Тематика

Общая, неравновесная и химическая термодинамика. Экспериментальные исследования фазовых переходов, трансмембранного переноса, сорбции, тепловых эффектов процессов. Экспериментальные исследования критических явлений в многокомпонентных системах с химических взаимодействием веществ. Термодинамические и структурные особенности многокомпонентных критических фаз при протекании равновесной и неравновесной химической реакции (критические поверхности и гиперповерхности). Кинетика химических реакций в околокритической области жидкофазных систем. Совмещенные реакционно-массообменные процессы, кинетика химических процессов в гетерогенных средах. Эволюция термодинамических свойств в ходе совмещенных процессов. Глубокие эвтектические растворители и процессы с их участием. Термодинамические свойства природного газа и газовых смесей, в том числе, для применения в промышленных целях. Разработка новых перспективных мембранных полимерных и композитных материалов (внедрение модификаторов в полимерную матрицу), их структурные (СЭМ, АСМ, X-Ray) и термохимические исследования, термодинамические свойства.

Теория термодинамической устойчивости, ее развитие и применение для анализа и моделирования химических и фазовых процессов в равновесных и неравновесных системах. Применение методов неравновесной термодинамики для решения теоретических проблем и задач химической технологии: устойчивость многокомпонентных систем, фазовое и мембранное разделение, реакционно-массообменные процессы. Анализ термодинамической устойчивости многокомпонентных систем (спинодальные кривые, поверхности и гиперповерхности) и особенностей критических состояний с применением методов неравновесной термодинамики, квантовой химии, классической и неэмпирической молекулярной динамики. Применение метода искусственных нейронных сетей к задачам термодинамического анализа многокомпонентных систем. Моделирование трансмембранного переноса на основе аппарата неравновесной термодинамики.

Дополнительный (прикладной) профиль деятельности: организация процессов фазового и мембранного разделения, включая совмещенные процессы (реакционная дистилляция и экстракция, синтез в мембранном реакторе, поведение смесей в околокритической области). Новые практически важные и перспективные мембранные материалы (для первапорации, газоразделения, ультрафильтрации). Исследование процессов, связанных с получением биотоплива.

Результаты

Основные результаты научной группы «Термодинамические и кинетические исследования фазовых, мембранных, реакционно-массообменных неравновесных процессов и критических состояний»

Руководитель — д.х.н., профессор А.М. Тойкка

Основное внимание в работах 2021 года уделялось экспериментальному и теоретическому исследованию критических и околокритических состояний в многокомпонентных гетерогенных системах c химическим взаимодействием, химических реакций и процессов в окрестности критических состояний. Исследовались закономерности топологии диаграмм подобных сложных систем, в том числе, в свете проблем теории совмещенных реакционно-массообменных процессов. Научная значимость определяется направленностью на развитие термодинамической теории критических явлений в химически реагирующих средах и практической актуальностью в отношении организации технологических процессов химического синтеза. Наряду с классическим термодинамическим подходом к анализу критических фаз, решались задачи расширения применения и практической адаптации новых методов, базирующихся на элементах теории управления, кибернетической физики, молекулярной динамики, искусственных нейронных сетей. Разработаны альтернативные методы анализа устойчивости критических и околокритических фаз, эволюции термодинамической системы при изменении внешних параметров и протекании химических процессов. Предложены новые варианты термодинамических уравнений для многомерных критических многообразий, методы анализа критических фаз с учетом топологии критических многообразий. Экспериментальные результаты включали данные о составах, отвечающих критическим состояниям, термодинамические характеристики критических областей, параметры равновесий флюидных фаз, данные об изменении химического сродства в околокритической области. Особое внимание уделено топологическим особенностям критических многообразий: кривых, поверхностей, гиперповерхностей в многомерном термодинамическом пространстве. Экспериментальная информация о критических поверхностях в многокомпонентных системах с химическими реакциями в мировой литературе практически отсутствует, и результаты группы, как текущего года, так и более ранние, вносят основной вклад в развитие этого направления. В практическом отношении результаты важны для организации технологических процессов синтеза и разделения, совмещенных реакционно-массообменных процессов и других задач, важных для развития фундаментальных основ химической технологии.

