свойства полимера.

Сегодня в лабораториях Института, многие из которых объединены в Мембранный центр ИНХС, проводится весь комплекс исследований от синтеза новых мембранных материалов и изучения их транспортных свойств до создания новых, в том числе интегрированных, мембранных процессов разделения газов и жидкостей. Большое внимание уделяется теоретическим вопросам, таким как механизм сорбции и диффузии в полимерах, связи химического строения и мембранных свойств полимерных материалов.

Систематические исследования Лаборатории синтеза селективно-проницаемых полимеров (В.С.Хотимский) направлены на получение новых Si-, Ge- и F-содержащих полимеров, отличающихся улучшенными мембранными характеристиками. Одни из этих полимеров, оригинальные методы синтеза которого были предложены а свойства детально изучены, - политриметилсилилпропин (ПТМСП), обладает наибольшими из всех известных полимеров коэффициентами проницаемости, диффузии и растворимости, что обусловлено необычно высоким свободным объемом этого материала. Варьируя природу катализаторов и со-катализаторов, а также условия синтеза, удалось получить образцы этого полимера с различными молекулярными массами и пространственной структурой основной цепи. Это позволило сделать обоснованный выбор схемы синтеза для различного применения мембран на основе ПТМСП – разделения воздуха, выделения методом первапорации фенола из сточных вод, спиртов (этанола и бутанола) из продуктов ферментации.

Синтезом полимеров, обладающих привлекательными мембранными свойствами, занимаются и в других лабораториях Института. Так, в Лаборатории химии карбоциклических соединений (Е.Ш.Финкельштейн) получены и исследованы различные Si-содержащие производные полинорборнена и полинорборнадиена. Эластомеры, содержащие Si-C связи в основной цепи (полисилалкилены), обнаружили транспортные характеристики, делающие их перспективными материалами для мембранного разделения углеводородных газов.

Предметом исследований Лаборатории мембранного газоразделения (зав. лаб. Ю.П.Ямпольский) является связь строения и газопроницаемости аморфных стеклообразных полимеров различных классов (полиацетилены, полинорборнены, полиимиды, перфторированные полимеры и др.). Эти работы, а также применение зондовых методов (аннигиляция позитронов, обращенная газовая хроматография, метод спинового зонда) для изучения свободного объема полимеров позволили установить факторы, определяющие основные транспортные параметры мембранных материалов. На этой основе была создана База данных «Газоразделительные параметры стеклообразных полимеров» и разработаны методы предсказания параметров проницаемости полимеров на основе их химической структуры.

Основными объектами исследования Лаборатории полимерных мембран (зав. лаб. В.В.Волков) являются высокопроницаемые полимерные стекла (прежде всего, ПТМСП) и другие нанопористые материалы, а также их разнообразные применения в мембранном газоразделении, первапорации и других мембранных процессах. В результате установления взаимосвязи «структура – свойство» удалось реализовать желаемые характеристики в разделительных мембранах различного типа (асимметричных и композиционных, плоских и половолоконных).

Создание новых принципов осуществления процессов разделения является основной задачей Лаборатории физикохимии мембранных процессов (зав. лаб. В.В.Тепляков). В ней разработаны и осуществлены различные активные мембранные газоразделительные системы с подвижным жидким носителем, позволяющие достичь сверхвысокой селективности разделения. На этой основе удалось предложить несколько гибридных (интегрированных) мембранных процессов, в частности, биотехнологический процесс переработки органических отходов с получением водорода и мембранные контакторы для разделения смесей метан/углекислый газ.

Большое внимание в Институте уделяется и вопросам химической модификации существующих мембран. Так, в Лаборатории физикохимии мембранных процессов были продемонстрированы возможности значительного улучшения селективности мембран путем газофазного фторирования и оксифторирования. Чрезвычайно эффективным методом обработки мембран является поверхностное модифицирование и полимеризация, инициированные низкотемпературной плазмой (Лаборатория плазмохимии и физикохимии импульсных процессов, Д.И.Словецкий). Было продемонстрировано значительное улучшение газоразделительных свойств (прежде всего, селективности) полимерных пленок и мембран (в частности ПВТМС и ПТМСП), происходящее при плазмохимическом окислении и фторировании поверхности. Варьирование параметров плазмы позволяет оптимизировать процесс и изменять характеристики мембран в широких пределах.

Успешно развиваются работы в области мембранного катализа процессов гидрирования – дегидрирования в Лаборатории исследования каталитических процессов на мембранах. Значительные усилия лаборатории направлены на замену дорогостоящего и недостаточно стабильного палладия в качестве мембранного катализатора на его сплавы с другими металлами, обнаруживающими достаточно высокие проницаемости по водороду, каталитическую активность и стабильность при контакте с различными компонентами реагирующих (разделяемых) газовых смесей. Так, было показано, что добавление небольших количеств Pd в Ti-Ni-сплав увеличивает его проницаемость более чем на порядок, аморфизирует структуру и позволяет получать перспективные для катализа материалы с улучшенными эксплуатационными свойствами. С помощью мембранного катализа с высокой эффективностью был осуществлен ряд процессов – селективное гидрирование олефинов в моторных топливах, сопряженное дегидрирование бутана на алюмохромовом катализаторе с окислением водорода, удаляемого через каталитическую мембрану, гидрирование растительных жиров и ряд других.