Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка метода получения катионоактивных нанопорошков железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами для комплексной очистки сточных вод от тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей

Номер контракта: 14.575.21.0102

Руководитель: Левина Вера Васильевна

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наноразмерное нульвалентное железо, морфология поверхности, дисперсность, сорбция/восстановление, очистка загрязненных вод, ультразвуковая кавитация, реакция фентона

Цель проекта:
1. Проблемой, на решение которой направлен реализуемый проект, является создание новых, энергоэффективных методов получения функциональных наноматериалов с заданными свойствами. 2. Целью реализуемого проекта является: а) разработка нового метода получения катионоактивных нанопорошков железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами для комплексной очистки сточных вод от тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей; б) разработка способа защиты поверхности наночастиц железа с сохранением их высокой удельной поверхности, каталитических и сорбционных свойств.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты:
а) экспериментальный образец нанопорошка железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами для комплексной очистки сточных вод от тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей;
б) лабораторный технологический регламент получения нанопорошков железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами для комплексной очистки сточных вод от тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей;
в) эскизная конструкторская документация на лабораторную установку для синтеза катионоактивных нанопорошков железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами;
г) лабораторная установка получения катионоактивных нанопорошков железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами для комплексной очистки сточных вод от тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей;
д) способ защиты поверхности наночастиц железа с сохранением их высокой удельной поверхности, каталитических и сорбционных свойств;
е) технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики;
ж) проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка опытной технологии получения катионоактивных нанопорошков железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами для комплексной очистки сточных вод от тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей».
2. Планируемые результаты должны будут обладать следующими характеристиками:
а) аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2014 гг.;
б) патентные исследования должны быть проведены в соответствии ГОСТ Р 15.011-96;
в) разрабатываемая лабораторная методика получения нанопорошков железа должна обеспечивать:
- прирост массы наночастиц при хранении на воздухе при комнатной температуре и атмосферном давлении не более 5% в сутки;
- производительность не менее 50 г/час;
- степень очистки модельных систем должна составлять:
-- от тяжелых металлов, не менее ― 80 %;
-- от органических загрязнителей, не менее ― 98 %.
г) экспериментальный образец нанопорошка железа должен обеспечивать:
- долю металлического железа более 75%;
- наличие примесей не более 0,2 %;
- характер распределения частиц - мономодальный;
- средний размер частиц от 15 до 50 нм;
- удельная поверхность частиц не менее 20 кв.м./г;
- морфология поверхности частиц – сферическая или игольчатая;
- устойчивость к хранению на воздухе при комнатной температуре.
д) разработанная лабораторная установка для синтеза наночастиц железа должна обеспечить:
- производительность не менее 50 г/час;
- постоянный контроль температуры и величины pH с возможностью регулирования с относительной погрешностью не более 25 %;
- возможность работы в непрерывном режиме;
- расход реактивов в ходе синтеза с точностью до 5 мл/мин;
е) разработанная лабораторная установка должна функционировать при условиях:
- температура, °С от 10 до 40;
- относительная влажность, % от 20 до 75;
- атмосферное давление, мм рт. ст. от 700 до 800;
ж) разработанная лабораторная установка должна состоять из:
- генератора ультразвуковых колебаний, с регулируемой мощностью не менее 1 кВт и работающего от сети 220 В;
- пьезокерамического преобразователя, работающего с частотой не менее 20 кГц;
- проточной стальной ячейки и стационарной кварцевой ячейки с охлаждающей рубашкой;
- сонотрода (материал – титановый сплав или керамика) диаметром не менее 20 мм, с возможностью установки бустера;
- перистальтических насосов для подачи химических реагентов с точностью расхода не менее 5 мл/мин;
- шнекового насоса с производительностью не менее 5 л/мин;
- термостата с мощностью охлаждения не менее 100 Вт;
- других периферийных деталей и устройств.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным результатом проекта будет новый, эффективный метод получения функциональных наноматериалов с заданными свойствами - катионоактивных нанопорошков железа, что позволит получить значимые научно-технические результаты для создания новых технических решений в области водоподготовки и очистки сточных вод, ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, обеспечить замещение импорта в области функциональных наноматериалов на отечественном рынке за счет выпуска новой, конкурентоспособной продукции, значительно повысить эффективность существующих технологий очистки вод за счет применения полученных в ходе проекта научно-технических результатов и технических решений.