Продолжена работа по разработке новых мембранных материалов на основе полимеров и композитов для разделения жидких и газовых смесей. Объектами разделения являлись как модельные, так и промышленно-значимые смеси. Продолжены работы в области развития методов неравновесной термодинамики, в том числе, для описания и моделирования трансмембранного переноса. Особое внимание уделяется исследованию механизмов трансмембранного переноса с применением методов молекулярной динамики и квантовой химии. Работы в области термодинамики реакционно-массообменных и природных систем включали также комплекс термохимических исследований многокомпонентных систем с химическими реакциями, исследования термодинамических свойств природного газа, для in situ определения основных характеристик, в первую очередь, в газопроводах.

Поверхность химического равновесия и критические точки в системе уксусная кислота - n–амиловый спирт - n–амилацетат - вода при 318,15 К и 101,3 кПа, вид с двух разных углов: составы гомогенных растворов (●) и «реакционные ноды» жидкость-жидкость (●─●), в мольных долях. ●─● — критические точки.

В 2018 году была продолжена работа по разработке новых мембранных материалов на основе полимеров и композитов для разделения жидких и газовых смесей, включая гибридные/совмещенные процессы (реакционно-массообменный процесс «реакция + разделение»). При получении мембран применялись новые модификаторы, такие как наноалмазы (см. приведенный рисунок) и эндометаллофуллерены. Объектами разделения являлись как модельные, так и промышленно-значимые смеси. В частности, на информационно-сервисном портале «Индикатор» опубликовано сообщение об одном из таких результатов: «Создана новая гибридная мембрана для водородного топлива». Работы в области термодинамики реакционно-массообменных и природных систем включали комплекс термохимических исследований многокомпонентных систем с химическими реакциями, а также исследования термодинамических свойств природного газа, для in situ определения основных характеристик, в первую очередь, в газопроводах. Продолжены работы в области развития методов неравновесной термодинамики, в том числе, для описания и моделирования трансмембранного переноса.

1. A. Toikka, On non-equilibrium thermodynamics approach for the analysis of membrane processes: a case study of pervaporation, Monatshefte fur Chemie, 149 (2018) 467-473; DOI: 10.1007/s00706-017-2104-8
2. G. Polotskaya, A. Pulyalina, M. Goikhman, I. Podeshvo, V. Rostovtseva, S. Shugurov, I. Gofman, N. Saprykina, N. Gulii, N. Loretsyan, A. Toikka, Novel Polyheteroarylene Membranes for Separation of Methanol‒Hexane Mixture by Pervaporation, Scientific Reports, (2018); DOI: 10.1038/s41598-018-36118-4
3. G. Polotskaya, M. Putintseva, A. Pulyalina, I. Gofman, A. Toikka, Impact of Endometallofullerene on P84 Copolyimide Transport and Thermomechanical Properties, Polymers, 10 (2018) Article 1108. DOI:10.3390/polym10101108

Гранты

Основные проекты 2021 года

• «Применение методов неравновесной термодинамики для решения теоретических задач химической технологии: устойчивость многокомпонентных систем, фазовое и мембранное разделение, реакционно-массообменные процессы», Российский фонд фундаментальных исследований, 19-03-00375. Руководитель — А.М.Тойкка. 2019–2021.
• «Критические состояния в многокомпонентных флюидных системах с химическим взаимодействием компонентов», Российский научный фонд, 21-13-00038. Руководитель — А.М.Тойкка. 2021–2023).
• «Новые мембранные материалы для концентрирования биоспиртов, а также очистки и регенерации промышленно значимых растворителей», Российский научный фонд, 21-79-03042. Руководитель — А.Ю.Пулялина.2021–2022.

В научной группе в 2021 году выполнялись 2 гранта РНФ (из них один — для групп молодых ученых), 1 грант РФФИ. Продолжается научное сотрудничество с Институтом высокомолекулярных соединений РАН, Университетом Фердоуси (Машхад, Иран), а также с факультетами СПбГУ (математико-механический и ПМПУ).

Основные проекты 2020 года

• «Применение методов неравновесной термодинамики для решения теоретических задач химической технологии: устойчивость многокомпонентных систем, фазовое и мембранное разделение, реакционно-массообменные процессы», Российский фонд фундаментальных исследований, 19-03-00375. Руководитель — А.М.Тойкка. 2019–2021.
• «Полимерные мембраны на основе полигетероариленов для разделения жидких и газовых смесей», Российский научный фонд (продление грана 2016 г.), 16-13-10164-П. Руководитель — А.М.Тойкка. 2016–2020).
• «Определение термодинамических свойств природного газа на основе трех легко измеряемых величин», Российский фонд фундаментальных исследований — Национальный научный фонд Ирана, 17-58-560018. Руководитель — А.М.Тойкка. 2017–2020).
• «Новые мембранные материалы для концентрирования биоспиртов, а также очистки и регенерации промышленно значимых растворителей», Российский научный фонд, 18-79-10116. Руководитель — А.Ю.Пулялина. 2018–2020.

