Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0102

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0102
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка метода получения катионоактивных нанопорошков железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами для комплексной очистки сточных вод от тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей
Докладчик
Левина Вера Васильевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью, на которую направлено исследование, является решение проблемы создания новых, энергоэффективных методов получения функционального наноматериала - катионоактивных наночастиц железа - с заданными каталитическими и сорбционными свойствами.
Задачи исследования включают в себя:
а) разработку 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) разработку способа защиты поверхности наночастиц железа с сохранением их высокой удельной поверхности, каталитических и сорбционных свойств.
Актуальность и новизна исследования
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.
Описание исследования

В рамках исследования для достижения поставленных целей и решения задач разрабатывается метод получения и установка синтеза наночастиц железа для очистки вод. Для этого используются следующие подходы и методики:

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.

Результаты исследования

В ходе обоснования конструкции лабораторной установки рассмотрены примеры конструкций химических реакторов от производителей из Японии, РФ, Великобритании и Германии.  Из рассмотренных производителей ультразвукового оборудования для разрабатываемой установки выбран генератор и преобразователь (ультразвуковой диспергатор) Hielscher UIP2000hdT мощностью 2000 Вт с рабочей частотой 20 кГц. 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.

Разработаны методики синтеза и апробации сорбционных и каталитических свойств нанопорошков железа. Разработанные методики, а также лабораторная установка для синтеза наночастиц железа являются уникальными, не имеют отечественных и зарубежных аналогов и полностью соответствуют мирового уровню исследований в области ПНИ – разработки крупнейшего производителя нанопорошков железа (Nanoiron s.r.c. ,Чехия) позволяют получать нанопорошки железа с широким распределением частиц по размерам без апробации функциональных свойств, т.е. уступают по качеству и в перспективе – в производительности продукта.

Проведен ряд тестовых, лабораторных и укрупненных лабораторных экспериментов. Полученные в результате экспериментов образцы наночастиц железа 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 (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 апробации каталитических и сорбционных свойств наночастиц железа проведены испытания 38 образцов наночастиц железа; установлены значения удельной поверхности частиц от 7.91 до 21.6 м2/г, степени удаления тяжелых металлов от 31.3 до 82.0%, степени разложения метила оранжевого и оранжевого Ж от 65 до 99.9%;

В ходе разработки укрупненного лабораторного метода синтеза катионоактивных нанопорошков железа была разработана методика синтеза нанопорошков железа с высокими каталитическими и сорбционными свойствами, разработана Программа и методики исследования экспериментального образца нанопорошка железа, изготовлен экспериментальный образец нанопорошка железа для очистки вод, удовлетворяющий требованиям Технического задания.

Полученные в ходе исследования результаты полностью соответствуют мировому уровню исследований и Техническому заданию проекта.

Практическая значимость исследования
Полученные в ходе выполнения исследования 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 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. Полученные результаты направлены на развитие научно-технического задела в области получения и исследования функциональных наноматериалов и потому окажут положительное влияние на развитие отрасли наноматериалов и нанотехнологий в РФ.
По окончании проекта планируется регистрация объектов интеллектуальной собственности на основе полученных в ходе РИД на разработанные в ходе проекта 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 – около 100 кг/год (порядка 20.000 $/год).
Созданные в ходе реализации проекта технические решения, объекты интеллектуальной собственности будут обладать несомненными перспективами коммерциализации как в виде лицензий на использование патентов, так и в ходе внедрения для производства конкурентоспособных продуктов – нанопорошков железа, в рамках модернизации на станциях водоочистки, в исследовательских проектах по разработке новых методов ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.