По своим качественным характеристикам результаты проекта будут обладать следующими преимуществами: экологичность, эффективность (за счет применения наиболее перспективных технических решений в ходе синтеза наночастиц - ультразвуковых установок), экономичность (по сравнению с наиболее распространенными методами - плазменным и методом электрического взрыва проводников), производительность, универсальность (за счет возможности применения наночастиц железа как на различных стадиях очистки вод, так и в технологиях комплексной очистки воды).
Полученные в ходе выполнения проекта результаты могут использоваться в области нанотехнологий для разработки опытных образцов и технических решений для получения неорганических нанодисперных материалов, а также апробации свойств металлических наноматериалов с целью их применения в области водоочистки и некоторых других (например, активации физико-химических процессов). Разработанные методики апробации адсорбционных и каталитических свойств предполагается внедрять на существующих и создаваемых производствах функциональных наноматериалов на этапе контроля качества, а также в других исследованиях и разработках, направленных на создание эффективных наноматериалов для комплексной очистки загрязненных вод. Разработанную эскизную конструкторскую документацию предполагается внедрять на существующих и создаваемых производствах функциональных наноматериалов на этапах масштабирования и разработки конструкторской документации полупромышленных установок, а также в других исследованиях и разработках, направленных на энергоэффективное производство наноматериалов для комплексной очистки загрязненных вод и других отраслей.
2. Полученные в ходе проекта научно-технические решения будут обладать несомненной научной и технической новизной. Общий тренд развития области получения и применения нанопорошков железа подтверждается научно-техническими публикациями (свыше 1100 статей за последние 20 лет с индексом Хирша h=70, согласно Web of Science по запросу "nanosized iron"). Разработанный в ходе проекта метод синтеза нанопорошков железа будет обладать несомненной патентоспособностью из-за наличия значительных отличий от мировых аналогов, заключающихся в применении ультразвуковых установок, уникальных методах защиты поверхности наночастиц без потери реакционной способности, уникальных методик апробации каталитических и сорбционных свойств нанопорошков железа.
3. По сравнению с наиболее близкими на сегодняшнем рынке мировыми аналогами (в частности, производства нанопорошков железа методами электрического взрыва проводников, производство лидера - компании Nanoiron, s.r.c., Чехия), результаты проекта будут полностью отвечать сложившемуся мировому уровню исследований и разработок. Более того, по сравнению с аналогами, результаты проекта будут обладать существенными преимуществами - апробированными каталитическими и сорбционными свойствами в двух наиболее перспективных направлениях применения катионоактивных нанопорошков железа - водоочистке и активации физико-химических процессов.
4. Для достижения заявленных результатов планируются следующие пути и способы решения:
а) для выбора и обоснования подходов к проблеме синтеза нанопорошков железа с заданной морфологией и дисперсностью частиц необходимо:
- исследование отечественного и зарубежного опыта в области синтеза нанопорошков железа;
- проведение комплексного анализа существующих технических решений, выбор перспективных методов синтеза с точки зрения достижения максимальной удельной поверхности, каталитических и сорбционных свойств, а также решения проблемы хранения и транспортировки получаемых нанопорошков;
- разработка методик апробации сорбционных и каталитических свойств нанопорошков железа (модельные системы - растворы тяжелых металлов: цинк, медь, кадмий, свинец; растворы стойких органических загрязнителей, смешанные системы органических и неорганических загрязнителей);
- выбор оптимальных подходов к решению поставленной задачи - методов синтеза и методик апробации нанопорошков железа.