В научной группе в 2020 году выполнялись 2 гранта РНФ (из них один — для групп молодых ученых), 2 гранта РФФИ (один — инициативный международный РФФИ-Иран, один — инициативный).

Продолжается научное сотрудничество с Институтом высокомолекулярных соединений РАН, Университетом Фердоуси (Машхад, Иран), а также с факультетами СПбГУ (математико-механический и ПМПУ).

Основные публикации

Основные публикации 2021 года

1. D. Gromov, A. Toikka. Geometric Analysis of a System with Chemical Interactions // Entropy. 2021. V. 23, 1548. DOI: 10.3390/e23111548.
2. A. V. Petrov and A. M. Toikka. Comparative Atomic-level Analysis of Sorption and Diffusion Properties of Membrane Materials on the Base of Polymer and its Prepolymer // Membranes. 2021. V. 11. Article 925. DOI: 10.3390/membranes11120925.
3. A.M. Toikka, G.K. Misikov, A.V. Petrov. Analysis of Data on Vapor–Liquid Equilibrium in Multicomponent Systems Using Artificial Neural Networks // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2021. V. 55(3). P. 403–409. DOI: 10.1134/S004057952103026X.
4. M. Farzaneh-Gord, H. R. Rahbari, B. Mohseni-Gharesafa, A. Toikka, I. Zvereva. Accurate determination of natural gas compressibility factor by measuring temperature, pressure and Joule-Thomson coefficient: Artificial neural network approach // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2021. V. 202. 108427. DOI: 10.1016/j.petrol.2021.108427.
5. A.M. Toikka, A.Y. Pulyalina, A.V. Petrov. Mobility of small molecules in membrane materials based on copolyimide P84 // Mendeleev Communications. 2021. V. 31(1). P. 79–80. DOI: 10.1016/j.mencom.2021.01.024.
6. V. Rostovtseva, A. Pulyalina, R. Dubovenko, I. Faykov, K. Subbotina, K. Novikov, N. Saprykina, L. Vinogradova, G. Polotskaya. Enhancing pervaporation membrane selectivity by incorporating star macromolecules modified with ionic liquid for intensification of lactic acid dehydration // Polymers. 2021. V. 13(11). 1811. DOI: 10.3390/polym13111811.
7. I.I. Faykov, V.A. Rostovtseva, N.S. Tyan, A.Y. Pulyalina. A Deep Eutectic Solvent as a Modifier of Polyphenylene Oxide Membranes for Acetic Acid Dehydration // Membranes and Membrane Technologies. 2021. V. 3(2). P. 124–130. DOI:10.1134/S2517751621020037.
8. Samarov, A.A., Toikka, M.A., Toikka, A.M. Phase Equilibria in Alcohol–Ester Systems with Deep Eutectic Solvents Based on Choline Chloride at 293.15 and 313.15 K // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2021. V. 55(2). P. 290–300. DOI: 10.1134/S004057952102010X.

