Научная группа профессора А.М. Тойкка
Научная группа кафедры химической термодинамики и кинетики
Термодинамика и кинетика мембранных и реакционно-массообменных процессов
Состав научной группы
Руководитель группы
Александр Матвеевич Тойкка, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химической термодинамики и кинетики.
Состав группы
- Приходько Игорь Владимирович, к.х.н., доцент;
- Громов Дмитрий Валерьевич, к.т.н., доцент;
- Пулялина Александра Юрьевна, к.х.н., доцент;
- Первухин Олег Константинович, к.х.н., доцент;
- Горовиц Борис Исаакович, д.х.н., ст. научный сотрудник;
- Полоцкая Галина Андреевна, к.х.н., ст. научный сотрудник;
- Володина Наталья Юрьевна, аспирант;
- Ростовцева Валерия Алексеевна, аспирант;
- Смирнов Александр Алексеевич, аспирант;
- Любичев Дмитрий Алексеевич, аспирант;
- Мисиков Георгий Хвичаевич, студент-магистрант;
- Золотовский Константин Алексеевич, студент-магистрант.
В группе работают 1 профессор, 4 доцента, 2 старших научных сотрудника, 4 аспиранта, 2 студента-магистранта. В 2021 году опубликовано 17 статей WOS/Scopus, из них 6 статей в журналах уровня Q1.
Тематика
Общая, неравновесная и химическая термодинамика. Совмещенные реакционно-массообменные процессы, кинетика химических процессов в гетерогенных средах. Эволюция термодинамических свойств в ходе совмещенных процессов. Применение методов неравновесной термодинамики для решения некоторых теоретических задач химической технологии: устойчивость многокомпонентных систем, фазовое и мембранное разделение, реакционно-массообменные процессы. Термодинамические свойства природного газа и газовых смесей, в том числе, для применения в промышленных целях. Экспериментальные исследования фазовых переходов, сорбции, тепловых эффектов процессов. Теория термодинамической устойчивости, ее развитие и применение для анализа и моделирования химических и фазовых процессов в равновесных и неравновесных системах. Мембранные процессы, экспериментальное исследование и моделирование трансмембранного переноса на основе аппарата неравновесной термодинамики. Природные биологические мембраны, экспериментальное исследование. Разработка новых перспективных мембранных полимерных и композитных материалов (внедрение модификаторов в полимерную матрицу), их структурные (СЭМ, АСМ, X-Ray) и термохимические исследования, термодинамические свойства.
Дополнительный (прикладной) профиль деятельности: организация процессов фазового и мембранного разделения, включая совмещенные процессы (реакционная дистилляция и экстракция, синтез в мембранном реакторе). Новые практически важные и перспективные мембранные материалы (первапорация, газоразделение).
Результаты
Основные результаты научной группы «Термодинамика и кинетика мембранных и реакционно-массообменных процессов»
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.
- 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
- 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
- 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
- D. Gromov, A. Toikka. Geometric Analysis of a System with Chemical Interactions // Entropy. 2021. V. 23, 1548. DOI: 10.3390/e23111548.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- D. Gromov, A. Toikka. Toward Formal Analysis of Thermodynamic Stability: Le Chatelier—Brown Principle // Entropy. 2020. 22. Article 1113. DOI:10.3390/e22101113
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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)
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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