б) для разработки лабораторной установки для синтеза наночастиц железа с заданной морфологией и дисперсностью:
- проектирование экспериментальной лабораторной установки;
- предварительный выбор необходимого оборудования;
- монтаж экспериментальной лабораторной установки;
- проведение тестовых экспериментов;
- анализ полученных результатов, корректировка конструкционных особенностей установки;
в) для разработки метода синтеза катионоактивных нанопорошков железа:
- разработка программ и методик лабораторных экспериментов по синтезу нанопорошков железа;
- проведение лабораторных экспериментов согласно разработанным программам и методикам;
- апробация каталитических и сорбционных свойств получаемых продуктов - нанопорошков железа согласно разработанным методикам;
- анализ полученных экспериментальных результатов, выбор оптимальных физико-химических параметров процесса;
г) для разработки укрупненного лабораторного метода синтеза катионоактивных нанопорошков железа:
- анализ масштабируемости разработанного метода, выбор подходов к решению задачи;
- внесение необходимых изменений в конструкцию лабораторной экспериментальной установки;
- разработка плана и методики укрупненных лабораторных экспериментов.
- проведение экспериментов;
- анализ результатов, внесение необходимых корректировок в разработанную методику синтеза нанопорошков железа;
- наработка опытной партии нанопорошка железа с высокими сорбционными и каталитическими свойствами;
- разработка технологических условий получения нанопорошков железа с заданной морфологией и дисперсностью;
- разработка конструкторской документации на установку синтеза катионоактивных нанопорошков железа;
д) для разработки практических рекомендаций по внедрению результатов проекта в реальном секторе экономики:
- технико-экономическая оценка полученных в ходе выполнения проекта результатов, в том числе – потенциальной прибыли от внедрения результатов проекта в зависимости от конъюнктуры рынка, капитальных затрат, затрат на обслуживание необходимого оборудования и электроэнергию, обучение персонала;
- оценка социально-экономического эффекта от внедрения результатов проекта;
- разработка рекомендаций и предложений по использованию результатов проекта как в рамках существующих технических решений для очистки вод, так и в будущих исследованиях и разработках, направленных на создание опережающего научно-технического задела в области технологий водоподготовки и очистки сточных вод.
Успешное решение задач проекта будет обеспечено привлечением к работам специалистов-исследователей, а также использованием комплекса современного научно-исследовательского оборудования Центра коллективного пользования НИТУ МИСиС «Материаловедение и металлургия», Научно-образовательного центра энергоэффективности и кафедры Функциональных наносистем и высокотемпературных материалов, которое позволить обеспечить проведение лабораторных, аналитических и других исследований на мировом уровне. В качестве консультантов и соисполнителей к работам будут также привлечены специалисты Индустриального партнера (инновационной компании), обладающие обширными опытом в области разработки методов синтеза и исследования свойств функциональных материалов, анализа состава и свойств дисперсных систем, экологии, в области лабораторных и полупромышленных испытаний свойств наночастиц.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Областями применения ожидаемых результатов проекта будут являться:
а) инновационные компании - производители нанопорошков функциональных материалов;
б) водоочистные сооружения и станции очистки вод:
– коммунальных (города и населенные пункты);
– промышленных (сточные воды пищевой, нефтехимической, легкой, химической отраслей,межотраслевые);
– ликвидация последствий природных и техногенных катастроф (наводнение; сбросы отходов промышленных предприятий; разлив нефтепродуктов; разрушение инфраструктуры централизованной водоподготовки).
2. По окончании проекта планируется регистрация объектов интеллектуальной собственности на разработанные в ходе ПНИ технические решения, от которых, в свою очередь, ожидается экономический эффект (продажа лицензий), а по мере дальнейшего развития рынка наноматериалов в РФ – создать основы конкурентной технологии для импортозамещения нанопорошков железа на существенный объем продукта – около 100 кг/год (порядка 20.000 $/год).