Основные публикации 2020 года

1. D. Gromov, A. Toikka. Toward Formal Analysis of Thermodynamic Stability: Le Chatelier—Brown Principle // Entropy. 2020. 22. Article 1113. DOI:10.3390/e22101113
2. D. Gromov, A. Toikka. On an alternative formulation of the thermodynamic stability condition // Journal of Mathematical Chemistry. 2020. V. 58(6). P. 1219–1229. DOI: 10.1007/s10910-020-01126-1
3. M. Farzaneh‑Gord, H. R. Rahbari, B. Mohseni‑Gharyehsafa, A. Toikka, I. Zvereva. Machine learning methods for precise calculation of temperature drop during a throttling process // J. Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. V. 140(6). P. 2765–2778. DOI: 10.1007/s10973-019-09029-3
4. A.V. Petrov, A.M. Toikka. Charge States of Sorption Centers in Matrimid // Glass Physics and Chemistry. 2020. V. 46(2). P. 186–188. DOI: 10.1134/S1087659620020091
5. M. Trofimova, A. Sadaev, A. Samarov, A. Golikova, N. Tsvetov, M. Toikka, A. Toikka. Liquid-liquid equilibrium of acetic acid – ethanol – ethyl acetate – water quaternary system: Data review and new results at 323.15 K and 333.15 K // Fluid Phase Equilibria. 2020. V. 503. Article 112321. DOI: 10.1016/j.fluid.2019.112321
6. A. Golikova, N. Tsvetov, A. Samarov, M. Toikka, I. Zvereva, M. Trofimova, A. Toikka. Excess enthalpies and heat of esterification reaction in ethanol + acetic acid + ethyl acetate + water system at 313.15 K // J. Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. V. 139. P. 1301–1307. DOI:10.1007/s10973-019-08488-yvol(V0)
7. A. Samarov, M. Trofimova, M. Toikka, A. Toikka. Experimental Data on Chemical Equilibrium in the System with Ethyl Formate Synthesis Reaction at 298.15 K // J. Chemical and Engineering Data. 2020. V. 65. Issue 5. P. 2578–2582. DOI: 10.1021/acs.jced.9b01205
8. A. Pulyalina, I. Faykov, V. Nesterova, M. Goikhman, I. Podeshvo, N. Loretsyan, A. Novikov, I. Gofman, A. Toikka, G. Polotskaya. Novel Polyester Amide Membranes Containing Biquinoline Units and Complex with Cu(I): Synthesis, Characterization, and Approbation for n-Heptane Isolation from Organic Mixtures // Polymers. 2020. 12. Article 645. DOI:10.3390/polym12030645
9. N. Tsvetov, A. Sadaeva, M. Toikka, A. Toikka. Excess molar heat capacity for the binary system n-propyl alcohol + water in the temperature range 278.15–358.15 K: new data and application for excess enthalpy calculation. // J. Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. V. 142(5).P. 1977–1987. DOI: 10.1007/s10973-020-09605-y
10. A. Pulyalina, V. Rostovtseva, I. Faykov, A. Toikka. Application of Polymer Membranes for a Purification of Fuel Oxygenated Additive. Methanol/Methyl Tert-butyl Ether (MTBE) Separation via Pervaporation: A Comprehensive Review // Polymers. 2020. V. 12. Article 2218. DOI:10.3390/polym12102218
11. A. Pulyalina, V. Rostovtseva, I. Minich, O. Silyukov, M. Toikka, N. Saprykina, G. Polotskaya. Specific Structure and Properties of Composite Membranes Based on the Torlon® (Polyamide-imide)/Layered Perovskite Oxide // Symmetry. 2020. V. 12(7). Article 1142. DOI: 10.3390/sym12071142
12. A. Pulyalina, V. Rostovtseva, D. Rudakova, L. Vinogradova, G. Polotskaya. Strongly Selective Polymer Membranes Modified with Heteroarm Stars for the Ethylene Glycol Dehydration by Pervaporation // Membranes. 2020. V. 10(5). Article 86. DOI: 10.3390/membranes10050086
13. A. Pulyalina, M. Tataurov, I. Faykov, V. Rostovtseva, G. Polotskaya. Polyimide Asymmetric Membrane vs. Dense Film for Purification of MTBE Oxygenate by Pervaporation // Symmetry. 2020. V. 12(3). Article 436. DOI: 10.3390/sym12030436
14. G. Polotskaya, A. Pulyalina, V. Lebedev, G.Török, D. Rudakova, L. Vinogradova. Novel view at hybrid membranes containing star macromolecules using neutron scattering and pervaporation dehydration of acetic acid // Materials & Design. 2020. V. 186. Article 108352. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108352
15. A. Pulyalina, A. Larkina, M. Tataurov, L. Vinogradova, G. Polotskaya. Hybrid macromolecular stars with fullerene(C60) core included in polyphenyleneisophthalamide membranes for n-butanol dehydration // Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2020. V. 28(1). P. 54–60. DOI: 10.1080/1536383X.2019.1671366
16. A. A. Samarov, L. M. Shishaeva, A. M. Toikka. Phase Equilibria and Extraction Properties of Deep Eutectic Solvents in Alcohol–Ester Systems // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2020. V. 54. No. 4. P. 551–559. DOI: 10.1134/S0040579520040259
17. A. Samarov, I. Prikhodko, D. Liubichev, A. Toikka. Liquid-Liquid Equilibrium of Alcohol (Ethanol or n-Propanol)-Ester (Ethyl or n-Propyl Propionate) Systems with a Deep Eutectic Solvent Based on Choline Chloride at 293.15 K // J. Chemical and Engineering Data. 2020. V. 65(11). P. 5545–5552. DOI: 10.1021/acs.jced.0c00659
18. I.V. Prikhod’ko, A.A. Samarov, A.M. Toikka, M. Farzaneh-Gord. Prediction of Sound Speed in Natural-Gas Mixtures Using the CP-PC-SAFT Equation of State // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2020. V. 54(6). P. 1267–1275. DOI: 10.1134/S004057952006010X

