Регистрация / Вход
Прислать материал

Микрофлюидные системы для эколого-аналитического контроля атмосферного воздуха и промышленных выбросов

Номер контракта: 14.575.21.0106

Руководитель: Платонов Игорь Артемьевич

Должность: Заведующий кафедрой химии СГАУ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
микрофлюидные системы, микрорельефные конструкции, автоматический микродозатор, планарные хроматографические микроколонки, термокаталитический микродетектор.

Цель проекта:
Проект направлен на использование достижений технологий микрофлюидных систем, микроэлектронномеханических систем и нанотехнологий для развития отечественных импортозамещающих технологий в области аналитического приборостроения и их применение для экологического мониторинга воздушных сред. Цель проекта - исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание микрофлюидных систем для эколого-аналитического контроля атмосферного воздуха и промышленных выбросов.

Основные планируемые результаты проекта:
1 Научно-технические подходы создания микрофлюидных систем на основе микродозатора газовых проб, хроматографических микроколонок на плоских пластинах, термокаталитического детектора и термоэлементов
2 Экспериментальные образцы микрофлюидных систем на основе микродозатора газовых проб, хроматографических микроколонок на плоских пластинах, термокаталитического детектора и термоэлементов
3 Массив данных аналитических, метрологических и эксплуатационных характеристик полученных экспериментальных образцов микрофлюидных систем
4 Предложения и рекомендации по использованию полученных научно-технических решений для эколого-аналитического контроля атмосферного воздуха и промышленных выбросов
5 Проект технического задания на проведения ОКР по теме: «Разработка конструкции портативных аналитических приборов для анализа газовых сред на основе микрофлюидных систем»

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Научно-технические решения, полученные в ходе реализации проекта, должны быть предназначены для создания экспериментальных образцов микрофлюидных систем на основе микродозатора газовых проб, хроматографических микроколонок на плоскости, термокаталитического детектора и термоэлементов.
Функциональное назначение микродозатора газовых проб заключается в дозировании газовой смеси объемом 1-50 мкл. Функциональное назначение хроматографических микроколонок на плоских пластинах заключается в разделении смеси летучих органических соединений со степенью разделения не менее 0,5. Функциональное назначение термокаталитического детектора, адаптированного для использования в микрофлюидных системах, заключается в определении летучих органических соединений в газовой смеси. Функциональное назначение теромэлементов заключается в термостатировании конструкционных узлов микрофлюидной системы с точностью поддержания температуры ± 0,1°С.
Экспериментальный образец разрабатываемой в рамках ПНИ микрофлюидной системы должен быть предназначен для определения содержания летучих органических и неорганических соединений (предельных углеводородов, ароматических углеводородов, элементсодержащих органических соединений, неорганические газы) в газовых средах (атмосферный воздух, промышленный выбросы).
Должны быть соблюдены технические характеристики экспериментального образца микрофлюидной системы
1 Габаритные размеры экспериментального образца микрофлюидной системы не более 60 × 130 × 60 мм
.2 Рабочий температурный интервал 40-150°С
3.Предел детектирования (по пропану) не более 2×10-11 г/см3
4 Шум не более 1,3 ×105
5 СКО выходного сигнала не более 2%
Подобный способ реализации хроматографических узлов позволит:
1) уменьшить габариты хроматографического оборудования и производить микрохроматографы различного назначения для проведения анализа газовых сред как в стационарных лабораториях, так и во внелабораторных условиях;
2) повысить экспрессность анализа, что способствует оперативному принятию решений по предотвращению загрязнения окружающей среды;
3) уменьшить ресурсопотребление, в том числе уменьшить использование токсичных соединений при выполнении анализа;
4) реализовать многомерный вариант хроматографии, т.е. проводить несколько анализов в одном цикле,
что также приводит к экономии времени и ресурсов;
5) значительно снизить стоимость и повысить доступность оборудования.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В результате реализации проекта будет создан конкурентоспособный инновационный продукт, не имеющих аналогов в РФ и отвечающий требованиям мировых стандартов, способный обеспечивать проведение экологического мониторинга в русле современных подходов и мировых тенденций.
Создаваемый прибор за счет применения в его конструкции микрофлюидных и микроэлектромеханических систем будет обладать по сравнению с конкурентами сниженной массой (1 кг) и габаритами (220x150x50мм), временем одного цикла анализа (не более 2-х минут) и порогом детектирования (5x10-11г/м3 по метану). Достигнутые характеристики позволят службам экологического мониторинга значительно сократить время на анализ исследуемых проб, а также повысить точность этих измерений за счет исключения из процедуры анализа этапов, связанных с транспортировкой и хранением проб.


Текущие результаты проекта:
На данном этапе научно-исследовательской работы проведены исследования газодинамических процессов в микроканалах различной геометрии на плоских пластинах, процессов теплообмена и теплопередачи в тонких слоях металлов на плоских пластинах и процессов формирования сорбционных слоев на внутренней поверхности и в объеме микроканалов на плоских пластинах.
Показано, при моделировании процесса течения газа в микроканалах особое внимание следует уделять пограничному слою. Количество элементов сетки существенно влияет на скорость расчёта и точность полученных эпюр скоростей. Для оптимизации времени и корректности расчёта необходимо исследовать сеточную независимость, позволяющую подобрать оптимальный размер и количество элементов в пристеночном слое. Полученные результаты позволяют сделать вывод о снижении пропускной способности канала до 40 - 60% в зависимости от размера микроканала. Размеры канала в значительной степени влияют на скорость течения в канале. Эти особенности микроканалов необходимо учитывать при решении задач тепломассобмена.
На основании анализа различных типов топологии, эксплуатационных характеристик различных материалов и технологий нанесения металлических пленок были предложены научно-технические решения по созданию планарных нагревательных элементов на основе тонких алюминиевых пленок, полученных методом магнетронного распыления.
Одной из актуальных проблем проектирования современной микрофлюидики является повышение удельной поверхности сорбционных частей микрофлюидных устройств, что может быть достигнуто путем путем модифицирования внутренней поверхности канала пленками полимеров или слоями адсорбентов. На основании проведенных исследований разработаны способы формирования адсорбционного слоя как на внутренней поверхности, основанные на «аэрозоль-гель» переходе, так и в объеме микроканалов на плоских пластинах.
На основании проведенных исследований будут разработаны конструкции и изготовлены микродозаторы газовых проб, хроматографические микроколонки на плоских пластинах, термоэлементы микрофлюидных систем, а также проведена адаптация термокаталитического детектора для использования в составе микрофлюидной системы. В дальнейшем данные конструкционные элементы будут объединены в экспериментальные образцы микрофлюидных систем для газового анализа, что будет способствовать совершенствованию аналитического приборостроения с целью проведения экологического мониторинга в русле современных подходов и мировых тенденций.