3. Планируемые результаты проекта в области получения нанопорошков железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами позволит:
а) предоставить научно-исследовательским организациям новый, эффективный метод получения функциональных наноматериалов с заданными свойствами - катионоактивных нанопорошков железа;
б) получить значимые научно-технические результаты для создания новых технических решений в области водоподготовки и очистки сточных вод, ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера;
в) обеспечить замещение импорта в области функциональных наноматериалов на отечественном рынке за счет выпуска новой, конкурентоспособной продукции;
г) значительно повысить эффективность существующих технологий очистки вод за счет применения полученных в ходе проекта научно-технических результатов и технических решений.
4. Планируемые результаты, а именно создание необходимого научно-технического задела для разработки новых технологий очистки сточных вод и совершенствования существующих водоочистных сооружений на основе полученных в ходе проекта научно-технических результатов окажут существенное влияние на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры. Основным движущим фактором будет являться успешное применение результатов проекта при устранении последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, а также для снижения нагрузки на окружающую среду и улучшения экологической обстановки в промышленных регионах. Ввиду своей очевидной социальной направленности, результаты проекта будут обладать положительным социально-экономическим эффектом.

Текущие результаты проекта:
1. Достигнуты следующие результаты:
а) получена характеристика мирового уровня исследований и тенденций развития науки и техники в области получения нанопорошков железа;
б) установлена низкая динамика изобретательской активности в Российской Федерации относительно мировых значений;
в) установлен олигополистичный характер рынка с небольшим количеством производителей (конкурентов) и сделан вывод о перспективности планируемого продукта;
г) показана перспективность разработки метода синтеза нанопорошков железа;
д) установлены достоинства и недостатки различных методов синтеза, основные методы защиты поверхности наночастиц, выделены боргидридный и химико-металлургический методы получения катионоактивных нанопорошков железа;
е) получена характеристика достоинств и недостатков существующих методов с точки зрения достижения максимальной удельной поверхности, каталитических и сорбционных свойств нанопорошков;
ж) получено обоснование выбора методик анализа удельной поверхности и потенциометрии для апробации и сравнения сорбционных свойств наночастиц железа;
з) получено обоснование выбора методик анализа удельной поверхности и спектрофотометрии (для исследования процесса окислительного разложения органических красителей (метила оранжевого и оранжевого Ж) в присутствии ультразвуковой кавитации) для апробации и сравнения каталитических свойств наночастиц железа;
и) получено обоснование конструкции лабораторной установки, сделан вывод о перспективности схемы ультразвуковой обработки с рециркуляцией вместо схемы стационарного химического реактора;
к) выбрано оборудование для создания лабораторной установки;
л) в ходе тестовых экспериментов получено 6 образцов наночастиц железа химико-металлургическим и боргидридным методом;
м) установлена взаимосвязь дисперсности частиц и вводимой мощности ультразвука;
н) по результатам тестовых экспериментов сделан предварительный выбор значений основных физико-химических параметров – концентрации прекурсоров, амплитуды ультразвуковых колебаний, температуры и статического давления;
о) создана эскизная конструкторская документация на лабораторную установку получения катионоактивных нанопорошков железа.