Основные публикации 2019 года

1. A. Pulyalina, V. Rostovtseva, G. Polotskaya, L. Vinogradova, Z. Zoolshoev, M. Simonova, A. Hairullin, A. Toikka, Z. Pientka. Hybrid macromolecular stars incorporated poly(phenylene oxide) membranes: Organization, physical, and gas separation properties // Polymer. 2019. V. 172. P. 355–364. DOI: 10.1016/j.polymer.2019.04.005
2. G. Polotskaya, A. Pulyalina, M. Goikhman, I. Podeshvo, I. Gofman, S. Shugurov, V. Rostovtseva, I. Faykov, M. Tataurov, A. Toikka, A. Polotsky A. Asymmetric Membranes Based on Copolyheteroarylenes with Imide, Biquinoline, and Oxazinone Units: Formation and Characterization // Polymers. 2019. V. 11. Article 1542. DOI: 10.3390/polym11101542
3. A. Samarov, N. Shner, E. Mozheeva, A. Toikka. Liquid-liquid equilibrium of alcohol–ester systems with deep eutectic solvent on the base of choline chloride // The Journal of Chemical Thermodynamics. 2019. V. 131. P. 369–374. Doi: 10.1016/j.jct.2018.11.019
4. M. Trofimova, A. Sadaev, A. Samarov, M. Toikka, A. Toikka. Solubility, liquid-liquid equilibrium and critical states for the quaternary system formic acid – ethanol – ethyl formate – water at 298.15 K and 308.15 K // Fluid Phase Equilibria. 2019. V. 485. P. 111–119. DOI: 10.1016/j.fluid.2018.12.024
5. M. Toikka, A. Sadaeva, A. Samarov, A. Toikka. Solubility and critical surface in the system propionic acid – ethanol – ethyl propionate – water at 293.15, 303.15 and 313.15 K // The Journal of Chemical Thermodynamics. 2019. V. 132. P. 113–121. DOI: 0.1016/j.jct.2018.12.026
6. I.V. Prikhod’ko, A.A. Samarov, A.M. Toikka. On Application of PC–SAFT Model for Estimating the Speed of Sound in Synthetic and Natural Oil-and-Gas Mixtures // Russian Journal of Applied Chemistry. 2019. V. 92. No. 2. P. 262−266. DOI: 10.1134/S1070427219020150
7. A. M. Toikka, A. A. Samarov, M. Farzaneh-Gord, I. A. Zvereva. On Calculation of Some Properties of Natural Gas Using a Limited Number of Experimental Parameters // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2019. V. 53. No. 1. P. 21–28. DOI: 0.1134/S0040579519010159
8. A.V. Petrov, M.A. Smirnov, M.P. Sokolova, A.M. Toikka. Influence of Water Concentration on Its Mobility in Matrimid® // Coatings. 2019. V. 9. Article 466. DOI:10.3390/coatings9080466
9. A.Yu. Pulyalina, M.N. Putintseva, G.A. Polotskaya, V.A. Rostovtseva, A.M. Toikka. Pervaporation Purification of Oxygenate from an Ethyl tert-Butyl Ether/Ethanol Azeotropic Mixture // Membranes and Membrane Technologies. 2019. V. 1. No. 2. P. 99–106. DOI: 10.1134/S2517751619020082
10. A. Samarov, I. Prikhodko, N. Shner, G. Sadowski, C. Held, A. Toikka. Liquid−Liquid Equilibria for Separation of Alcohols from Esters Using Deep Eutectic Solvents Based on Choline Chloride: Experimental Study and Thermodynamic Modeling // J. Chemical and Engineering Data. 2019. V. 64. Issue 12. P. 6049–6059. DOI: 10.1021/acs.jced.9b00884