Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения нанопористых материалов для анализа свойств газов в энергетике, химической промышленности и медицине

Докладчик: Псахье Сергей Григорьевич

Должность: директор, заведующий лаб., заведующий каф., Заведующий лабораторией "Медицинское материаловедение"

Цель проекта:
1. В настоящее время простые и недорогие методы измерения состава газа с чувствительностью более 10Е-6 объемных концентраций отсутствуют. Необходимо проводить поиск новых и совершенствовать существующие методы анализа газов. Перспективным направлением для создания новых методов газоанализа является использование трансформации спектров поглощения газов в нанопорах. В нанопористых материалах наблюдается уширение спектральных линий, появлении новых линий спектрах, повышение сигнала за счет многократного рассеяния фотонов. Обнаруженные эффекты открывают новые возможности для разработки новых методов анализа газов. 2. Разработка новых высокоэффективных нанопористых материалов нового поколения для газовых сенсоров с чувствительностью более 10Е-6 объемных концентраций исследуемого газа, что на порядок выше зарубежных аналогов представленных на рынке.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения проекта будут созданы:
- методика молекулярно-динамического моделирования кинетических свойств газов;
- лабораторный регламент получения нанопористых материалов, предназначенных для создания регистрирующих элементов измерительных устройств газовых сенсоров;
- экспериментальные образцы нанопористых материалов для создания регистрирующих элементов измерительных устройств газовых сенсоров с чувствительностью более 10Е-6 объемных концентраций исследуемого газа;
- проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка газоанализатора с регистрирующим элементом на основе нанопористого материала для анализа свойств газов в энергетике, химической промышленности и медицине».
2. Экспериментальный образец нанопористого материала должен обеспечивать определение концентраций модельных газов с чувствительность более 10Е-6 объемных концентраций.
3. Научная новизна применяемых решений заключается в использовании для трансформации газовых спектров в нанопорах, материалов обладающих поверхностным зарядом и слабым поглощением в ближнем ИК-диапазоне. Поверхностный заряд нанопор может оказать существенное влияние на трансформацию газовых спектров в нанопорах. Регулирование свойств поверхности нанопористого материала позволит улучшить потенциальные возможности чувствительного элемента.
4. Современные высокоточные методы анализа состава газов используются в исследовательских целях, реализованы с помощью громоздкого и сложного оборудования (газовая хроматография, масс-спектрометрия), пригодны для анализа только определённых газов (электрохимические сенсоры). Методы оптической ИК-спектроскопии имеют невысокую стоимость, но низкие селективность и чувствительность. Методы лазерной спектроскопии обладают достаточно высокой чувствительностью и селективностью, однако имеют высокую стоимость. Простое оборудование, обладающее необходимыми эксплуатационными характеристиками, предназначенное для проведения анализа непосредственно у источника выбросов или выдыхаемого воздуха в клинике, отсутствует.
5. Результатом работы по проекту является разработка технологии получения экспериментального образца нанопористого материала предназначенного для создания газочувствительного элемента для регистрации спектров газов с чувствительностью более 10Е-6 объёмных концентраций. Для этого будут проведены теоретические и экспериментальные исследования исследования включающие выбор направлений исследований и вариантов решения задачи, исследования нанопористых материалов, исследования зарядовых свойств и трансформации спектров поглощения модельных газов в нанопористых материалах, разработку проекта лабораторного регламента получения нанопористых материалов, обобщение и оценку результатов проведённых исследований. В настоящее время ограничения и риски для реализации заявленного результата работы отсутствуют.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Контроль следовых количеств газовых выбросов вдоль газопроводов, в шахтах, на атомных станциях, предприятиях химической промышленности, микроэлектроники, цветной металлургии, а также для диагностики состояния организма человека по составу выдыхаемого воздуха в медицине. Определение состояния организма по выдыхаемому воздуху имеет преимущества перед традиционными анализами крови и мочи как более простой, а в ряде случаев и более информативный метод, не вызывающий стресса у пациентов. В связи с высоким потенциалом для клинической диагностики, анализ выдыхаемого воздуха может являться важным неинвазивным инструмент для оценки состояния и эффективности лечения пациентов.
2. Внедрение результатов исследований будет осуществлено ООО "Специальные технологии" - индустриального партнёра по проекту. В входе выполнения проекта индустриальным партнёром будет создан и испытан экспериментальный образец газоанализатора с регистрирующим элементом на основе нанопористого материала. Для организации выпуска продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера в ходе выполнения проекта будут разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции.
3. Основным конкурентным преимуществом аналитических приборов на основе нанопористого регистрирующего элемента по отношению к существующим высокочувствительным методам измерения состава газов является компактность, невысокая цена и простота использования при чувствительности выше 10Е-6 объемных концентраций. Указанные преимущества будут определять масштабность применения приборов в тех отраслях промышленности и медицине, где требуются измерения следовых количеств газов, что повысит эффективность затрат на технологическую и экологическую безопасность, эффективность медицинского обслуживания населения. Возможность определения низких концентраций газов позволит избежать экологических либо техногенных катастроф и снизит затраты на их ликвидацию. Например, результаты исследований могут быть востребованы при создании методик и приборов для контроля метаноемкости угольных пород
оптическими методами в режиме реального времени, контроля оптически неактивных молекул, например, водорода в нанопористых структурах-аккумуляторах.
В медицине данные о выделении молекул ряда газов представляют ценную информацию при различных патологиях на ранних стадиях заболеваний, когда другие методы исследований малоинформативны. Применение новых газоанализаторов необходимо в больницах небольших населённых пунктов, где доступ к дорогостоящим методам диагностики невозможен. Анализ выдыхаемого воздуха
должен быть рутинным обследованием работников опасных производств, например, растворителей, цемента, лакокрасочных материалов и т.д. Возможность измерения чрезвычайно низких количеств газов поможет точнее определять возможные риски при развитии новых технологий. Возникнут новые возможности в области безопасности и противодействия терроризму. Результаты проекта направлены на создание газоанализаторов работающих на новом принципе.
Полученные в проекте результаты являются пионерскими и представляют большой интерес не только с точки зрения прикладных результатов, но важны для понимания процессов происходящих в газах на наномасштабах и свойств нанопористых материалов, что открывает широкие возможности для развития международного научного сотрудничества.
Представление результатов проекта на специализированном сайте и в средствах массовой информации позволит продемонстрировать и популяризовать полученные научно-технические результаты.


Текущие результаты проекта:
На данном этапе ПНИ были выполнены следующие работы:
1) проведён анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей исследуемую научно-техническую проблему, в том числе обзор научных информационных источников;
2) проведён выбор и обоснование направления исследований;
3) получены результаты исследования возможных решений задач ПНИ, проведено описание и обоснование выбора решения задач;
4) проведено описание и обоснование выбора оптимального варианта решения задачи;
5) выполнены патентные исследования;
6) разработана методика молекулярно-динамического моделирования кинетических свойств газов;
7) разработана эскизная конструкторская документация и изготовлен макет лабораторного стенда для получения образцов нанопористых материалов на основе низкоразмерных структур;
8) разработаны и Программы и методики испытаний макета стенда лабораторного стенда;
9) проведены испытания лабораторного стенда.