2. Основные характеристики текущих результатов проекта:
а) в ходе анализа научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к области ПНИ рассмотрено более 15 научно-информационных источников за период 2009-2014 гг., общее число проанализированных в литературном обзоре источников – 46;
б) в ходе патентных исследований проанализированы источники за последние 20 лет, общее число отобранных и проанализированных документов составило 87 источников;
в) в ходе маркетинговых исследований рассмотрено 47 крупнейших компаний-производителей нанопорошков (конкуренты) из 11 стран мира, рассмотрены 3 основных производителя нанопорошков железа (Nanoiron, s.r.o.; Nanostructured & Amorphous Materials, Inc.; Advanced Powder Technologies LLC), оценен общий мировой объем рынка нанопорошков железа (в 4-5 тонн в год) и диапазон цен (от 90 до 2870 $ за 1 кг), спрогнозирован ожидаемый рост потребления до 2020 года на 20-30 % в год;
г) разработана 1 методика апробации сорбционных свойств нанопорошков железа и 1 методика апробации каталитических свойств нанопорошков железа;
д) в ходе обоснования конструкции лабораторной установки рассмотрены примеры 8 конструкций химических реакторов от 4 производителей из Японии, РФ, Великобритании и Германии; для обоснования применения ультразвуковой кавитации приведены 14 формул и данные из 9 научных источников; приведено 22 научно-технических источника, 5 примеров конструкций ультразвуковых преобразователей и ультразвуковых установок; приведено 2 примера ультразвуковых ванн, 1 пример проточного ультразвукового реактора и 1 пример проточной сонохимической ячейки. Проведенный расчет затухания ультразвукового давления и интенсивности ультразвуковых колебаний показал, что на расстоянии более 6 см от поверхности сонотрода, порог возникновения кавитации в воде, составляющий около 2-3 Вт/см2 не достигается;
е) в ходе выбора оборудования для разрабатываемой лабораторной установки синтеза наночастиц железа проведен анализ ультразвукового оборудования, представленного 3 производителями из Российской Федерации и 3 производителями из Германии и Швейцарии. Всего приведено 7 примеров ультразвукового оборудования, удовлетворяющего требованиям Технического задания по формальным техническим признакам. Из представленных производителей для разрабатываемой установки выбран генератор и преобразователь (ультразвуковой диспергатор) Hielscher UIP2000hdT мощностью 2000 Вт с рабочей частотой 20 кГц.
ж) разработана 1 программа тестовых экспериментов, получено 16 тестовых образцов наночастиц железа: 5 образцов химико-металлургическим методом (5% NaOH, 5% FeCl3 без и в присутствии 0,1% додецилсульфата натрия; при различной амплитуде ультразвуковых колебаний) и 11 образцов боргидридным методом (2% NaBH4, 3% FeCl3). Полученные образцы исследовали методами термогравиметрического анализа (определена оптимальная температура восстановления – 410 °С для гидроксидной фазы, полученной в ходе химического осаждения), рентгенофазового (для образцов, полученных боргидридным методом, обнаружено до 5,4 % сульфата натрия Na2SO4 из-за неполной отмывки осадка) и рентгеноструктурного анализа (величина областей когерентного рассеяния составила от 23 до 82 нм в зависимости от методаи условий получения); анализа удельной поверхности по низкотемпературной адсорбции азота (удельная величина поверхности составила от 8,6 до 21,6 м2/г и расчетный размер частиц в сферическом приближении - от 35 до 90 нм в зависимости от метода и условий получения); электронно-микроскопического анализа (приведено 7 микрофотографий образцов, установлено, что для образцов с наиболее развитой поверхностью наблюдается ячеистая морфология: сравнительно крупные агрегаты наночастиц размером около 150 нм состоят из более мелких частиц с диаметром около 20 нм). В ходе выбора предварительного выбора основных физико-химических параметров для дальнейших экспериментов выбраны 6основных параметров, среди которых концентрация FeCl3 (2, 5, 10, 15 %), концентрация NaBH4 (1, 2, 3, 5, 7, 10 %),концентрация NaOH (5, 10, 20 %),амплитуда ультразвуковых колебаний (25, 50, 75, 100 % от максимального значения),температура (20, 30, 45 °C), статическое давление (1, 2, 5, 7 атм). В ходе разработки эскизной конструкторской документации создана 1 трехмерная модель лабораторной установки, 1 чертеж общего вида, 1 сборочный чертеж установки, 1 сборочный чертеж деталей установки, 1 руководство по эксплуатации, 1 структурная схема, 1 принципиальная схема, а также 1 эксплуатационная ведомость и 2 спецификации.